粗糙度测量方法和对照表.pdf

第 2 6卷第 5期 2 0 0 4 年 1 O月 光学仪器 oPTI CAL I NS TRUM ENTS Vo 1 2 6 No 5 Oc t o b e r 2 0 0 4 文章编号 1 0 0 5 5 6 3 0 2 0 0 4 0 4 0 0 5 4 0 5 表面粗糙度测量方法综述 刘 斌 冯其波 匡萃 方 北京交通大学理学院 北京 1 O O O 4 4 摘要 表面粗糙度是机械加工中描述表面微观形貌非常重要的一个参数 表面粗糙度 测量技术是现 代精 密测试 计量技 术的一个 重要 组成部分 综 述 了接 触式和非接触 式两类测 量方法 着重介绍 了非接触 式测量 中的几种测 量方法 的测量 原理及其优缺点 关键词 表面粗糙度 接触式测量 非接触式测量 中图分类号 T G8 4 T H7 4 文献标识码 A S u r v e y o f me a s u r e me n t me t h o d s f o r s u r f a c e r o u g h n e s s LI U Bi n FENG Qi b o KUANG Cu i 一 n g De p a r t me n t o f Ph y s i c s B e i j i n g J i a o t o n g Un i v e r s i t y B e i j i n g 1 0 0 0 4 4 Ch i n a Ab s t r a c t S u r f a c e r o u g h n e s s i s a n i mp o r t a n t p a r a me t e r t o r e f l e c t t h e mi c r o g e o me t r y i n ma c h i n e p r o c e s s a n d a l s o a n i mp o r t a n t p a r t o f mo d e r n p r e c i s e me a s u r e me n t t e c h n i q u e C o n t a c t me a s u r e me n t a n d n o n c o n t a c t me a s u r e me n t wa s s u mma r i z e d i n t h i s p a p e r a n d t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s a r e d i s u c s s e d So me i d e a s a b o u t i t S t r e n d a r e g i v e n i n t h e e n d Ke y wo r d s s u r f a c e r o u g h n e s s c o n t a c t me s u r e me n t n o n c o n t a c t me a s u r e me n t 1 引言 表面粗糙度是机械加工中描述表面微观形貌最常用的参数 它反映的是机械零件表面的微观几何形 状误差 随着机械加工行业的发展表面粗糙度测量技术也得到长足进步 特别是 7 o 年代中后期 随着微电 子计算机应用的逐步普及和现代光学技术 激光应用技术的发展 使粗糙度测量技术在机械加工 光学加 工 电子加工等精密加工行业中的地位显得愈发重要 表面粗糙度的测量方法基本上可分为接触式测量和非接触式测量两类 在接触式测量中主要有 比较 法 印模法 触针法 等 非接触测量方式中常用的有光切法 实时全息法I s 散斑法 z 3 s t 像散 测定法 光外差法 叫 AF MC 光学传感器法 等 下面就接触式和非接触式两类测量方法分别 作介绍与讨论 2 接触式测量 接触式测量就是测量装置的探测部分直接接触被测表面 能够直观地反映被测表面的信息 但是这类 方法不适于那些易磨损刚性强度高的表面 收稿日期 2 0 0 3 1 2 0 8 作者简介 刘斌 1 9 7 9 一 男 河北沧州人 硕士研究生 从事光电检测方面的研究 维普资讯 第 5期 刘 斌等 表面粗糙度测量方法综述 5 5 2 1比较法 比较法是车间常用的方法 将被测表面对照粗糙度样板 用手摸靠感觉来判断被加工表面的粗糙度 也可用肉眼或借助于放大镜 比较显微镜比较 比较法一般只用于粗糙度评定参数值较大的情况下 而且 容易产生较大的误差 2 2 印模法 利用某些塑性材料作块状印模 贴合在被测表面上 取下后在印模上存有被测表面的轮廓形状 然后 对印模的表面进行测量 得出原来零件的表面精糙度 对于某些大型零件的内表面不便使用仪器测量 可 用印模法来间接测量 但这种方法的测量精度不高且过程繁琐 2 3 触 针法 触针法又称针描法 它是将一个很尖的触针 半径可以做到微米量级的金刚石针尖 垂直安置在被测 表面上作横向移动 触针将随着被测表面轮廓形状作垂直起伏运动 将这种微小位移通过电路转换成电 信号并加以放大和运算处理 即可得到工作表面粗糙度参数值 主要分为电感式 压电式 感应式等 1 5 几 种 这种仪器稳定性好 示数客观可靠 使用方便等优点 其垂直分辨力最高可达到几纳米 这种方法也有无法克服的缺点 首先 这种方法所测出的表面轮廓信息及触针圆心的移动轨迹 从理 论上分析 只有当触针的尖端圆半径等于零时 触针的运动才能正确地反映被测表面的实际轮廓曲线 但 是针尖尺寸过小 不仅会划伤被测表面 触针本身也容易磨损 而且还将影响测量效率和测量速度 其次 测量力大小的控制 既要保证测头与表面始终保持接触 又不能因此划伤工件表面和磨损测头 因此 在高 精密表面如光盘 磁盘检测领域 触针式仪器的实用受到限制 提出了高精度 非接触测量的要求 3 非接触式测量 c I 高 维普资讯 5 6 光学仪器 第 2 6卷 光源具有 良好的空间与时间相干性的条件时得出的对比度与表面粗糙度的关系式 实际应用中 在表面粗 糙度的均方根值在 0 0 5 m 0 8 m范围时 式 1 有较高的准确度 由于实时法是一种单波长的测量 其 缺点是粗糙度的均方根值 必须小于所采用的波长 这样就限制了这种方法的适用范围 为了克服这个缺 点 文献1 6 3 提出了双波长全息干涉术 t w o wa v e l e n g t h h o l o g r a p h i c i n t e r f e r o m e t r y 称简 T WHI 它是实 时法的一种扩展形式 由于双波长全息干涉术利用激光器发出两个或两个以上不同的波长对物体拍摄全 息干涉图 相当于用一个等效波长 J 一 J 对物体进行干涉测量 故扩大了测量范围 图 1实时全 思 法原 理 3 3 散 斑法 测量原理如图 2 有单模半导体激光器 L 发出的光束经透镜发散 由分光镜 s分成两路 一路照射被 测表 面 o 另一路通过 S射到平面反 射镜 M 返 回 作为参考 光与被测表面返 回的散射光重 新在 S汇合发 生干涉 采用 C C D摄像机记录干涉图样 并存储到计算机中 参考镜 M 与一个压 电陶瓷 P z T 相连 P Z T 由计算机控制 能使参考镜 M 产生 个微小位移 将发生变化 由于相位差是与轮廓深度 即光程 差 对应的 因此可根据 确定各点的粗糙度 激光散班图一般反映了被激光照射表面的微观结构情况 但要从中直接得出表面参数的信息是非常 困难的 特别在用单色光照明粗糙表面时 由于非常粗糙表面所形成的散斑并不完全由粗糙度决定 因此 用散斑测量表面粗糙度时 只在一定的范围内合适 在某些情况下 由于表面过于光滑而无法用电子散斑 干涉仪进行测量 而有时也有可能由于表面过于粗糙而无法测量 故此时可用银灰色的喷漆作为辅助手 段 其形状差条纹的灵敏度可高达 1 0 m 图 2 散斑干涉测量光 0 图 3 像散法的测量原理 Z Z 3 4 像 散测定法 图 3 为其测量原理 物体表面上被照射着的光 B通过物镜成像于位置 Q 当光点与物镜距离 光轴 方向 变到A或者C时 则成像位置也会分别移至P 或 S x 若从处于中间并垂直于光轴的面上来观察其 光束 就可发现光束的直径也随之变化 也就是可以检测光束直径的变化量来判断成像的位置 在物镜后 面插入一块只能在 y轴方向聚束的柱面透镜 y轴方面的成像将往前移至 P y Q y S y 以后光束便发散 由于 x轴 y轴方向上成像位置的不同 光束成椭圆状 如图 4 所示 故光点远离物镜时 则为长轴在 y轴 上的椭圆 相反 靠近物镜时 则为长轴在 x 轴上的椭圆 用象限光电探测器 四等分光电二极管 作传感 维普资讯 第 5 期 刘 斌等 表面粗糙度测量方法综述 5 7 器 光束经光电转换后再放大和计算 可获得与被测表面微小变位量相对应的输出信号 这种方法分辨力 可达到纳米级别 但测量范围较小 3 5 光外差干涉法 常见的干涉显微镜分两种形式 我国这两种形式的产品型号分别为 6 J 和 6 J A型 如上海光学仪器厂 生产的 6 J A J B S 光外差干涉法就是在此基础上提出的一种新方法 图 5是光外差法的原理图 由He Ne 激光器 1 发出的激光被分光镜 2 分成两路 一路透射经声光调 制器 3 一级衍射光频率增加 f z 一4 0 MH z 经反射镜 4扩束系统 8 由透镜会聚到物镜 1 4的后焦点上 经 1 4 后成为平行光照射到被测面 1 5上 作为参考光束 另一路由分光镜 2反射经声光调制器 5 一级衍射光 频增加 f l 一4 1 MHz 经反射镜 6 扩束系统 7 分光镜 1 2 由物镜 1 4 会聚在样品表面 作为测量光束 测量光 斑的大小由物镜 1 4的参数决定 Y Y Y A B C A 一 光点与物 B 一光点在焦点上 C一光点与物 镜距离远镜距离近 图 4 象 限光 电探 测器 成像 图形 图 5 外 差干 涉式 测 量原理 透过分光镜 1 2的测量光束与被分光镜 1 2反射的参考光束产生拍波 由探测器 1 3 接收 产生参考信 号 而从被测面返 回的两束光由分光镜 1 0 反射进入探测器 1 2 产生测量信号 将探测器 l 1 1 3 接收到的 测量与参考信号送入相位计进行 比相 于是可测得表面轮廓高度值 从理论推导中可以看到 干涉仪二臂 不共路部分的相位差通过 比相 其影响被消除 这对提高仪器的抗干扰能力 提高信噪比十分有利 该测量 装置的缺点是用了两个价格昂贵的声光调制器 不利于产品化 3 6 AF M 法 AF M 的工作原理如图 6 所示 当将一个对微弱力极其敏感的微悬臂一端固定 另一端带有一微小探 针 约 1 0 n m 接近被测试样至纳米级距离范围时 根据量子力学理论 在这个微小间隙内由于针尖尖端原 子与样品表面原子间产生极微弱的原子排斥力 由驱动控制系统控制 x y z三维压电陶瓷微位移工作 台带动其上的被测样品逼近探针并使探针相对扫描被测样品 通过在扫描时控制该原子力的恒定 带有针 尖的微悬臂在扫描被测样品时由于受针尖与样品表面原子间的作用力的作用而在垂直于样品表面的方向 起伏运动 利用微悬臂弯曲检测系统可测得微悬臂对应于各扫描点位置的弯曲变化 从而可以获得样品表 面形貌的三维信息 其高度方向和水平方向的分辨力可分别达到 0 1 n m和 l n m 图 6 AF M 工作原理图 3 7 光学传感器法 光学传感器法是在光学三角测距法的原理上提 出来的 其工作原理如图 7 所示 装置主要有两部分构 成 有两个位置敏感探测器 P S D 和激光器组成的对称三角测距器及两个光电二极管组成的光传感器 由 维普资讯 5 8 光学仪器 第 2 6卷 P S D探测到携带被测物体表面信息的光信号 输出两路信号 T d 和 S 光 电二极管探测到的光信号后输 出一路模拟电压信号 s z 然后利用 P S D和光 电二极管探测到的信号与被测物表面粗糙度的关系就可以 确定被测物体表面的粗糙度 该方法采用技术较成熟的光学三角法 比较容易实现 但是测量精度不高 激光光源 图 7光 学传 感器 法 4 表面粗糙度测量的发展趋势 现代科技和生产的许多领域对表面的质量提 出了更高的要求 一方面现有的常规检测方法不能满足 测量精度的要求 特别是纳米技术的出现相应地提高了对表面粗糙度测量精度的要求 另一方面 复杂立 体形状加工技术的发展也对三维表面粗糙度测量的发展提出了新的要求 电子技术 计算机技术及精密加 工技术的发展为表面粗糙度测量的发展提供了技术基础 2 0 世纪 8 0 年代出现的原子力显微镜 A F M 扫描隧道显微镜 s T M 扫描近场光学显微镜 s N OM 光子扫描隧道显微镜 P s T M 等 用于表面粗糙 度的测量是一个很有希望的方向 此外 在科学和生产的许多领域 以往的加工后抽样测量 已经不能满足 要求 这就需要有能够实现在线测量的测量方法 因此 超高精表面的高精度测量 三维表面粗糙度测量及 在线实时测量是粗糙度测量发展的主要方向 5 参考文献 1 计量测试技术手册编辑委员会 计量测试技术手册 I g二卷几何量 M 北京 中国计量出版社 1 9 9 7 2 李岩 花国粱 精密测量技术 M 北京 中国计量出版社 2 0 0 1 3 P r a mo d K Op t i c a l Me a s u r e m e n t T e c h n i q u e s a n d Ap p l i c a t i o n s M L o n d o n A r t e c h H o u s e 1 9 9 7 4 维斯特 C M 全息干涉计量学 M 北京 机械工业出版社 1 9 8 4 5 熊秉衡 王正荣 实时全息干涉计量术的发展近况和趋势 J 激光杂志 1 9 9 9 2 0 3 3 7 6 3 张晓青 施涌潮 双波长全息干涉术的实验研究 J 宇航计测技术 2 0 0 1 2 2 2 1 5 7 3 Hi l d e b r a n d B P H a i n e s K A Mu l t i p l e w a v e l e n g t h a n d mu l t i p l e s o u r c e h o l o g r a p h y a p p l i e d t o c o n e r a t i o n J op t S o c A e r 1 9 6 7 5 7 7 9 1 5 5 1 6 2 8 C h u r c h E L J e n k i n s o n H A Z a r a d a J M R e l a t i o n s h i p b e t we e n s u r f a c e s c a t t e r i n g a n d mi c r o t o p o g r a p h i c f e a t u r e s J O p t i c a l En g i n e e r i n g 1 9 7 9 1 8 2 1 2 5 1 3 6 9 3 L e e n d e r t z J A 1 n t e r f e r o me t r i c d i s p l a c e m e n t m e a s u r e me n t o n s c a t t e r i n g s u r f a c e s u t i l i z i n g s p e c k l e e f f e c t J P h y s E S c i e n t i f i c I n s t r 1 9 7 0 3 2 1 4 21 8 1 0 3 徐静芬 徐金武译 表面粗糙度的像散检定法 J 机械 工具 1 9 8 7 3 1 1 1 2 7 3 2 1 1 T r u mp o l dG I n t e r f e r e n c e me t h o d o f me a s u r i n gt h e r o u g h n e s s o f a s u r f a c e J m e 7 从 1 9 7 1 8 3 4 3 6 1 2 3 V r y U F e r c h e r A F H