表面轮廓测量中采样参数的确定及自适应调整

　　零件加工表面的轮廓特征参数是衡量已加工表面质量的一个重要参数,也是进行加工精度和工艺系统特性分析的依据。很多研究工作结果表明,零件表面轮廓形貌对零件的使用性能有很大的影响。随着现代工业生产的发展,各工业部门对零件的使用性能要求越来越高,这就要求对表面轮廓特征参数进行快速、准确的测量和计算。目前,测量表面轮廓多采用触针式测量方法。由于任一点表面轮廓高度是一个随机变量,所以加工表面轮廓参数的测量是一个数据采集及对离散随机变量进行数据处理的过程,其数据处理方法应采用随机数据或时间序列分析方法[1,2]。为了保证测量分析结果的准确性,除了采样数据的幅值必须适当以外,还需要根据测量系统的频率特性确定合适的采样频率。在用触针法对加工表面轮廓进行采样测量时,通常是按被测件的情况决定取样长度,再根据采样长度和采样点数决定触针的移动速度。这些测量参数的选择往往需要有一定的经验和带有试探性。因此,目前国内外很多表面轮廓参数测量系统都需要人工选择测量条件和参数。为了实现加工表面轮廓参数的快速、自动测量,有必要对采样参数的选择进行研究。

　　1　计算机辅助表面轮廓测量系统采样参数的选择

　　1.1影响加工表面轮廓测量精度的因素

　　由于加工表面轮廓的测量是一个把连续时间信号x(t)离散化及数字化的过程,它包括采样(sampling)和量化(quantization)两个步骤,信号x(t)经过间隔为Δt的采样可看作用等间隔单位脉冲序列去乘模拟信号,形成的离散信号的频谱可表示为[4]:

　　它是将原频谱X(f)依次平移1/Δt至各采样脉冲对应的频域序列点上,然后全部叠加而成的。而幅值量化产生的误差的最大值为±Δx/2,其标准差为0.29Δx。数字化后的波形和原始波形之间的拟合程度取决于采样的时间间隔Δt和量化时的幅值增量Δx。显然,采样间隔和幅值增量愈小,拟合程度愈好。一般量化引起的误差与由Δt引起的误差相比很小[4],因此,为了保证被测波形不失真,必须选择合适的取样时间间隔。当取样时间间隔Δt过小时,采样点数就会过多,因而增加了数据处理的时间;而当采样间隔Δt过大时,平移距离1/Δt过小,则移至各采样脉冲处的频谱X(f)就会有一部分互相交叠,产生频混(Aliasing)现象。根据采样定理,要确认一个正弦信号的频率,至少要对信号作每周两次以上的采样,即采样频率fs至少要大于信号频率的两倍,否则容易产生频率折叠(见图1)。使用截止频率为f2的低通滤波器,可以减小或避免出现频率折叠和频混现象。

　　1.2测量系统采样时间间隔的确定