会议名称：The 6th World Congress on Intelligent Control and Automation(WCICA 2006)
时间地点：June 21-23 2006,Dalian,China
论文页码：5080-5084
收录备注：EI Compendex,ISTP
Implementing Automation and Intelligentization of The Talysurf-5 Type Surface Roughness Measuring Instrument
Zonghai Gao1, Yan Jiang1,2, Dacheng Li1, Jian Wang1, Wanmei Zhang1,3, Xinnian Wang1
1) Modern Science Instrument and Sensor Lab,
2)
3) Electromechanical Project Institute,
Abstract—In order to solve the disadvantages of Talysurf-5 Type Surface Roughness Measuring Instrument that data processing was slow, printed graphs were inadequate and the operation was tedious, brand-new designs were carried out in the latter circuit and the data processing part, which included hardware circuit design and software programming. Experimental results indicate that the new system has the following features: versatile functions, simple operating and high testing precision, implementing automation and intelligentization of the measurement completely, which has high applicability and performance price ratio.
Key words—surface roughness, measuring instrument, automation, intelligentization
Talysurf-5型表面粗糙度测量仪的
自动化和智能化实现
高宗海1 蒋彦1,2 李大成1 王建1 张婉妹1,3 王新年1
1) 西安理工大学现代科学仪器与传感器研究室 西安 710048
2) 南华大学机械工程学院 衡阳 421001
3) 中国石油大学(北京)机电工程学院 北京 102249
摘 要 针对Talysurf-5型表面粗糙度测量仪数据处理速度慢、曲线打印不丰富且操作步骤繁琐等缺点，对其后续处理电路及数据处理部分进行了全新设计，包括硬件电路部分和软件编程。测试结果表明，新系统功能齐全，操作简便，测试精度高，xx实现了测量的自动化和智能化，具有较高的通用性和xxx。
关键词 表面粗糙度；测量仪器；自动化；智能化
1．引言
目前工业生产及科研中，应用较多的表面粗糙度测量仪之一是英国兰克&S226;泰勒&S226;霍布森（Rank Taylor Hobson, England）公司生产的Talysurf系列表面粗糙度测量仪，其中的Talysurf-5型表面粗糙度测量仪是上世纪70年代出现的仪器，可以进行平面、曲面、凹槽、轴肩、小孔等表面的粗糙度测量，能处理十余项参数，用途较广泛[1]。由于其处理芯片采用的是8位处理器，因此其数据处理速度较慢，波形曲线打印不丰富，操作步骤繁琐且不直观。本文对Talysurf-5型表面粗糙度测量仪的后续处理电路以及数据处理部分进行了全新设计，实现了测量的自动化和智能化，且测量精度更高。
2．系统构成及工作原理
2.1 系统构成
新的测量系统保留了Talysurf-5型表面粗糙度测量仪原有的传感器、传感器驱动箱和测量工作台（包括仪器底座及立柱），而重新设计了测量系统的硬件部分和软件部分，在通用微机上实现测量的运动控制、数据采集、参数处理及显示、波形显示以及参数和波形曲线的打印。系统总体框图如图1所示。
图1 系统总体框图
2.2 系统工作原理
仪器的传感器为差动电感式传感器。系统中驱动箱可以进行横向与纵向两个方向的运动。横向运动是驱动箱带动传感器在工件表面进行滑行的运动，可正向和反向运动，这个方向的运动由计算机控制驱动箱内一个交流电机的正反转来实现；纵向运动是驱动箱带动传感器在立柱上做上下运动，以调节传感器中的铁芯位于差动电感线圈的中间位置，这个方向的运动由位于仪器底座上的一个控制电路进行控制。系统的工作原理和测量过程如下：
(3) 测量时，设置好取样长度、行程长度及纵向放大倍数等测量参数。
(4) 调节驱动箱在立柱上升降，使传感器的触针接触到工件且传感器的磁芯位于线圈中心附近。
(5) 计算机发出测量指令，使驱动箱带动传感器在工件被测表面进行匀速滑行运动，传感器将工件表面的微观几何形状特 征转换成连续变化的微弱电信号。
(6) 得到的微弱电信号送入信号处理电路，通过放大、滤波、相敏检波、低通滤波等处理后，得到变化的直流信号。
(7) A/D转换电路对直流信号进行A/D转换。
(8) 计算机对A/D转换后的数据进行数字滤波处理及参数运算，计算出Ra、Rv、Rt、Rc、Rp、Rz、Rq、Rsk、Rku、 Rsm、RΔq、HSC等12个参数值，同时求得原始轮廓、波度轮廓、粗糙度轮廓、支撑长度率等4种波形曲线[6]。
(9) 参数值及波形曲线直接在显示设备上进行显示，也可以生成报表后再打印输出。
3．系统的硬件部分
系统的硬件部分主要是完成相关的I/O控制、完成对传感器输出的微弱信号进行处理，实现对处理后的信号进行A/D转换的功能。
3.1 信号处理电路的设计
传感器出来的信号是微弱电信号，因此需对这个信号进行放大、滤波、相敏检波等处理，得到直流信号，然后由A/D卡将直流信号转换成数字量。电路框图如图2所示。
图2 信号处理电路框图
(1) 振荡电路
振荡电路产生10kHz的正弦信号。振荡电路不仅通过测量电桥向传感器供电，还向调零电桥供电，并通过移相电路向相敏检波电路提供参考电压，所以要求振荡电路产生的正弦信号的幅值、频率有很高的稳定度。电路示意框图如图3(a)所示，通过晶振分频，得到10kHz的方波，然后进行低通滤波，可以得到幅值和频率非常稳定的正弦信号。
(2) 测量电桥、调零电桥及相加放大电路
电路如图3(b)所示。传感器接入测量电桥，测量电桥是一个可以调节自身平衡、测量信号相位以及调节放大器放大比例的电路。测量电桥与调零电桥的输出同时送到相加放大器，通过调节测量电桥以及调零电桥来调整相加放大器输出电压的零位。
(3) 带通滤波电路
带通滤波器设计为无限增益型带通滤波器，无限增益多路反馈型滤波电路是由一个理论上具有无限增益运算放大器赋以多路反馈构成的滤波电路。带通滤波器的中心频率设计为10kHz，与载波的正弦波频率一致。
(4) 垂直放大倍数控制电路
仪器有10档垂直放大倍数。电路由模拟开关和电阻链组成。计算机通过I/O口控制模拟开关的状态，使信号电压通过接通电阻链中不同的电阻而获得不同的衰减，这样组合得到所需的10种垂直放大倍数。其示意图如图3(c)所示。
(5) 单稳电路、移相电路及相敏检波电路
相敏检波电路设计为脉冲箝位式相敏检波电路，其原理如图3(d)所示。参考信号Uc由振荡电路得到的方波再通过移相电路提供，单稳电路Ds将Uc变成窄脉冲Uc’，控制开关管V的通断，实现对us的相敏检波[2]。
(6) 低通滤波电路
低通滤波电路设计为两级有源低通滤波器，相敏检波电路输出的解调电压，经过低通滤波电路以滤除10kHz的载波信号，得到反映被测工件表面轮廓特征的直流信号。设计两级低通滤波电路是为达到更好的滤波效果。
图3 信号处理电路的部分电路图
图4 软件界面
A/D转换电路采用研华(Advantech)公司的PCI
4．系统的软件部分
软件采用C++语言，在Borland公司的可视化编程工具C++ Builder 6环境下进行编写。软件具有美观的界面，测量参数设置简便，测量结果直接显示。所有的操作均通过鼠标完成。图4为软件界面截图。
4.1 软件结构框图及各模块功能
图5所示为软件结构框图。
图5 软件结构框图
(1) 测量参数设置模块
完成测试条件的设置。包括纵向放大倍数的选取，取样长度及行程长度的选取。
(2) 传感器运动控制模块
该模块需要实时监测传感器与工件的相对位置，监测横向运动的速度，还需要控制传感器横向运动的方向，同时完成横向运动的启动与停止控制。
(3) 参数处理及显示模块
将A/D转换的数据进行采集，对采集的数据进行数字滤波（高斯滤波，R
(4) 文件操作模块
实现将数据写入用户指定的磁盘位置，以及将历史数据调出并可重新进行数据处理的功能。
(5) 打印输出模块
可设置工件名称、操作者姓名、日期，选择需要打印的参数及波形名称，即可生成检定报告单并以检定报告单的形式打印输出。
4.2 一些关键程序的实现方法
(1) 数据采集子程序
软件是基于Windows平台开发的，Windows平台是多任务的操作系统，每次执行相同的程序语句可能需要的时间是不一样的，因此很难保证数据采集的等时性。如何在多任务的操作系统下实现高速等时采样是一个难点。为了解决这个问题，笔者采用的方法是：采用PCI-1716L板卡自带的82C54定时器产生固定频率的A/D转换触发脉冲信号，然后屏蔽计算机所有的中断，也就是CPU不再响应其他的事件，在这段时间内，让CPU只执行采样程序，主要是查询转换结束标记位，然后读取数据到内存中。采样完成后，再允许中断，执行后面的程序。经实验，采用这种方式，在Windows98下，采用PCI总线的PCI-1716L卡，可以达到250k/s的采样速率，且通过读取计数器计数值再作差[4]，可证明这种方式具有很严格的等时性。
(2) 对采集的数据进行数字滤波子程序
硬件部分中模拟滤波电路已经去掉了大部分的干扰能量，在A/D卡进行高速数据采集后，通过对原始采样数据再进行数字滤波处理，可以取得更好的滤波效果。数字滤波设计方法为：首先根据电路模型确定出系统的通频带和截止频率，然后利用Matlab的数字滤波器设计函数确定数字滤波器的参数，再确定滤波器的传递函数。这样就可以根据传递函数采用C++语言编写出相应的程序代码了。
5．系统的精度测试
重新设计后的仪器已由专业鉴定单位(中国航天科技集团公司第六研究院计量测试研究所)按照国家计量技术规范JJF1105-2003《触针式表面粗糙度测量仪校准规范》进行了校准，主要包括下面五项测试内容[7]：
5.1 示值误差
用一组多刻线粗糙度标准样板，在相应量程和取样长度分别对其进行测量。在样板工作区域内的3个不同位置上各测量3次，然后计算仪器的相对示值误差。测试数据如表1所示。
表1 示值误差测试数据
5.2 示值重复性 在小量程高放大倍数条件下，选用一块相应的多刻线标准样板，在样板某一固定位置测量10次，其{zd0}值与最小值之差对测量平均值的百分比为示值重复性[3]。测试数据如表2所示。
5.3 驱动传感器滑行运动的直线度
在一级平晶工作表面上扫描滑行，从轮廓曲线图上确定滑行运动的直线度为0.1µm /20mm。
5.4 残余轮廓
选用仪器最小量程和{zd0}放大倍数，对一级平晶进行测量，读取Ra值为0.0034µm。
5.5 示值稳定性
在小量程高放大倍数条件下，选用一块相应的多刻线标准样板，在固定位置上每小时按示值重复性的测量要求测量1次，共测4次。4小时后，再按示值误差的测量要求测量1次。测试结果仍然满足示值误差和示值重复性的要求。
从测试的数据可以看出，新系统的测试精度符合±5%误差级触针式粗糙度测量仪的要求，xx满足工业生产和科研实验的需要。
6．结论
本文为Talysurf-5型表面粗糙度测量仪重新设计了硬件电路和应用程序，并在通用微机上完成了表面粗糙度测量的运动控制、参数处理、曲线显示、报表打印等功能，实现了Talysurf-5型表面粗糙度测量仪的自动化和智能化。该系统可广泛应用于计量管理、生产、科研及实验室领域。笔者为陕西省某大型军工企业进行该产品的技术改造，已通过专业鉴定部门的鉴定，系统具有较高的精度，并成功应用于生产中，取得了良好的经济效益。
参考文献
[1] 唐文彦, 张军, 李慧鹏. 触针法测量表面粗糙度的发展及现状. 机械工艺师[J]. 2000.11.
[2] 张国雄, 金篆芷. 测控电路[M]. 北京: 机械工业出版社, 2001.
[3] 费业泰. 误差理论与数据处理[M], 第4版. 北京: 机械工业出版社, 2004.
[4] 刘乐善, 欧阳星明, 刘学清. 微型计算机接口技术及应用[M].武汉: 华中科技大学出版社, 2000.
[5] User’s Manual of PCI-1716/
[6] GB/T 3505-2000[S]. 产品几何技术规范（表面结构 轮廓法 表面结构的术语、定义及参数）, 2000.
[7] JJF105-2003[S]. 触针式表面粗糙度测量仪校准规范, 2003.
