基于电动轮廓仪的智能化数据采集系统研究

论文摘要

表面粗糙度是影响机械零件及产品性能的一项重要指标,它反映的是工件表面微观几何形状误差。表面粗糙度的测量是几何量测量中的一个重要领域,对制造业的发展有着重要的推动作用。采用触针式电动轮廓仪对表面粗糙度进行多参数定量评定是应用最广泛的测量方法。近年来,由于国际、国家标准的变更,许多陈旧的表面粗糙度测量仪已经无法符合新标准的要求。此外,其中很多测量仪的电子测量装置已经老化,数据采集的精度和采集速度已经满足不了现代的测量需要,但机械部分大都还能正常使用,这批仪器的停用对资源造成了很大的浪费。因此,改装新的电子测量系统的电路和相应软件,让这些仪器重新恢复使用是一个急需解决的问题,这对表面粗糙度标准的推广及电动轮廓仪技术的发展有着重大的现实意义。基于上述现状,本文提出对旧的触针式表面粗糙度测量仪进行升级改造,采用AT89S52单片机作为下位机进行数据采集,PDIUSBD12作为接口芯片实现与PC机的通信,并且用良好的用户应用程序控制整个系统的运行。本文主要完成系统硬件部分的设计,数据采集及数据处理软件的编写。首先,提出了对原仪器改造方案的总体设想及可行性分析。然后,详细叙述了系统的硬件构成和设计,包括传感器的原理和结构分析、传感器信号调理电路设计、计算机I/O接口的电路设计、接口芯片的选择及A/D转换电路的设计。同时,还对系统的数据采集进行了研究,开发了相应的固件程序及接口程序,完成数据采集软件的编写,并且对表面粗糙度参数的算法进行研究和程序实现。编写了智能化测量控制应用程序,完成了控制界面的设计。最终研制出一套多功能、多参数、高性能、高可靠、操作方便的智能化表面粗糙度测量系统。课题所研究和采用的技术及方法可以用于多种型号的电感式表面粗糙度测量仪的智能化和自动化改造。因此,该课题具有较高的实际应用价值和市场推荐价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 表面粗糙度测量技术的发展概述
• 1.1.1 表面粗糙度的概念
• 1.1.2 表面粗糙度测量技术的发展
• 1.2 触针式电动轮廓仪的发展及研究现状
• 1.3 课题的研究背景
• 1.4 课题的主要研究内容
• 第二章 电动轮廓仪数据采集系统的硬件设计
• 2.1 系统组成及工作原理
• 2.2 微控单片机选择及简介
• 2.3 传感器部分的分析与设计
• 2.3.1 传感器的原理与分析
• 2.3.2 传感器信号调理电路设计
• 2.4 模数转换芯片选择
• 2.5 串行通信选择
• 2.5.1 ISA总线
• 2.5.2 PCI总线
• 2.5.3 USB总线简介
• 2.5.4 USB协议概括叙述
• 2.5.5 USB总线的主要特性
• 2.6 USB接口芯片选择
• 2.6.1 D12的基本功能
• 2.6.2 芯片管脚说明
• 2.6.3 USB通信接口硬件设计
• 2.7 本章小结
• 第三章 电动轮廓仪数据采集系统的软件设计
• 3.1 单片机数据采集程序设计
• 3.1.1 AT89S52与PC机通信程序实现
• 3.1.2 AT89S52数据采集程序实现
• 3.1.3 A/D转换实现
• 3.2 USB固件程序设计
• 3.2.1 固件需要用到的命令语句分析
• 3.2.2 USB固件程序实现
• 3.2.3 硬件提取层（EPPHAL.C）
• 3.2.4 D12命令接口（D12 CI.C）
• 3.2.5 各端点在固件中的作用
• 3.2.6 中断服务程序（ISR.C）
• 3.2.7 主循环（MAINLOOP.C）
• 9.C & PROTODMA.C）'>3.2.8 标准设备请求和厂商请求（CHAP₉.C & PROTODMA.C）
• 3.3 USB设备驱动程序的设计与实现
• 3.3.1 WDM模型概述
• 3.3.2 开发工具的选择
• 3.3.3 驱动程序开发步骤
• 3.4 主机应用程序
• 3.4.1 触针式轮廓仪测量表面结构的规则和方法
• 3.4.2 应用程序与USB通信
• 3.4.3 用户服务程序设计
• 3.4.4 评定参数设置
• 3.4.5 测量条件及评定条件设置
• 3.4.6 测量数据、结果的导出
• 3.5 本章小结
• 第四章 数据的分析处理
• 4.1 误差补偿
• 4.1.1 电感传感器误差分析
• 4.1.2 AD698处理芯片误差分析
• 4.1.3 A/D转换器误差分析
• 4.2 标度变换
• 4.3 表面轮廓数据的数字滤波
• 4.4 最小二乘中线求解及坐标变换
• 4.5 测量数据处理程序
• 4.5.1 峰-谷幅度参数
• 4.5.2 平均值幅度参数
• 4.5.3 间距参数算法设计
• 4.5.4 混和参数算法设计
• 4.5.5 曲线参数算法设计
• 4.6 本章小结
• 第五章 系统实验与校准
• 5.1 实验设计
• 5.1.1 示值重复性
• 5.1.2 驱动传感器滑行运动的直线度
• 5.1.3 残余轮廓
• 5.1.4 示值稳定性
• 5.2 不确定度分析
• 5.2.1 标准不确定度分量的评定
• 5.2.2 合成标准不确定度评定
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研成果
• 致谢