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：56

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準。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準 的試片表面,然后再劃過他制造出來之工件的表面,當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過程中引入改進后的表面粗糙度儀，就實驗的直觀教學功能而言，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，在計量科學中表面質(zhì)量的檢測具有重要的地位。較早人們是用標準樣件或樣塊，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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