基于融合技术的嵌入式表面质量检测系统的研究
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摘要
微观表面粗糙度是表面特征最基本的技术指标之一，它比其它表面特征的几何参数对零件功能的影响更为复杂。目前国内外表面粗糙度的评定大多是以粗糙表面的轮廓截线为评定依据，其只具有二维性，不能反映零件表面的整体特性。我国目前生产现场使用的参数轮廓仪大多数是从国外进口的，虽可达到自动化、信息化、准确性等要求但体积庞大，不能适应加工现场的使用，而且价格昂贵，小型企业无法承受。而传统的简易表面粗糙度测量仪无法满足一定的自动化、信息化、准确性等要求。
针对我国现有的粗糙度测量仪器存在的问题，本文综合运用电子、机械、自动化等知识，在数据融合技术的基础上提出并设计了测量精度较高、操作简单、性价比高、适合车间应用的具备网络功能的嵌入式表面质量检测系统，其主要的研究内容包括：
1、系统硬件设计：由传感器和嵌入式处理器来实现工件表面粗糙度的测量；探头的三维自动定位；测量数据存储与网络的传输。
2、系统软件设计：研究基于图形液晶显示的粗糙度图形化显示技术并完成相应的软件设计；应用数据融合的方法，将多个传感器所获得的空间或时间上互补和冗余的观测信息，依据某种优化原则加以自动分析和综合，利用各种传感器在性能上的差异和互补性弥补单一传感器的缺陷。
Microcosmic surface roughness is one of the most basic technical parameters of surface characteristic.As far as impact on function of the parts is concerned, it is more complicated than other geometric parameters. In recent years, assessing of surface roughness is mainly based on outline transversal of coarse surface and two-dimentional, can't reflect the superficial whole characteristic of the part. Currently, in our country, the parameter outline apparatus used in product spot is mostly imported from foreign countries. They can reach request of automation,informationization, accuracy,etc.They are not only of huge volume but also expensive, not adapting to be used in processing, and small enterprises can not afford. The traditional simple and easy surface roughness measuring apparatus can't reach request of certain automation,informationization, accuracy, etc.
Directly against the problem that the existing roughness measuring instruments of our country have, this paper synthetically uses knowledge of electron, machinery, automation to put forward and design embedded checking system of surface roughness with high precision, multi-
针对我国现有的粗糙度测量仪器存在的问题，本文综合运用电子、机械、自动化等知识，在数据融合技术的基础上提出并设计了测量精度较高、操作简单、性价比高、适合车间应用的具备网络功能的嵌入式表面质量检测系统，其主要的研究内容包括：
1、系统硬件设计：由传感器和嵌入式处理器来实现工件表面粗糙度的测量；探头的三维自动定位；测量数据存储与网络的传输。
2、系统软件设计：研究基于图形液晶显示的粗糙度图形化显示技术并完成相应的软件设计；应用数据融合的方法，将多个传感器所获得的空间或时间上互补和冗余的观测信息，依据某种优化原则加以自动分析和综合，利用各种传感器在性能上的差异和互补性弥补单一传感器的缺陷。
Microcosmic surface roughness is one of the most basic technical parameters of surface characteristic.As far as impact on function of the parts is concerned, it is more complicated than other geometric parameters. In recent years, assessing of surface roughness is mainly based on outline transversal of coarse surface and two-dimentional, can't reflect the superficial whole characteristic of the part. Currently, in our country, the parameter outline apparatus used in product spot is mostly imported from foreign countries. They can reach request of automation,informationization, accuracy,etc.They are not only of huge volume but also expensive, not adapting to be used in processing, and small enterprises can not afford. The traditional simple and easy surface roughness measuring apparatus can't reach request of certain automation,informationization, accuracy, etc.
Directly against the problem that the existing roughness measuring instruments of our country have, this paper synthetically uses knowledge of electron, machinery, automation to put forward and design embedded checking system of surface roughness with high precision, multi-
引文
[1] 周火亘．刘秀玲．周兴宇．工件表面粗糙度微机测量系统[J]．控制工程．2003．5
[2] 葛毓立．王云平．智能化粗糙度测量仪[J]．太连大学学报．2001．8
[3] 朱延钊．AD7705／AD7706的原理与应用[J]．国外电子元器件．2002．6
[4] APPLICATION NOTE #212. Measurement of Surface Roughness[J/OL]. http://pic16.com/bbs/index.asp
[5] 刘作新．高电压、大电流电机驱动芯片L298[J]．电子世界．2003．9
[6] 程卫民．工件表面质量的检测[J]．测控技术．2004．5
[7] 徐科．冷轧带钢表面质量自动检测系统的在线应用研究[J]．检测与仪表．2003．1
[8] 郎岩梅．基于DSP系统的便携式表面粗糙度测量仪的研制[D]．哈尔滨．哈尔滨工业大学硕士学位论文．2003
[9] 应威胜．表面粗糙度测量分析与处理系统的研制[D]．哈尔滨．2001．22
[10] 张晓青．双波长全息干涉术的试验研究[J]．宇航计测技术．哈尔滨工业大学硕士学位论文．2001
[11] 尤政．非接触高准确度表面粗糙度测量仪[J]．计量技术．1995．3
[12] 王军．差动变压器式压力传感器的磁路设计[J]．传感器技术．2001．20
[13] 黄锦，张晓兵，尹涵春，安新伟．基于图像处理的三维测量方法[J]．电子器件．2002．12
[14] 张泰昌．取样长度、评定长度在粗糙度测量中的应用[J]．制造技术与机床．1997．7
[15] 李志鹏，孙立宁，付彦虹．W77E58单片机的SFR概述[J]．林业机械与木工设备．2003．7
[16] AD7705/AD7706. Analog Devices[J/OL]. 1998 http://www.21ic.com/
[17] 李成贵，张国雄，袁长良．三维表面粗糙度的均一性研究[J]．计量学报．1999．1
[18] 温秀兰，赵艺兵．三维表面粗糙度的研究[J]．计量与测试技术．2001．6
[19] 于涛，王高山．先进制造环境中工序质量统计过程控制的地位与作用[J]．中国机械工程．2004．23
[20] 机械科学研究院．机械科学研究院SPC统计过程控制系统简介[J]．中国质量．2004．2
[21] 王选择，郭军，谢铁邦．光针轮廓仪伺服机构设计与聚焦误差信号的改进[J]．计量学报．2005．1
[22] 潘玉良，吴立群，张云电．分形模型参数与粗糙度参数R_a关系的研究[J]．中国工程科 学．2004．5
[23] 刘斌，冯其波，匡萃方．表面粗糙度测量方法综述[J]．光学仪器．2004．5
[24] Laroie R A. Selecting surface roughness parameters[J]. Quality, 1992
[25] Za系列电涡流位移传感器用户使用手册．
[26] 王学梅，王彩红，薛隽，李盾．电涡流传感器非接触在线测量位移[J]．郑州工业高等专科学校学报．2004．4
[27] 赵耿，刘聪，蒋华．一种角位移电涡流传感器的原理及应用[J]．仪表技术与传感器．2004．7
[28] 刘彬．数据采集在统计过程控制系统SPC中的应用[J]．中国质量．2003．2
[29] 杨建生．完善组装工艺与实施统计过程控制(sPC)[J]．电子质量．2003．11
[30] 尹红．面向加工过程的六西格玛质量管理系统开发与应用研究[D]．浙江．浙江大学硕士学位论文．2003
[31] Harry. M. J. Six Sigma Producibility Analysis and Process Characterization[J]. Proceedings of Nepcon West. 1995
[32] Wang W L. Method forsetting fidelity criteria for surface-measuring instruments[J]. Quality.1995
[33] Drews W E. Surface texture mwasurment errors-stylus type Instruments[J]. Quality. 1992
[34] Lawrence A. Klein. Sensor and Data Fusion Concepts and Applications[M]. 北京理工大学出版社. 2004
[35] Lee, SIC.. Ren, N.. The subsurface stress field created by three—dimensionally rough bodies in contact with traction[J]. Tribology Transactions. 1995. 34: 1678—1693
[36] Fan K C. A non-contact automatic measurement for free form surface profiles[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 1997, 10 (4): 277-285.
[37] Jiunn—Jong Wu. Charactedzation of fractal surface[J]. Wear. no. 239. 2000. p36—47
[38] 程鹏．王艳东．现代控制理论基础[M]．北京航空航天大学出版社．2004
[39] 秦永元等．卡尔曼滤波与组合导航原理[M]．西安：西北工业大学出版社．1998
[40] 殷建军．面向多品种、小批量制造环境的过程质量监控方法及嵌入式系统的研究[D]．浙江．浙江大学博士学位论文．2004
[41] 杨培中．零件表面微观结构特征重构及表面粗糙度的三维评定[D]．上海．上海交通大学博士学位论文．2004
[42] 文成林．周东华．多尺度估计理论及其应用[M]．清华大学出版社．2002
[43] 周东华，叶银忠．现代故障诊断与容错控制[M]．北京：清华大学出版社，2000
[44] Wen C L, Zhou D H. The multiscale state fusion estimation for nonlinear systems with multirate sensors[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems. 2002
[45] Allen R R and Blackman S S. Implementation of an angle-only tracking filter[J]. Signal and Data processing of Small Targets, Proc. SPIE 1481, 1991, 292～303
[46] Stallard D V. Angle-olny tracking filter in modified spherical coordinates. [J]. Guidance, May-June 1991, 14(3): 694～696
[47] Drummond O E, Castanon DA and Bellovin M S. Comparison of 2-D assignment algorithms for sparse, rectangular, floating point, and cost matrices[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems. 1990. Issue No. 4/1990: 4～81 to 4～97
[48] Kolitz S E. Passive sensor data fusion[J]. Signal and data processing of small targets, Proc. SPIE 1481, 1991, 329～340
[49] Pattipati K R. A new relaxation algorithm and passive sensor data association. IEEE Trans. Automat[J]. Control, Feb. 1992, 37: 198～213
[50] 屠志恋，杨继隆，殷建军．智能化三维表面粗糙度测量系统[J]．计算机测量与控制，2005．8．
[51] 郑大钟．线性系统理论[M]．北京：清华大学出版社，1992
[52] 于渤．现代控制理论[M]．北京：水利电力出版社，1992
[53] 周东华，孙优贤．相关噪声下带多重次优渐消因子的卡尔曼滤波[J]．南昌大学报，1992，14(10)：129～134
[54] 李树英，许茂增．随机系统的滤波与控制[J]．北京：国防工业出版社，1991，108～110
[55] 施文济．自控系统中的测量与显示技术[M]．北京：中国水利水电出版社．2003
[56] 瑞典)Jonas Berge著 陈小枫译．过程控制现场总线[M]．北京：清华大学出版社．2003
[57] 俞建新．贾世祥．嵌入式应用程序开发综合实验9例[M]．第一版．北京：清华大学出版社．2004．
[58] WINBOND electronics corp. 8-Bit Microcontroller—W77E58[J/OL]. 2001. 7 http://www.2lic.com/
[59] 李源鸿等．十六位模数转换器AD7705及其应用[J]．成都信息工程学院学报．2003-3
[60] 彭秀华等．单片机高级语言C51应用程序设计[M]．北京：电子工业出版社．1998
[61] 殷建军，余忠华，吴昭同．基于现场总线的嵌入式SPC系统研究[J]．浙江大学学报， 2004．6 38(6)．P756～760
[62] 赵家国．统计质量控制图系统及其应用[J]．四川师范大学学报，1998．21
[63] (美)布兰特，利温沃思．质量控制统计方法[M]．北京：机械工业出版社，1999．1．213～217
[64] 邵裕森．戴先中．过程控制工程[M]．北京：机械工业出版社，2000．4
[65] 张公绪主编．质量管理学[M]．北京：高等教育出版社，1992．91～94
[66] (美)Eugene L．Grant，(美)Richard S．Leavenworth．Statistical Quality Control(影印版)[M]．北京：清华大学出版社，2002
[2] 葛毓立．王云平．智能化粗糙度测量仪[J]．太连大学学报．2001．8
[3] 朱延钊．AD7705／AD7706的原理与应用[J]．国外电子元器件．2002．6
[4] APPLICATION NOTE #212. Measurement of Surface Roughness[J/OL]. http://pic16.com/bbs/index.asp
[5] 刘作新．高电压、大电流电机驱动芯片L298[J]．电子世界．2003．9
[6] 程卫民．工件表面质量的检测[J]．测控技术．2004．5
[7] 徐科．冷轧带钢表面质量自动检测系统的在线应用研究[J]．检测与仪表．2003．1
[8] 郎岩梅．基于DSP系统的便携式表面粗糙度测量仪的研制[D]．哈尔滨．哈尔滨工业大学硕士学位论文．2003
[9] 应威胜．表面粗糙度测量分析与处理系统的研制[D]．哈尔滨．2001．22
[10] 张晓青．双波长全息干涉术的试验研究[J]．宇航计测技术．哈尔滨工业大学硕士学位论文．2001
[11] 尤政．非接触高准确度表面粗糙度测量仪[J]．计量技术．1995．3
[12] 王军．差动变压器式压力传感器的磁路设计[J]．传感器技术．2001．20
[13] 黄锦，张晓兵，尹涵春，安新伟．基于图像处理的三维测量方法[J]．电子器件．2002．12
[14] 张泰昌．取样长度、评定长度在粗糙度测量中的应用[J]．制造技术与机床．1997．7
[15] 李志鹏，孙立宁，付彦虹．W77E58单片机的SFR概述[J]．林业机械与木工设备．2003．7
[16] AD7705/AD7706. Analog Devices[J/OL]. 1998 http://www.21ic.com/
[17] 李成贵，张国雄，袁长良．三维表面粗糙度的均一性研究[J]．计量学报．1999．1
[18] 温秀兰，赵艺兵．三维表面粗糙度的研究[J]．计量与测试技术．2001．6
[19] 于涛，王高山．先进制造环境中工序质量统计过程控制的地位与作用[J]．中国机械工程．2004．23
[20] 机械科学研究院．机械科学研究院SPC统计过程控制系统简介[J]．中国质量．2004．2
[21] 王选择，郭军，谢铁邦．光针轮廓仪伺服机构设计与聚焦误差信号的改进[J]．计量学报．2005．1
[22] 潘玉良，吴立群，张云电．分形模型参数与粗糙度参数R_a关系的研究[J]．中国工程科 学．2004．5
[23] 刘斌，冯其波，匡萃方．表面粗糙度测量方法综述[J]．光学仪器．2004．5
[24] Laroie R A. Selecting surface roughness parameters[J]. Quality, 1992
[25] Za系列电涡流位移传感器用户使用手册．
[26] 王学梅，王彩红，薛隽，李盾．电涡流传感器非接触在线测量位移[J]．郑州工业高等专科学校学报．2004．4
[27] 赵耿，刘聪，蒋华．一种角位移电涡流传感器的原理及应用[J]．仪表技术与传感器．2004．7
[28] 刘彬．数据采集在统计过程控制系统SPC中的应用[J]．中国质量．2003．2
[29] 杨建生．完善组装工艺与实施统计过程控制(sPC)[J]．电子质量．2003．11
[30] 尹红．面向加工过程的六西格玛质量管理系统开发与应用研究[D]．浙江．浙江大学硕士学位论文．2003
[31] Harry. M. J. Six Sigma Producibility Analysis and Process Characterization[J]. Proceedings of Nepcon West. 1995
[32] Wang W L. Method forsetting fidelity criteria for surface-measuring instruments[J]. Quality.1995
[33] Drews W E. Surface texture mwasurment errors-stylus type Instruments[J]. Quality. 1992
[34] Lawrence A. Klein. Sensor and Data Fusion Concepts and Applications[M]. 北京理工大学出版社. 2004
[35] Lee, SIC.. Ren, N.. The subsurface stress field created by three—dimensionally rough bodies in contact with traction[J]. Tribology Transactions. 1995. 34: 1678—1693
[36] Fan K C. A non-contact automatic measurement for free form surface profiles[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 1997, 10 (4): 277-285.
[37] Jiunn—Jong Wu. Charactedzation of fractal surface[J]. Wear. no. 239. 2000. p36—47
[38] 程鹏．王艳东．现代控制理论基础[M]．北京航空航天大学出版社．2004
[39] 秦永元等．卡尔曼滤波与组合导航原理[M]．西安：西北工业大学出版社．1998
[40] 殷建军．面向多品种、小批量制造环境的过程质量监控方法及嵌入式系统的研究[D]．浙江．浙江大学博士学位论文．2004
[41] 杨培中．零件表面微观结构特征重构及表面粗糙度的三维评定[D]．上海．上海交通大学博士学位论文．2004
[42] 文成林．周东华．多尺度估计理论及其应用[M]．清华大学出版社．2002
[43] 周东华，叶银忠．现代故障诊断与容错控制[M]．北京：清华大学出版社，2000
[44] Wen C L, Zhou D H. The multiscale state fusion estimation for nonlinear systems with multirate sensors[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems. 2002
[45] Allen R R and Blackman S S. Implementation of an angle-only tracking filter[J]. Signal and Data processing of Small Targets, Proc. SPIE 1481, 1991, 292～303
[46] Stallard D V. Angle-olny tracking filter in modified spherical coordinates. [J]. Guidance, May-June 1991, 14(3): 694～696
[47] Drummond O E, Castanon DA and Bellovin M S. Comparison of 2-D assignment algorithms for sparse, rectangular, floating point, and cost matrices[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems. 1990. Issue No. 4/1990: 4～81 to 4～97
[48] Kolitz S E. Passive sensor data fusion[J]. Signal and data processing of small targets, Proc. SPIE 1481, 1991, 329～340
[49] Pattipati K R. A new relaxation algorithm and passive sensor data association. IEEE Trans. Automat[J]. Control, Feb. 1992, 37: 198～213
[50] 屠志恋，杨继隆，殷建军．智能化三维表面粗糙度测量系统[J]．计算机测量与控制，2005．8．
[51] 郑大钟．线性系统理论[M]．北京：清华大学出版社，1992
[52] 于渤．现代控制理论[M]．北京：水利电力出版社，1992
[53] 周东华，孙优贤．相关噪声下带多重次优渐消因子的卡尔曼滤波[J]．南昌大学报，1992，14(10)：129～134
[54] 李树英，许茂增．随机系统的滤波与控制[J]．北京：国防工业出版社，1991，108～110
[55] 施文济．自控系统中的测量与显示技术[M]．北京：中国水利水电出版社．2003
[56] 瑞典)Jonas Berge著 陈小枫译．过程控制现场总线[M]．北京：清华大学出版社．2003
[57] 俞建新．贾世祥．嵌入式应用程序开发综合实验9例[M]．第一版．北京：清华大学出版社．2004．
[58] WINBOND electronics corp. 8-Bit Microcontroller—W77E58[J/OL]. 2001. 7 http://www.2lic.com/
[59] 李源鸿等．十六位模数转换器AD7705及其应用[J]．成都信息工程学院学报．2003-3
[60] 彭秀华等．单片机高级语言C51应用程序设计[M]．北京：电子工业出版社．1998
[61] 殷建军，余忠华，吴昭同．基于现场总线的嵌入式SPC系统研究[J]．浙江大学学报， 2004．6 38(6)．P756～760
[62] 赵家国．统计质量控制图系统及其应用[J]．四川师范大学学报，1998．21
[63] (美)布兰特，利温沃思．质量控制统计方法[M]．北京：机械工业出版社，1999．1．213～217
[64] 邵裕森．戴先中．过程控制工程[M]．北京：机械工业出版社，2000．4
[65] 张公绪主编．质量管理学[M]．北京：高等教育出版社，1992．91～94
[66] (美)Eugene L．Grant，(美)Richard S．Leavenworth．Statistical Quality Control(影印版)[M]．北京：清华大学出版社，2002