表面粗糙度测量仪的自动化和智能化
|
摘要
表面测量是几何量测量中的一个重要领域。工件表面粗糙度测量技术在许多领域具有广泛的应用前景，对提升我国机械工业的整体水平和现代化具有重要意义。
随着工件表面加工质量的不断提高，对表面粗糙度测量的精度、速度提出了更高的要求。由于近年国际标准的变更，我国也相应制定了新标准。因而许多老式表面粗糙度测量仪已经无法适应新标准的要求；由于制造年代久远，它们的电子测量装置因老化不能使用，但大部分机械结构还可以正常使用，这无形中造成了资源浪费。老式表面粗糙度测量仪还具有处理数据速度较慢，测量操作步骤繁琐等缺点，因此有必要通过改造电子测量系统和软件进行升级，使这些仪器重新恢复使用。
根据Talysurf-5型表面粗糙度测量仪的不足，本课题在保留原有仪器机械部分的基础上进行系统改造。新系统对传感器信号进行处理并送入计算机，然后用数字滤波分离出粗糙度信号，根据国家新标准，计算出各种参数并绘出图形。本文主要介绍软件处理部分。软件处理部分主要有两个模块，分别是数据处理模块和文件处理模块。在数据处理模块中主要论述了表面粗糙度的参数和图形、轮廓评定基准线和数字滤波器设计的算法，最后利用定标算法、误差分析，对表面粗糙度测量系统做出综合评价。在文件处理模块中主要介绍了对数据文件的打开、保存、打印以及图形的处理。文中还对硬件部分作了简要介绍。
实验证明，新的表面粗糙度测量系统达到了预期的效果，提高了测量速度、扩大了测量范围，测量操作直观、简便，实现了其自动化和智能化，经过检定已达到国家粗糙度标准并且现已投入使用，目前运行状况良好。
Surface metrology is an important field of geometry metrology. Surface roughness measuring technology has most widely applied foreground. It is important to impulse the whole level and modernization of machining in China.
Ever-improving process quality of surfaces demands high precision and velocity of surface roughness measurement. In recent years, the new standard of surface roughness measurement has been re-edited with the change of international standard. Therefore, many aged instruments can't conform to the new standard. Being produced many years ago, they can't be used normally because of their aged electronic measurement system, but their mechanical parts can be still used. Stopping using them is very improvident. So, it is necessary to repair these instruments by improving the electronic measurement system and upgrading the software.
Based on the shortage of Surface Roughness Measuring Instrument Type Talysurf-5, the subject is a rebuilt system that based on reserved mechanical parts. The new system processes the sensor signal and inputs it to the computer, then gets roughness signal by the digital filter. This system can calculate the roughness parameters and draw the charts. The thesis mostly relates to the software processing. The software processing includes data processing and file processing. In the data processing module, it discusses roughness parameters, mean line, algorithm of digital filter design and overall merit by picketage algorithm and error analysis. In the file processing module, it includes file opening, saving, printing and drawing processing. The thesis simply introduces the hardware part.
According to the experimental check, the new surface roughness measuring system reaches expected result. The system improves the measuring speed and the measuring range, operates simply, moreover implements antomation and intelligence. It reaches the national standard and has been used in the factory. The new system operates well at the present time.
随着工件表面加工质量的不断提高，对表面粗糙度测量的精度、速度提出了更高的要求。由于近年国际标准的变更，我国也相应制定了新标准。因而许多老式表面粗糙度测量仪已经无法适应新标准的要求；由于制造年代久远，它们的电子测量装置因老化不能使用，但大部分机械结构还可以正常使用，这无形中造成了资源浪费。老式表面粗糙度测量仪还具有处理数据速度较慢，测量操作步骤繁琐等缺点，因此有必要通过改造电子测量系统和软件进行升级，使这些仪器重新恢复使用。
根据Talysurf-5型表面粗糙度测量仪的不足，本课题在保留原有仪器机械部分的基础上进行系统改造。新系统对传感器信号进行处理并送入计算机，然后用数字滤波分离出粗糙度信号，根据国家新标准，计算出各种参数并绘出图形。本文主要介绍软件处理部分。软件处理部分主要有两个模块，分别是数据处理模块和文件处理模块。在数据处理模块中主要论述了表面粗糙度的参数和图形、轮廓评定基准线和数字滤波器设计的算法，最后利用定标算法、误差分析，对表面粗糙度测量系统做出综合评价。在文件处理模块中主要介绍了对数据文件的打开、保存、打印以及图形的处理。文中还对硬件部分作了简要介绍。
实验证明，新的表面粗糙度测量系统达到了预期的效果，提高了测量速度、扩大了测量范围，测量操作直观、简便，实现了其自动化和智能化，经过检定已达到国家粗糙度标准并且现已投入使用，目前运行状况良好。
Surface metrology is an important field of geometry metrology. Surface roughness measuring technology has most widely applied foreground. It is important to impulse the whole level and modernization of machining in China.
Ever-improving process quality of surfaces demands high precision and velocity of surface roughness measurement. In recent years, the new standard of surface roughness measurement has been re-edited with the change of international standard. Therefore, many aged instruments can't conform to the new standard. Being produced many years ago, they can't be used normally because of their aged electronic measurement system, but their mechanical parts can be still used. Stopping using them is very improvident. So, it is necessary to repair these instruments by improving the electronic measurement system and upgrading the software.
Based on the shortage of Surface Roughness Measuring Instrument Type Talysurf-5, the subject is a rebuilt system that based on reserved mechanical parts. The new system processes the sensor signal and inputs it to the computer, then gets roughness signal by the digital filter. This system can calculate the roughness parameters and draw the charts. The thesis mostly relates to the software processing. The software processing includes data processing and file processing. In the data processing module, it discusses roughness parameters, mean line, algorithm of digital filter design and overall merit by picketage algorithm and error analysis. In the file processing module, it includes file opening, saving, printing and drawing processing. The thesis simply introduces the hardware part.
According to the experimental check, the new surface roughness measuring system reaches expected result. The system improves the measuring speed and the measuring range, operates simply, moreover implements antomation and intelligence. It reaches the national standard and has been used in the factory. The new system operates well at the present time.
引文
[1] 吴松青编著．表面粗糙度应用指南[M]．北京：机械工业出版社，1990．
[2] 袁长良、丁志华、武文堂编著．表面粗糙度及其测量[M]．北京：机械工业出版社，1989．1～4，43～53
[3] 杨旭东．表面粗糙度测量仪的工作原理分析及其改进方案．贵州工业大学学报(自然科学版)[J]．2001，30(1)：45～48．
[4] GB／T 3505-2000．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．国家质量技术监督局．2000．1～9
[5] H．达格纳尔．表面纹理探索[M]．(．李冰、邸静)．北京：机械工业出版社，1987．
[6] 应威胜．表面粗糙度测量分析与处理系统的研制[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2003．
[7] 纪跃波，秦树人，汤宝平．零相位数字滤波器．重庆大学学报[J]．2000，23(6)：4～7．
[8] 胡艳清．圆轮廓信号转换及数据预处理的方法研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2001．
[9] 袁怡宝．表面形貌测量若干基本理论的研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，1997．
[10] 许景波、袁怡宝、朴伟英、J．ESong、T．V．Vorburger．表面粗糙度测量中的高斯滤波快速算法[J]．2005，26(4)：309～312．
[11] 费业态．误差理论与数据处理[M]．北京：机械工业出版社，2002．84～120．
[12] 胡广书．数字信号处理—理论、算法与实现[M]．北京：清华大学出版社，1997．
[13] 俞卞章，李志钧，金明录．数字信号处理[M]．西安：西北工业大学，1994．
[14] 张国雄、金篆芷．测控电路[M]．北京：机械工业出版社，2001．101～113．
[15] 陈怀琛、吴大正、高西全．MATLAB及在电子信息课程重的应用[M]．北京：电子工业出版社，2002．
[16] 席卫文、张春晓、李光明．C++Builder6程序设计及实例[M]．北京：冶金工业出版社，2003．
[17] JJF 1105-2003．触针式表面粗糙度测量仪校准规范．国家质量监督检验检疫总局．2003．1～15
[18] Miroslav D．Lutovac、Brian L．Evans．信号处理滤波器设计——基于MATLAB和Mathematica的设计方法[M]．(．朱义胜、董辉)．北京：电子工业出版社，2004．
[19] 许景波、袁怡宝、朴伟英、J．F．Song、T．V．Vorburger．表面粗糙度测量中的高斯滤波快速算法[J]．2005，26(4)：309～312．
[20] 强锡富．电动量仪(上册)[M]．北京：机械工业出版社，1983．
[21] J.N. Vrecker. A Capacitance Based on Surface Texture Measuring System. Annals of CIRP[J], 1977, 25 (1).
[22] D. J. Whitehouse, R.E. Reason. The Equation of The Mean Line of Surface Texture Found by an Electric Wave Filter. Rank Talyor Horbson[M], 1965.
[23] ISO4287.Explanation of Surface Characteristics.Standard. Surface Texture-Contour Measuring Instruments, 1997.
[24] Y.B.Yuan, T.V.Vorburger, J.F.Song, T.B.Renegar. A Simplified Realization for the Guassian Filter in Surface Metrology. In X. International Colloquium on Surface, Chemnitz (Germany) [J], Jan. 31-Feb. 02, 2000, M. Dietzsch, H. Trumpold, eds. (Shaker Veriage GmbH, Aachen, 2000), 133～144.
[25] Bala Muralikrishnan& Shengyu. FuSome note on the 2RC filter. Center for Precision Metrology, UNC Charlotte[J], 1～3.
[26] D.J. Chetwynd. A Recursive Digital Filter for Surface Texture Assessment. Technical Note 39, Rank preoision Industries[M], 1972.
[27] J. Raja, V. Radhakrishnan. Digital Filtering of Surface Profiles[M], 1979: 147～155
[28] Y. -B. Yuan, X. -F. Qiang, J. -F. Song, T. V. Vorburger. A Fast Algorithm for Determining The Gaussian Filtered Mean Line In Surface Metrology. Precision Engineering[J], 2000: 62～ 69.
[29] Bogner R.E. & Constantinides A.G. Introduction to Digital Filtering. Great Britain Printed in Great Britian by J.W.Arrowsmith Ltd[M]. 1975.
[30] 郭文夷．C++Builder6.0程序设计[M]．西安：西安电大，2004
[31] 谭浩强．C程序设计(第二版)[M]．北京：清华大学出版社，1999．309～327
[32] 姜建国，曹建中，高玉明．信号与系统分析基础[M]．北京：清华大学出版社，1994．166～193，201～228．
[33] 葛世荣．粗糙表面的分形特征与分形表达研究．摩擦学学报[J]．1997，17(1)：73～80．
[34] 袁怡宝，李晓红．减小圆度测量中2RC滤波传输偏筹的新方法．仪器仪表学报[J]．2002，23(3)：545～546．
[35] 危常忠，王本强，谢铁邦．表面纹理的参数评定研究．华中理工大学学报[J]．1999，27(1)：55～59．
[36] 杨晔，童竞，唐家驹，李大成．Talysurf-4型表面粗糙度测量仪的智能化．计量技术[J]．1996，(09)：17～19．
[37] 刘晓军，肖少军，谢铁邦，李柱．曲面表面粗糙度、波度及形状误差综合测量与分析的研究．工具技术[J]．1997，31(3)：33～36．
[38] 刘小军．表面形貌的分形特征研究．合肥工业大学学报(白然科学版)[J]．2000，23(2)：236～239．
[39] 强锡富，袁怡宝．建立表面粗糙度评定中线的快速算法．仪器仪表学报[J]．1994，15(4)：353～358．
[40] 张玉林，艾民．测量技术与仪器的发展趋势分析．西安通信学院学报[J]．2005，4(3)：33～35．
[41] 王蔚．MATLAB环境下的数字滤波器设计及其应用[D]．苏州：苏州大学，2002．
[42] 金增伟．Talysurf-6型触针式轮廓仪测量表面质量的特点．实验室研究与探索[J]．1997，(4)，48～51．
[43] 张志远，崔阳学．数字信号处理的应用研究．兰州铁道学院学报[J]．1994，13(1)：53～57．
[44] 樊新海，安钢，张传清．零相位数字滤波及其应用．国外电子测量技术[J]．2005，(8)：9～11．
[45] 黄夏，王海．零相位低通滤波方法试探．实用测试技术[J]．1999，(6)：10～13．
[46] 郭松林．用数字低通滤波器实现数字采样法的工频电参数测量系统[D]．哈尔滨：哈尔滨理工大学，2003．
[47] 郝军哲．数模混合集成电路实现一维小波变换[D]．武汉：武汉大学，2004．
[48] 李成贵，董申，张国雄．表面粗糙度评定参数的分形表征．宇航计测技术[J]．1998，18(4)：33～40．
[49] 李楠．光学针描法表面粗糙度测量系统关键技术的研究[D]．河北：河北工业大学，2003．
[50] [英]S．M．鲍齐克．数字滤波与卡尔曼滤波[M]．(．凌云旦，何永保)．北京：科学出版社，1984：64～88．
[51] 周建平，伍凌川，袁强．采用Delphi与MATLAB的数字滤波器设计．软件技术[J]．2004，23(3)：89～90．
[52] 周烜，刘秀玲，周兴宇．工业表面粗糙度微机测量系统．控制工程[J]．2003，10(3)：285～288．
[53] 蒋向前，肖少军，谢铁邦，李柱．一种新型触针式曲面形貌测量系统．华中理工大学学报[J]．1994，22(9)：4～8．
[54] 吴逸贤，吴目诚．精彩C++Bui lder 6程序设计[M]．北京：科学出版社，2003：243～247，281～312．
[55] 强锡富，毛起广．表面粗糙的及其测量译文集[M]．北京：中国计量出版社，1987．
[2] 袁长良、丁志华、武文堂编著．表面粗糙度及其测量[M]．北京：机械工业出版社，1989．1～4，43～53
[3] 杨旭东．表面粗糙度测量仪的工作原理分析及其改进方案．贵州工业大学学报(自然科学版)[J]．2001，30(1)：45～48．
[4] GB／T 3505-2000．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．国家质量技术监督局．2000．1～9
[5] H．达格纳尔．表面纹理探索[M]．(．李冰、邸静)．北京：机械工业出版社，1987．
[6] 应威胜．表面粗糙度测量分析与处理系统的研制[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2003．
[7] 纪跃波，秦树人，汤宝平．零相位数字滤波器．重庆大学学报[J]．2000，23(6)：4～7．
[8] 胡艳清．圆轮廓信号转换及数据预处理的方法研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2001．
[9] 袁怡宝．表面形貌测量若干基本理论的研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，1997．
[10] 许景波、袁怡宝、朴伟英、J．ESong、T．V．Vorburger．表面粗糙度测量中的高斯滤波快速算法[J]．2005，26(4)：309～312．
[11] 费业态．误差理论与数据处理[M]．北京：机械工业出版社，2002．84～120．
[12] 胡广书．数字信号处理—理论、算法与实现[M]．北京：清华大学出版社，1997．
[13] 俞卞章，李志钧，金明录．数字信号处理[M]．西安：西北工业大学，1994．
[14] 张国雄、金篆芷．测控电路[M]．北京：机械工业出版社，2001．101～113．
[15] 陈怀琛、吴大正、高西全．MATLAB及在电子信息课程重的应用[M]．北京：电子工业出版社，2002．
[16] 席卫文、张春晓、李光明．C++Builder6程序设计及实例[M]．北京：冶金工业出版社，2003．
[17] JJF 1105-2003．触针式表面粗糙度测量仪校准规范．国家质量监督检验检疫总局．2003．1～15
[18] Miroslav D．Lutovac、Brian L．Evans．信号处理滤波器设计——基于MATLAB和Mathematica的设计方法[M]．(．朱义胜、董辉)．北京：电子工业出版社，2004．
[19] 许景波、袁怡宝、朴伟英、J．F．Song、T．V．Vorburger．表面粗糙度测量中的高斯滤波快速算法[J]．2005，26(4)：309～312．
[20] 强锡富．电动量仪(上册)[M]．北京：机械工业出版社，1983．
[21] J.N. Vrecker. A Capacitance Based on Surface Texture Measuring System. Annals of CIRP[J], 1977, 25 (1).
[22] D. J. Whitehouse, R.E. Reason. The Equation of The Mean Line of Surface Texture Found by an Electric Wave Filter. Rank Talyor Horbson[M], 1965.
[23] ISO4287.Explanation of Surface Characteristics.Standard. Surface Texture-Contour Measuring Instruments, 1997.
[24] Y.B.Yuan, T.V.Vorburger, J.F.Song, T.B.Renegar. A Simplified Realization for the Guassian Filter in Surface Metrology. In X. International Colloquium on Surface, Chemnitz (Germany) [J], Jan. 31-Feb. 02, 2000, M. Dietzsch, H. Trumpold, eds. (Shaker Veriage GmbH, Aachen, 2000), 133～144.
[25] Bala Muralikrishnan& Shengyu. FuSome note on the 2RC filter. Center for Precision Metrology, UNC Charlotte[J], 1～3.
[26] D.J. Chetwynd. A Recursive Digital Filter for Surface Texture Assessment. Technical Note 39, Rank preoision Industries[M], 1972.
[27] J. Raja, V. Radhakrishnan. Digital Filtering of Surface Profiles[M], 1979: 147～155
[28] Y. -B. Yuan, X. -F. Qiang, J. -F. Song, T. V. Vorburger. A Fast Algorithm for Determining The Gaussian Filtered Mean Line In Surface Metrology. Precision Engineering[J], 2000: 62～ 69.
[29] Bogner R.E. & Constantinides A.G. Introduction to Digital Filtering. Great Britain Printed in Great Britian by J.W.Arrowsmith Ltd[M]. 1975.
[30] 郭文夷．C++Builder6.0程序设计[M]．西安：西安电大，2004
[31] 谭浩强．C程序设计(第二版)[M]．北京：清华大学出版社，1999．309～327
[32] 姜建国，曹建中，高玉明．信号与系统分析基础[M]．北京：清华大学出版社，1994．166～193，201～228．
[33] 葛世荣．粗糙表面的分形特征与分形表达研究．摩擦学学报[J]．1997，17(1)：73～80．
[34] 袁怡宝，李晓红．减小圆度测量中2RC滤波传输偏筹的新方法．仪器仪表学报[J]．2002，23(3)：545～546．
[35] 危常忠，王本强，谢铁邦．表面纹理的参数评定研究．华中理工大学学报[J]．1999，27(1)：55～59．
[36] 杨晔，童竞，唐家驹，李大成．Talysurf-4型表面粗糙度测量仪的智能化．计量技术[J]．1996，(09)：17～19．
[37] 刘晓军，肖少军，谢铁邦，李柱．曲面表面粗糙度、波度及形状误差综合测量与分析的研究．工具技术[J]．1997，31(3)：33～36．
[38] 刘小军．表面形貌的分形特征研究．合肥工业大学学报(白然科学版)[J]．2000，23(2)：236～239．
[39] 强锡富，袁怡宝．建立表面粗糙度评定中线的快速算法．仪器仪表学报[J]．1994，15(4)：353～358．
[40] 张玉林，艾民．测量技术与仪器的发展趋势分析．西安通信学院学报[J]．2005，4(3)：33～35．
[41] 王蔚．MATLAB环境下的数字滤波器设计及其应用[D]．苏州：苏州大学，2002．
[42] 金增伟．Talysurf-6型触针式轮廓仪测量表面质量的特点．实验室研究与探索[J]．1997，(4)，48～51．
[43] 张志远，崔阳学．数字信号处理的应用研究．兰州铁道学院学报[J]．1994，13(1)：53～57．
[44] 樊新海，安钢，张传清．零相位数字滤波及其应用．国外电子测量技术[J]．2005，(8)：9～11．
[45] 黄夏，王海．零相位低通滤波方法试探．实用测试技术[J]．1999，(6)：10～13．
[46] 郭松林．用数字低通滤波器实现数字采样法的工频电参数测量系统[D]．哈尔滨：哈尔滨理工大学，2003．
[47] 郝军哲．数模混合集成电路实现一维小波变换[D]．武汉：武汉大学，2004．
[48] 李成贵，董申，张国雄．表面粗糙度评定参数的分形表征．宇航计测技术[J]．1998，18(4)：33～40．
[49] 李楠．光学针描法表面粗糙度测量系统关键技术的研究[D]．河北：河北工业大学，2003．
[50] [英]S．M．鲍齐克．数字滤波与卡尔曼滤波[M]．(．凌云旦，何永保)．北京：科学出版社，1984：64～88．
[51] 周建平，伍凌川，袁强．采用Delphi与MATLAB的数字滤波器设计．软件技术[J]．2004，23(3)：89～90．
[52] 周烜，刘秀玲，周兴宇．工业表面粗糙度微机测量系统．控制工程[J]．2003，10(3)：285～288．
[53] 蒋向前，肖少军，谢铁邦，李柱．一种新型触针式曲面形貌测量系统．华中理工大学学报[J]．1994，22(9)：4～8．
[54] 吴逸贤，吴目诚．精彩C++Bui lder 6程序设计[M]．北京：科学出版社，2003：243～247，281～312．
[55] 强锡富，毛起广．表面粗糙的及其测量译文集[M]．北京：中国计量出版社，1987．