從哪些方面我們能全面了解粗糙度儀

時間：2015-04-12作者：南昌星楓儀器有限公司瀏覽：58

從粗糙度儀器上,我們多可獲得工件表面不規(guī)則狀況的放大結(jié)果,而此一結(jié)果 常被稱為"表面輪廓圖"(surface profile)。當(dāng)儀器的尖筆正沿著工件表面 進行掃描時,其垂直方向的運動乃可被放大而被繪制下來,且在同時,我們亦 可直接自儀器上讀出在該處工件表面上的表面粗度算術(shù)平均值究竟為多少。

在1930年以前,這完全是要憑觸覺來建立標(biāo)準(zhǔn)。檢驗時必須使用一系列 具有不同粗度的試片,工廠人員在使用這些試片時,先用他的手指甲劃過標(biāo)準(zhǔn) 的試片表面,然后再劃過他制造出來之工件的表面,當(dāng)感覺這兩個表面具有相 同的粗度時,則工件表面便被認為足夠光滑了。在表面密封、滾珠軸承、齒 輪、凸輪或軸頸等應(yīng)用場合,表面光度對于設(shè)備的功能能否發(fā)揮影響很大,有 人發(fā)現(xiàn),設(shè)備的性能與對數(shù)的表面光度值成線性的變化關(guān)系。

也就是說,要使 性能提高一倍時,平均的波峰到波谷的粗度值必須減低十倍。于是乎,對表面 粗糙度量化的要求也就產(chǎn)生了。

表面輪廓斷面曲線中,包含了粗糙度曲線與波浪起伏的曲線(圖 1),一般 說來波浪起伏的曲線是屬于輪廓量測的范圍,其值遠大于表面粗糙度之值(有 關(guān)輪廓量測請參閱*六章),但也有將表面輪廓斷面兩種曲線分開或合并考慮 的作法,因此也就有了各種表面粗糙度之定義,如表 1.

盡管各種表面粗糙度之定義有那么多,一般表面粗糙度之表示法只有下列 三種:Ra(中心線平均粗糙度)、Rymax(較大高度粗糙度)、Rtm (十點平均粗 糙度),現(xiàn)分述如下:

1. Ra :中心線平均粗糙度

若從加工面之粗糙曲線上,截取一段測量長度L(圖 2) ,并以該長度內(nèi) 粗糙深之中心線為x軸,取中心線之垂直線為y軸,則粗糙曲線可用y = f(x)表之。以中心線為基準(zhǔn)將下方曲線反折。然后計算中心線上方經(jīng)反折后之全部曲 線所涵蓋面積, 再以測量長度除之。所得數(shù)值以μm為單位, 即為該加工面 測量長度范圍內(nèi)之中心線平均粗糙度值, 中心線方向細分單位等間隔后取各分段點所對應(yīng)之 hi 值,

中心線在表面具有曲度或形狀誤差時,則成曲線,粗糙度沿此曲線量取。 測量長度限于量具大小而無法涵蓋整個機件表面,因此,一次量取求得之Ra 只是表面某部分的中心線平均粗糙度,故應(yīng)在被測物表面多選幾個不同的位 置測量,將全部測得之Ra取其算術(shù)平均值則為表面的中心線平均粗糙度。

2. Rymax :較大高度粗糙度

由表面曲線上截取基準(zhǔn)長度L做為測量長度,如圖所示,自該長度內(nèi)曲線之 較高點與較低點,分別畫出與曲線平均線平行之線時,該二線之間距即為較大 粗糙度,也就是測量長度內(nèi)沿垂直方向量取較高點與較低點之距離。Rymax 值以μm 為單位,并在數(shù)值后加上小寫字母s以區(qū)分 Rymax 值。若由粗糙曲 在線截取基準(zhǔn)長度L做為測量長度,則量測之值亦稱為較大高度粗糙度,但符 號改為 Rt , 使用時須注意。

Rtm :十點平均粗糙度

3. Rtm :十點平均粗糙度

由表面曲線上截取基準(zhǔn)長度L做為測量長度,求出*三高波峰與*三深波谷 ,分別畫出二條并行線,兩并行線間距即為十點平均粗糙度值Rz其值以μm為 單位,并在數(shù)值后加上小寫字母z以區(qū)別另兩種粗糙度。 三種粗糙度數(shù)值間之關(guān)系約為:4 Ra Rymax Rtm

1 傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的工作原理

1.1 儀器的工作原理

采用針描法原理的表面粗糙度測量儀由傳感器、驅(qū)動器、指零表、記錄器和工作臺等主要部件組成。

電感傳感器是輪廓儀的主要部件之一，其工作原理見圖2，在傳感器測桿的一端裝有金剛石觸針，觸針**曲率半徑r很小，測量時將觸針搭在工件上，與被測表面垂直接觸，利用驅(qū)動器以一定的速度拖動傳感器。由于被測表面輪廓峰谷起伏，觸狀在被測表面滑行時，將產(chǎn)生上下移動。此運動經(jīng)支點使磁芯同步地上下運動，從而使包圍在磁芯外面的兩個差動電感線圈的電感量發(fā)生變化。

傳感器的線圈與測量線路是直接接入平衡電橋的，線圈電感量的變化使電橋失去平衡，于是就輸出一個和觸針上下的位移量成正比的信號，經(jīng)電子裝置將這一微弱電量的變化放大、相敏檢波后，獲得能表示觸針位移量大小和方向的信號。此后，將信號分成三路：一路加到指零表上，以表示觸針的位置，一路輸至直流功率放大器，放大后推動記錄器進行記錄；另一路經(jīng)濾波和平均表放大器放大之后，進入積分計算器，進行積分計算，即可由指示表直接讀出表面粗糙度Ra值。

指零表的作用反映鐵芯在差動電感線圈中所處的位置。當(dāng)鐵芯處于差動電感線圈的中間位置時，指零表指針指示出零位，即保證處于電感變化的線性范圍之內(nèi)。所以，在測量之前，必須調(diào)整指零表，使其處于零位。噪聲濾波的目的在于剔除一些干擾信號，如電氣元件的噪聲所引起的虛假信號。大量的測試表明，** 400Hz的信號即不是被測表面粗糙度所引的信號，必須從總信號中加以剔除。所以噪聲濾波器是一種低通（低頻能通過）濾波器，它使400Hz以下的低頻信號*，而將400Hz以上的高頻信號*衰減，從而達到濾波的目的。波度濾波的目的則是用以濾掉距大于取樣長度的波度，因此它是一個高通（高頻能通過）濾波器，使表面粗糙度所引起的高頻（相對于波度引起的低頻而言）信號能自由通過。

經(jīng)過噪聲濾波和波度濾波以后，剩下來的就是與被測表面粗糙度成比例的信號，再經(jīng)平均表放大器后，所輸出的電流I與被測表面輪廓各點偏離中線的高度y的**值成正比，然后經(jīng)積分器完成 的積計算，得出Ra值，由指零表顯示出來。

這種儀器適用于測定0.02-10μm的Ra值，其中有少數(shù)型號的儀器還可測定較小的參數(shù)值，儀器配有各種附件，以適應(yīng)平面、內(nèi)外圓柱面、圓錐面、球面、曲面、以及小孔、溝槽等形狀的工件表面測量。測量*方便，測值精度高。

1.2 針描法

針描法又稱觸針法。當(dāng)觸針直接在工件被測表面上輕輕劃過時，由于被測表面輪廓峰谷起伏，觸針將在垂直于被測輪廓表面方向上產(chǎn)生上下移動，把這種移通過電子裝置把信號加以放大，然后通過指零表或其它輸出裝置將有關(guān)粗糙度的數(shù)據(jù)或圖形輸出來。

2 傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的不足

傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀存在以下幾個方面的不足：

（1）測量結(jié)果的輸出不直觀。

（2）測量參數(shù)較少，一般僅能測出Ra、Rz、Ry等少量參數(shù)；

（3）測量方式不靈活，例如：評定長度的選取，濾波器的選擇等；

（4）測量精度較低，測量范圍較小，Ra值的范圍一般為0.02-10μm左右；

造成上述幾個方面不足的主要原因是：系統(tǒng)的可靠性不高，模擬信號的誤差較大且不便于處理等。

3 對傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的改進

3.1 傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的改進方案

為了克服傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的不足，應(yīng)該采用計算機系統(tǒng)對其進行改進。例如，英國蘭克精密機械有限公司制造的“泰呂塞夫（TALYSURF）”10型和我國哈爾濱量具刃具廠制造的2205型表面粗糙度測量儀就采用了計算機系統(tǒng)，使其性能較之傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀有較大的提高。其基本原理如圖4所示，從相敏整流輸出的模擬信號，經(jīng)過放大及電平轉(zhuǎn)換之后進入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，計算機自動地將其采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波和計算，得到測量結(jié)果，測量結(jié)果及輪廓圖形在顯示器顯示或打印輸出。

要采用計算機系統(tǒng)對傳統(tǒng)的表面粗糙度測量儀進行改進，就要編制相應(yīng)的計算機軟件，較好采用比較直觀的菜單形式?？梢园慈鐖D5所示的菜單使用流程圖編制軟件：

3.2 改進后的天津粗糙度測量儀的功能及使用效果

由于采用計算機系統(tǒng)，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行靈活的處理，顯著地提高了系統(tǒng)的可靠性，所以既大大增加了測量參數(shù)的數(shù)量，又提高了測量精度。例如：哈爾濱量具刃具廠制造的2205型表面粗糙度測量儀的測量參數(shù)多達二十六個，測量范圍為0.001～50μm，可任選1～5倍的取樣長度作為評定長度，測量結(jié)果及圖形在顯示器、打印機或繪圖儀上非常直觀地輸出來。它還采用了較為先選的可選擇的數(shù)字濾波器，它與模擬濾波器相比其特性較為準(zhǔn)確，且不會有元器件參數(shù)誤差帶來的影響。

另一方面，若在表面粗糙度儀測量實驗的教學(xué)過程中引入改進后的表面粗糙度儀，就實驗的直觀教學(xué)功能而言，也很有意義。改進后的電動輸廓儀，通過計算機軟件與硬件的結(jié)合（尤其是軟件）大大加強了 實驗過程的直觀性，這體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）測量結(jié)果及相關(guān)圖形能非常直觀地、準(zhǔn)確地輸出在顯示器、打印機或繪圖儀上。

（2）整個實驗過程非常直觀地通過軟件的各級菜單進行控制。操作簡單、一目了然。

（3）輸入與顯示同步，即在測量進行過程的同時，觸針在被測表面上滑行的軌跡動態(tài)地顯示在計算機屏幕上。

很顯然，以上這些直觀的教學(xué)效果是其它傳統(tǒng)的表面粗糙度測量實驗方法所不具備的。它在得到正確的測量結(jié)果的同時，還充分運用了直觀教學(xué)的原理。

表面粗糙度儀的工作原理表面質(zhì)量的特性是零件較重要的特性之一，在計量科學(xué)中表面質(zhì)量的檢測具有重要的地位。較早人們是用標(biāo)準(zhǔn)樣件或樣塊，通過肉眼觀察或用手觸摸，對表面粗糙度做出定性的綜合評定。

1929年德國的施馬爾茨（g.schmalz）首先對表面微觀不平度的深度進行了定量測量。1936年美國的艾卜特（e.j.abbott）研制成功**臺車間用的測量表面粗糙度的輪廓儀。1940年英國taylor-hobson公司研制成功表面粗糙度測量儀 “泰呂塞夫（talysurf）”。以后，各國又相繼研制出多種測量表面粗糙度的儀器。目前，測量表面粗糙度常用的方法有：比較法、光切法、干涉法、針描法和印模法等，而測量*方便、測值精度較高、應(yīng)用較為廣泛的就是采用針描法原理的表面粗糙度測量儀。

本文將詳細討論表面粗糙度測量儀的原理及其改進方案。

1 傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的工作原理

1.1 針描法針描法又稱觸針法。

當(dāng)觸針直接在工件被測表面上輕輕劃過時，由于被測表面輪廓峰谷起伏，觸針將在垂直于被測輪廓表面方向上產(chǎn)生上下移動，把這種移通過電子裝置把信號加以放大，然后通過指零表或其它輸出裝置將有關(guān)粗糙度的數(shù)據(jù)或圖形輸出來。

1.2 儀器的工作原理采用針描法原理的表面粗糙度測量儀由傳感器、驅(qū)動器、指零表、記錄器和工作臺等主要部件組成。

電感傳感器是輪廓儀的主要部件之一，其工作原理見圖2，在傳感器測桿的一端裝有金剛石觸針，觸針**曲率半徑r很小，測量時將觸針搭在工件上，與被測表面垂直接觸，利用驅(qū)動器以一定的速度拖動傳感器。由于被測表面輪廓峰谷起伏，觸狀在被測表面滑行時，將產(chǎn)生上下移動。此運動經(jīng)支點使磁芯同步地上下運動，從而使包圍在磁芯外面的兩個差動電感線圈的電感量發(fā)生變化。圖3為儀器的工作原理主框圖。傳感器的線圈與測量線路是直接接入平衡電橋的，線圈電感量的變化使電橋失去平衡，于是就輸出一個和觸針上下的位移量成正比的信號，經(jīng)電子裝置將這一微弱電量的變化放大、相敏檢波后，獲得能表示觸針位移量大小和方向的信號。此后，將信號分成三路：一路加到指零表上，以表示觸針的位置，一路輸至直流功率放大器，放大后推動記錄器進行記錄；另一路經(jīng)濾波和平均表放大器放大之后，進入積分計算器，進行積分計算，即可由指示表直接讀出表面粗糙度ra值。指零表的作用反映鐵芯在差動電感線圈中所處的位置。當(dāng)鐵芯處于差動電感線圈的中間位置時，指零表指針指示出零位，即保證處于電感變化的線性范圍之內(nèi)。所以，在測量之前，必須調(diào)整指零表，使其處于零位。噪聲濾波的目的在于剔除一些干擾信號，如電氣元件的噪聲所引起的虛假信號。大量的測試表明，**400hz的信號即不是被測表面粗糙度所引的信號，必須從總信號中加以剔除。所以噪聲濾波器是一種低通（低頻能通過）濾波器，它使400hz以下的低頻信號*，而將400hz以上的高頻信號*衰減，從而達到濾波的目的。波度濾波的目的則是用以濾掉距大于取樣長度的波度，因此它是一個高通（高頻能通過）濾波器，使表面粗糙度所引起的高頻（相對于波度引起的低頻而言）信號能自由通過。經(jīng)過噪聲濾波和波度濾波以后，剩下來的就是與被測表面粗糙度成比例的信號，再經(jīng)平均表放大器后，所輸出的電流i與被測表面輪廓各點偏離中線的高度y的**值成正比，然后經(jīng)積分器完成的積計算，得出 ra值，由指零表顯示出來。這種儀器適用于測定0.02-10μm的ra值，其中有少數(shù)型號的儀器還可測定較小的參數(shù)值，儀器配有各種附件，以適應(yīng)平面、內(nèi)外圓柱面、圓錐面、球面、曲面、以及小孔、溝槽等形狀的工件表面測量。測量*方便，測值精度高。2 傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的不足傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀存在以下幾個方面的不足：

（1）測量精度較低，測量范圍較小，ra值的范圍一般為0.02-10μm左右；（2）測量參數(shù)較少，一般僅能測出ra、rz、ry等少量參數(shù)；

（3）測量結(jié)果的輸出不直觀。造成上述幾個方面不足的主要原因是：系統(tǒng)的可靠性不高，模擬信號的誤差較大且不便于處理等。

（4）測量方式不靈活，例如：評定長度的選取，濾波器的選擇等；


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