.精密仪器专业课程设计说明书姓名：学号：U*********班级：测控0903班指导老师：2013年3月22日目录一、需求分析 (2)1、设计题目 (2)2、粗糙度定义 (2)3、系统性能要求 (2)二、设计方案及原理 (4)1、系统原理 (4)2、系统分析 (5)3、系统说明 (5)三、传感器选型 (6)四、系统工作台设计 (7)1、导轨及支承结构选型 (7)2、传动机构选型 (9)3、电机选型 (11)4、光栅尺选型 (13)5、限位开关选型 (14)6、工作台精度分析 (15)五、信号处理电路设计 (17)1、正弦波发生器 (17)2、信号跟随及反相电路 (19)3、比较器电路 (19)4、信号输入及带通滤波电路 (20)5、相敏检波电路 (21)6、低通滤波电路 (22)7、工频陷波电路 (22)六、设计不足及可扩展之处 (24)七、总结 (26)附录参考文献 (27)一、需求分析1、设计题目二维表面粗糙度自动测量系统2、粗糙度定义表面粗糙度是指加工表面上具有的较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性，一般是由所采用的加工方法或其它外部因素造成，它是评定机械零件表面质量的重要指标之一。

根据定义，非切削加方法所获得的表面微观几何形状特性属于表面粗糙度的范畴，但是，零件表面的物理特性(如表面应力、硬度、光亮程度、颜色及斑纹等)和表面缺陷(如硬伤、划伤、裂纹、毛刺、砂眼及鼓包等)则不属于表面粗糙度的范畴。

零件表面粗糙度的形成，首先要受加工方法的影响。

这是因为零件表面的粗糙度，主要来自金属被加工时切削工具的切削刀刃在其上留下的切削痕迹。

不同的加工方法、机床的精度、振动及调整状况、工件的装夹、塑性变形和刀具与工件之间的摩擦、操作技术以及加工环境的温度、振动等主要因素，都会不同程度地直接影响零件加工表面的粗糙度。

综上所述，切削加工方法不同，所得的零件加工表面粗糙度也不同。

由于表面粗糙度是在切削加工过程中上述诸种因素共同作用的结果，而且这些因素的作用过程是极其复杂和不断变化的，因此，即使采用一种加工方法，在同样的切削条件下，加工出同一批零件，甚至同一零件的同一表面上的不同部位，所得的表面粗糙度也不尽相同。

3、系统性能要求1>工作台运行范围25mm；2>运行速度：最大达1mm/s；3>工作台定位分辨率<0.002mm；4>垂直分辨率：+-0.01um；5>测量范围Ra：+-100um；6>测量精度<2%。

二、设计方案及原理本设计拟采用电感传感器，触针扫描则由工作台带动工件相对触针运动的方式。

触针式轮廓仪是最广泛使用的接触式测量仪，典型产品是英国Rankl’aylorHobson公司的Taylor Surf和Nanosurf等系列轮廓仪。

它们一般采用金刚石探针，通过驱动杆控制探针沿着工件表面作上下往复的运动，从而正确地反映被测表面的实际轮廓曲线。

它的优点是:分辨率高、测量范围大、结果稳定可靠、重复性好，其横向和纵向分辨率分别为20nm和0.01um。

此外它还作为其它粗糙度测量技术的对比方法。

目前正在对触针的形状、大小、接触力、触针动态特性以及仪器智能化等方面加以不断完善。

其最大缺点为:探针常常会划伤被测表面。

因此，这类触针式表面轮廓仪对轻金属、塑料以及超精加工表面等都不适用。

1、系统原理图2.1表面粗糙度是指加工表面上具有较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性。

它主要是由所采用的加工方法形成的，如在切削过程中工件加工表面上刀具痕迹以及切削撕裂时的材料塑性变形等。

二维表面粗糙度测量系统组成方框图如图所示，其工作情况如下：表面粗糙度测量仪测量工件表面粗糙度时，将传感器放置在被测表面上。

接通电源后，由内置驱动电机推动工作台以某一恒定的速度直线运动时，传感器触针对工件表面扫描并随着工件表面的围观起伏问作上下运动，此时传感器的内部感应线圈的感应电量发生变化，触针的运动由传感器转换成相应的电信号，从而在相敏整流器的输出端产生与被测表面粗糙度成比例的模拟信号，再经测微放大和预处理电路后，由计算机分析处理即可得到工件表面粗糙度参数值并予以输出。

2、系统分析表面粗糙度测量系统各环节中由工作台的直线运动形成粗糙度的测量基准，由传感器实现被测信息的拾取和转换成信号，由信号处理电路完成信号的放大和预处理，由信号采集电路将被测对象转化为一系列的数据，计算机则实现数据分析和参数评定。

这些环节缺一不可，其中最为关键则是传感器，传感器的特性和可靠性直接左右整个系统的性能和可靠性：工作台的运行精度包括定位精度也是至关重要的，没有好的测量基准，测量同样是不可靠的；信号处理和采集电路则需要保证信息的不失真，不丢失；计算机数据处理则需要评定原则与统一标准相一致。

3、系统说明对于这个系统而言，精度是它最基本也是最重要的要求，本设计中应从进一步改善工作台的工作特性和运行精度，传感器的线性范围和稳定性以及信号处理电路的集成化，简化、分析处理软件等几个方面着手，从而达到设计要求。

最后还要对测试结果进行误差分析。

针描法测量技术的准确度，不仅与触针尖端的半径有关，而且与触针的测量力有关。

为使触针与被测表面可靠接触，还需要有一定的测量力。

测量力太小，不能保证触针和被测表面有效接触，而且触针划过的速度受到限制，速度太快，容易产生触针脱开的现象;测量力太大，则表面接触力很大，将会划伤表面，也会影响测量的应用范围。

系统组成1）传感器2）一维精密工作台3）信号处理电路4）接口电路5）信号处理软件三、传感器选型根据粗糙度测量输出小的特征，本系统选用互感式电感传感器。

电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。

如下图所示为电感传感器，由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。

这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。

当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。

电感式传感器的特点是：①无活动触点、可靠度高、寿命长；②分辨率高；③灵敏度高；④线性度高、重复性好；⑤测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；⑥无输入时有零位输出电压，引起测量误差；⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；⑧不适用于高频动态测量。

电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。

常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。

在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。

本系统所选差动变压器式传感器具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。

四、系统工作台设计本系统设计的粗糙度测量仪采用测量头静止，而由工作台承载着被测工件运动的方式测量，因此需要设计一个运行平稳的高精度一维直线运动工作台。

设计要求：运动参数：运行范围25mm；运行速度1mm/s精度参数：直线基准0.002mm/25mm；直线度0.002mm（突变小于0.05um）；定位分辨率：<0.002mm；没有机构复合的形位公差附加要求：承载能力、刚度和外形尺寸等，承载20KG；刚度20KG小于0.1um；对外形尺寸没有要求参考一般的精密运动工作台设计方案，我们知道，它们一般都包括直线导轨副、传动机构、驱动源（一般为电动机）以及工作台面这样几个主要部分。

电动机经丝杠螺母传动机构后，旋转运动变为直线运动，驱动与螺母相连的工作台面运动；由于工作台面放置在直线导轨副的滑块部分上，因此可以平稳地在导轨座上运行。

通过选用高精度的导轨，系统可以达到较高的机械精度。

工作台面的侧面安装有光栅尺，用以实时测量工作台的行程。

同时，在工作台面下面安装有两个限位开关，防止工作台运行超出允许的范围。

1、导轨及支承结构选型导轨一般分为滑动导轨、滚动导轨、气浮或液压导轨。

由于本工作台用于测量表面粗糙度，因此其垂直方向不能有明显的间隙及变动，因此不采用气浮或液压导轨。

目前国内外基本使用如下三种类型导轨，其基本性能比较如下：将滑动导轨与滚动导轨相比较，虽然前者制造较为容易，成本较低，承载能力大，但其摩擦系数较大，需要较大的驱动力，且容易磨损，同时由于动静摩擦系数差别大因而不易达到较高的定位分辨率。

相比之下，滚动导轨更适合本设计的要求。

这里我们选取HTPM公司生产的滚动导轨。

由于设计的工作台行程较小，我们选取其最小系列的导轨即可满足要求。

图3.2 导轨外形图3.3 LM/LMW系列微型直线导轨电机、联轴器、轴承、丝杠构成了本工作台的主轴系统，所以同时需要设计主轴的支承结构。

由于丝杠副的螺杆较长，考虑到热胀冷缩效应，我们把去承结构设计成一端固定，一端游动的形式。

为了使螺杆能够承受轴向的双向载荷，固定端采用两个角接触球轴承，而游动端采用深沟球轴承。

2、传动机构选型在这个直线运动工作台中，我们需要一个把电机的旋转运动转化为导轨的直线运动的传动机构。

一般地，有齿轮齿条机构、皮带轮机构、丝杠螺母机构等可以选择。

由于齿轮齿条机构减速比小、消除间隙困难，而皮带轮机构会有弹性滑动现象，且占用空间比较大，它们都难以达到较高的定位精度，因此我们选择了最后一种丝杠螺母机构。

通过在螺母与螺杆间配以滚珠，可以大大减小摩擦系数，不仅提高了传动效率，更可以消除背隙，从而达到较高的定位精度。

同时，由于螺旋机构本身的减速作用，工作台的定位精度可以得到进一步的提高。

我们选用了上银公司（HIWIN）生产的滚珠丝杠。

图3.5 滚珠丝杠外形图3.6 滚珠丝杠参数表通过估算，选取丝杆直径为12mm较为合适，选取导程为2mm以提高减速比，并减小驱动力，通过与整体结构的协调，选取行程为50mm的螺杆副。

综合以上所述，我们确定滚珠丝杠的型号为1R10-2T3-FSI-200-258-0.008。

其含义为：单牙螺杆，直径12mm，导程2mm，螺帽内珠卷数为3，法兰形螺帽，单螺帽，滚珠内循环，螺杆螺纹部分长110mm，总长180mm。

3、电机选型一般地，可以用来实现高精度控制的电动机有步进电机和伺服电机两种。

相对而言，步进电机虽然结构简单，价格便宜，但由于缺少反馈环节，因而控制的精度及稳定性都不如伺服电机好，并且伺服电机具有过载能力，因此我们采用伺服电机作为动力源。

我们选取YASKAWA公司生产的Σ-II系列AC伺服电机。

由于工作台运行速度不高，摩擦阻力小，所以选取小型的电机即可满足要求。

图3.8 伺服电机外形图3.9 伺服电机性能参数表最终我们选取了SGMAH-02A型200V的交流伺服电机，并配以13位高精度编码器。