1 引言
表面粗糙度是机械零件的一个主要几何精度指标,它直接影响机器或仪器的使用性能和使用寿命。
目前在生产现场主要是靠目测或触摸对比样板的办法来估计,而计量室中常用光切显微镜,干涉显微镜及电动轮廓仪,由于其结构和性能所限,难以实现现场主动测量,而且工作效率不高。
为了弥补传统测量方法之不足,作者已多年致力于光纤表面粗糙度测量方面的研究〔1〕〔2〕〔3〕,初步实现了光纤表面粗糙度测量仪的产品化,它具有如下特点:
(1)属于非接触式测量方法,有利于保护精加工表面的完整性,不致于划伤被测表面;
(2)应用了最新单片机及电子技术,低功耗设计,电池供电,体积小,便于携带,可直接显示轮廓算术平均偏差Ra值,能对不同加工方法或不同材料的零件表面进行测量;
(3)既适合于加工后的现场批量检验,也适合于流动性强的抽检,工作效率高;
(4)标定、调校容易,操作简单,全中文提示;
(5)不受环境杂散光影响,抗电磁干扰性能好。
2 测量原理简介
便携式光纤表面粗糙度测量仪由光纤传感器及单片机系统两部分组成,其原理框图如图1所示。在光纤传感器中,入射光纤束和接收光纤束都是由直径为50μm,数值孔径N.A.=0.58的阶跃型玻璃光导纤维组成,并在探头端排列成同心圆型。传感器输出电压值的大小正比于接收光纤束所接收到的反射光强,与表面粗糙度有关。此外,该反射光强还与入射光强、测量距离、材料表面反射率及一些决定光纤束几何关系的常数有关,有关用光纤传感器测量表面粗糙度的原理,实验特性曲线及传感器的具体结构限于篇幅在本文中不详细讨论,参考文献〔1〕〔3〕已有较深入的论述。过去的研究表明:利用光纤传感器测量表面粗糙度还有如下基本问题需要解决。
(1)仪器的标定及精度调校 如上所述,传感器输出电压值大小除与表面粗糙度有关外,还与入射光强、测量距离及光纤束本身的特性有关,且这些关系并非线性关系,由于传感器在制造过程中,不可避免地存在加工装配误差,即使微米级的误差也会使传感器输出电压值产生不可忽略的偏差,光源的影响更是如此,作者曾用调整光源强弱及改变放大电路放大倍数的方法校正,不能得到满意结果,因此,传统的将标定曲线作成表格一次性固化在单片机程序存储器里的作法会使批量生产的仪器产生较大的测量误差,定期的精度调校也十分困难。
(2)仪器的电源及仪器的体积 现场测量及流动性强的抽检要求仪器必须体积小、抗干扰性强、自带电源。小型电池供电是最好的方案,但小型电池供电要求仪器功耗低,稳压电路可靠,否则会使仪器的测量产生误差。
(3)传感器光源的寿命及光强的稳定性 过去实验室研究用小白炽灯泡作光源难以满足这一要求,必须考虑其它光源。
为解决上述问题,采取了如下措施:
(1)采用近年来发展起来的串行EEPROM技术,利用其可在线擦写特性,在标定或调校时,先对仪器的传感器和放大电路进行调整确定后,用仪器测量每种加工方法的5个不同等级的标准样板或标准试件,将测量结果自动存入EEPROM中,当从键盘输入标准样板或标准试件表面粗糙度Ra值时(该Ra值可事先经电动轮廓仪测得或经计量测试权威部门认可),单片机采用分段线性法自动生成标定曲线表格保存于EEPROM中,这样,光纤传感器部分与单片机处理部分是一一对应的,传感器不可互换,对于每一种加工方法、每一种被测材料均有各自的标定曲线,从而保证了测量精度并扩大了仪器的测量范围。为了使用方便,仪器采用汉字显示,整个标定过程均有汉字提示。
(2)仪器选用CMOS器件,如:单片机选用内置大容量程序存储器(20k)的89C55,显示采用122×32图形LCD模块,电源部分采用高效升压型开关稳压电路,设有欠压检测,自动关机电路。整个仪器结构简单,功耗低,体积小。
(3)传感器光源改用红外发光器件,经反复试验,其测量效果与小白炽灯泡相当,但其性能稳定,功耗低。
下面着重讨论该仪器单片机系统的具体硬件电路及软件设计。
3 硬件组成及主要功能
该仪器单片机系统的硬件主要由单片机、光电转换及信号放大、模-数转换、键盘、随机数据存储器、图形液晶显示模块、串行EEPROM、实时钟、光源控制及光源、开关稳压电路等组成,图2是仪器的电原理简图,其中光源和光电转换做在光纤传感器中,通过屏蔽电缆线与单片机系统相连。
3·1 光源及光源控制、光电转换、信号放大及A/D转换
光源采用红外发光器件,由三极管、限流电阻、稳压管构成光源控制电路,由单片机的I/O口P3.0控制,低电平有效。光电转换元件选用2CR21型硅光电池其输出经ICL7650自稳零运放放大,由ADC0804单通道8位模数转换器转换成数字量给单片机,单片机再查表将其对应的表面粗糙度Ra或Rz显示出来,图中VR1用于调节运放的增益。如前所述,仪器采用了特别的标定或调校方式,选用无零漂的ICL7650自稳零运放十分重要。
3·2 单片机、键盘、随机数据存储器
单片机暂采用ATMEL公司51系列片内具有20k闪速程序存储器的AT89C55,20k程序存储器中约8k是程序代码,剩下的部分用来存放各种汉字提示信息所用汉字、数字和符号的字模,汉字用16×16点阵,每个需32字节,数字和符号用8×16点阵,每个需16字节。随机数据存储器选用8k容量的SRAM 6264,74HC373用作6264的低位地址锁存器。键盘采用4×4矩阵键盘,16个按键:0~9十个数字键、小数点键,模式、确认、退出、方法、材料五个功能键,数字键中的3和9还复用作上下翻屏键,即PgUp、PgDn,模式键的意义就是选择标定、测量、时钟及存取4种模式中一种作为当前仪器的工作模式,进入标定模式须输入密码以防止非法操作,存取模式的意义是将过去测量的时间、方法、材料及粗糙度数值按测量的先后顺序调出查看。
3·3 LCD图形显示模块
图形液晶显示模块选用中文寻呼机用122×32LCD,该模块具有能与68系列微处理器直接接口的时序,与51系列单片机也可直接接口,但编程必须采用I/O口的位控方式来满足其时序要求,为了仿真调试方便,作者把LCD模块设计成片外数据存储器方式,用ATMEL公司的低功耗电擦除可编程逻辑器件GALATF16V8BQL实现时序变换以简化电路, LCD与89C55及GAL的连接关系如图2,图中VR2是LCD对比度调节电阻,GAL内部引脚的逻辑关系如下:
E1、E2分别表示LCD的左右半屏(主从)控制器的读写使能信号,R/W为高时表示读操作,为低时表示写操作,A0为高时表示数据,为低时表示指令。
3·4 串行EEPROM、实时钟
EEPROM是在线可擦写的非易失性存储器,而串行EEPROM的优点就是它与单片机之间仅通过2根线进行信息传送,且体积小,大大减少了印制板的布线和尺寸。本仪器就是利用串行EEPROM在线可擦写的特点来自动生成和存储定标曲线的,串行EEPROM选用ATMEL公司的24C64,24C64具有8k(64k位)字节容量,而每一种材料的每一种加工方法的标定曲线只需要256字节容量,对于一般工程应用,预留16种测量方法的空间已经足够,即4k容量用于存储定标曲线,剩下的4k用于存储每次测量的时间、方法、材料及粗糙度数值便于以后查阅。实时钟选用Philips公司的
PCF8583,PCF8583是功能十分完善的日历时钟芯片,具有4年日历时钟,24或12点格式,可编程的闹钟、定时和中断功能,通过编程计算润年,可以实现永久的日历时钟。这2个器件都是I2C总线接口器件,其从地址的高4位都是1010,其区别在于地址输入端A0的连接,对于图示连接方法,24C64的器件写地址是A2H,器件读地址是A3H,PCF8583器件写地址是A0H,器件读地址是A1H。图中100μF的电容用于仪器更换电池时维持PCF8583工作,实验证明,只要更换电池的时间少于2分钟,PCF8583的时钟就不会丢失,否则,必须重新设置时钟。
3·5 电源电路
电源电路是便携式仪器的重要组成部分,其原理如图3所示,以MAX756为核心构成的高效升压型开关稳压电路,设有欠压检测,三极管Q1、Q2及周边的电阻、二极管组成电源开/关自锁电路,“开”键同时使单片机复位,单片机的P3.1置低电平可以切断电源,实现软件控制关机,仪器若出现电源短路,也会使三极管Q1、Q2截止切断电源,起保护作用。合理配置电路中的器件参数、放置器件位置及布线可使该电路的效率达80%以上,输出纹波在50mV以下。ICL7660及其外围电容构成充电泵转换器,将正5V电压转换成负5V电压,以满足LCD及运放ICL7650的负电压要求。
4 软件设计
软件设计的主要任务是针对上述硬件电路结构及仪器所要求的功能编制一完整的监控程序,包括用汇编语言编制的各种控制工作程序、数据表格管理程序及用高级语言编制的在微机上运行的服务性处理程序。写入单片机89C55的程序以51汇编语言编制,其代码约8k字节,限于篇幅,在此不能详细讨论,以下就软件设计中几个主要问题的处理方法作些介绍。
4·1 定标曲线的软件处理
实验证明,对于一定的加工方法和材料,光纤传感器的输出电压V与被测表面粗糙度参数Ra或Rz之间存在着单值对应关系,如前所述,针对批量生产时传感器的各种参数变异致使V与Ra或Rz之间的关系不一样的问题采取分别处理的方案,由单片机对标准样块或试件测量后用分段线性插值法自动生成标定表格写入24C64中的指定位置,考虑到Rz已很少应用,作者只对Ra进行处理。仪器采用8位A/D转换器,可能得到256个变换值,24C64的表格中有256个Ra与之对应,查表即可,因此每条标定曲线需要占用24C64256字节空间。在标定前,须对传感器和放大电路的增益进行调整,调节放大电路的增益使运放在传感器的整个输出范围内处于线性放大区;对传感器只调节被测距离就可以了,实验证明,传感器的输出电压V与被测距离d之间存在图4所示的关系〔1〕,在曲线的峰顶附近,传感器的输出电压对被测距离的变化不十分敏感,而对表面粗糙度的变化却比较敏感,因此必须调整传感器的头部螺纹部分(改变被测距离),使传感器的工作区处于曲线的峰顶附近。
4·2 汉字显示
为了操作方便,仪器采用汉字提示。考虑到提示信息所用汉字不多,没必要用完整的二级字库,只要从汉字库中将所需汉字和符号的字模取出来按一定顺序存放在89C55的程序存储中就可以了。122×32 LCD模块的控制器是SED1520,其显示RAM格式与从计算机内提取的汉字数组格式正好差90°,为提高显示速度,在89C55的程序存储中存放的汉字字模是按SED1520显示RAM的格式存放的,为此,用C语言编程,先在微机上完成这一工作。其流程是根据仪器所需汉字的内码和符号的ASCII码从计算机的16×16点阵字库中提取汉字字模、从16×8西文显示字库中提取数字和符号的字模,将其转换成LCD显示RAM格式,并以MCS-51汇编语言的语法格式DB…编制成文本文件,便于用51仿真器编译调试。
4·3 I2C接口器件的编程
如上所述,24C64、PCF8583这2个器件都是I2C总线接口器件,而89C55无I2C总线接口,利用51单片机I/O口的双向位控功能模拟I2C总线的工作时序进行编程。
5 结束语
本测量仪已有数台试用于实际检测,性能稳定,将测量结果与电动轮廓仪作测量比较,其最大相对误差不超过8%,完全克服了人工目测或手感所造成的难以控制的误测。
该仪器体积小、结构简单、抗干扰性能好、操作简便、制造容易、成本低,且光纤具有可弯曲导光等独特优点,通过改进传感器结构可以实现内孔、凹槽表面的测量,解决其它表面粗糙度测量仪器不能解决的问题,是一种很有推广前景的现代测量仪器。
参考文献
1 李亚非.外圆磨削工件表面粗糙度的在线测量.长沙交通学院学报,1989;5(3、4).
2 李亚非.单片机智能化光纤表面粗糙度测量仪.长沙交通学院学报,1991;7(1).
3 李亚非,董树信.一种反射式光纤传感器的受光特性分析.西安交通大学学报,1992;26(2).
本文作者：刘振闻 谢竹生 李亚非
