表面粗糙度儀的工作原理表面質(zhì)量的特性及應(yīng)用

　　表面粗糙度儀的工作原理表面質(zhì)量的特性是零件zui重要的特性之一，在計(jì)量科學(xué)中表面質(zhì)量的檢測具有重要的地位,。zui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(jìn)行了定量測量,。1936年美國的艾卜特（e.j.abbott）研制成功*臺(tái)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,，而測量迅速方便、測值精度較高,、應(yīng)用的就是采用針描法原理的表面粗糙度測量儀,。
　　
　　將詳細(xì)討論表面粗糙度測量儀的原理及其改進(jìn)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(shí),，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(dòng),，把這種移通過電子裝置把信號(hào)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(dòng)器,、指零表、記錄器和工作臺(tái)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(shí)將觸針搭在工件上，與被測表面垂直接觸,，利用驅(qū)動(dòng)器以一定的速度拖動(dòng)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(shí),，將產(chǎn)生上下移動(dòng),。此運(yùn)動(dòng)經(jīng)支點(diǎn)使磁芯同步地上下運(yùn)動(dòng)，從而使包圍在磁芯外面的兩個(gè)差動(dòng)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(gè)和觸針上下的位移量成正比的信號(hào),，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(hào),。此后,，將信號(hào)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(dòng)記錄器進(jìn)行記錄；另一路經(jīng)濾波和平均表放大器放大之后,，進(jìn)入積分計(jì)算器,，進(jìn)行積分計(jì)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(dòng)電感線圈中所處的位置,。當(dāng)鐵芯處于差動(dòng)電感線圈的中間位置時(shí)，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(hào),，如電氣元件的噪聲所引起的虛假信號(hào),。大量的測試表明，高于400hz的信號(hào)即不是被測表面粗糙度所引的信號(hào),，必須從總信號(hào)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(hào)順利通過,，而將400hz以上的高頻信號(hào)迅速衰減,，從而達(dá)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(gè)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(hào)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(hào),，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(diǎn)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(jì)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(hào)的儀器還可測定更小的參數(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,。測量迅速方便,，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(gè)方面的不足：
　　
　?。?/span>1）測量參數(shù)較少,，一般僅能測出ra、rz,、ry等少量參數(shù)；
　　
　?。?/span>2）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,；
　　
　?。?/span>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）測量結(jié)果的輸出不直觀,。造成上述幾個(gè)方面不足的主要原因是：系統(tǒng)的可靠性不高,，模擬信號(hào)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(jìn)
　　
　　3.1傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的改進(jìn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)對其進(jìn)行改進(jìn),。例如，英國蘭克精密機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng),，使其性能較之傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀有極大的提高,。
　　
　　其基本原理如圖4所示，從相敏整流輸出的模擬信號(hào),，經(jīng)過放大及電平轉(zhuǎn)換之后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，計(jì)算機(jī)自動(dòng)地將其采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波和計(jì)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)對傳統(tǒng)的表面粗糙度測量儀進(jìn)行改進(jìn)，就要編制相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件,，zui*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(jìn)后的表面粗糙度測量儀的功能及使用效果由于采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)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(dá)二十六個(gè),，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(jī)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更為準(zhǔn)確,，且不會(huì)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(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程中引入改進(jìn)后的表面粗糙度儀,，就實(shí)驗(yàn)的直觀教學(xué)功能而言，也很有意義,。改進(jìn)后的電動(dòng)輸廓儀,，通過計(jì)算機(jī)軟件與硬件的結(jié)合（尤其是軟件）大大加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)過程的直觀性，這體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
　　
　?。?/span>1）整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程非常直觀地通過軟件的各級菜單進(jìn)行控制,。操作簡單、一目了然,。
　　
　?。?/span>2）輸入與顯示同步，即在測量進(jìn)行過程的同時(shí),，觸針在被測表面上滑行的軌跡動(dòng)態(tài)地顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上,。
　　
　　（3）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(jī)或繪圖儀上。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(shí)驗(yàn)方法所不具備的,。它在得到正確的測量結(jié)果的同時(shí)，還充分運(yùn)用了直觀教學(xué)的原理,，幫助學(xué)生加深對表面粗糙度的概念及其各種參數(shù)的直觀理解,。
　　
　　4結(jié)束語
　　
　　（1）傳統(tǒng)的表面粗糙度測量儀由傳感器,、驅(qū)動(dòng)器,、指零表,、記錄器和工作臺(tái)等主要部件組成，從輸入到輸出全過程均為模擬信號(hào),。而在傳統(tǒng)的表面粗糙度測量儀的基礎(chǔ)上,，采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對其進(jìn)行改進(jìn)后，通過模-數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理,，使得儀器在測量參數(shù)的數(shù)量,、測量精度、測量方式的靈活性,、測量結(jié)果輸出的直觀性等方面有了極大的提高,。
　　
　　（2）從前面的分析知,，整個(gè)改進(jìn)方案并不復(fù)雜,，因此對于目前仍廣泛使用的傳統(tǒng)的表面粗糙度測量儀的改進(jìn)具有一定的意義。
　　
　?。?/span>3）隨著電子技術(shù)的進(jìn)步,，某些型號(hào)的表面粗糙度儀還可將表面粗糙度的凹凸不平作三維處理，測量時(shí)在相互平行的多個(gè)截面上進(jìn)行,，通過模-數(shù)變換器，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,，記錄其三維放大圖形，并求出等高線圖形,，從而更加合理的評定被測面的表面粗糙度,。