水平表面粗糙度检测办法(初稿)2

PAGEPAGEII水平表面粗糙度检测办法摘要表面粗糙度是指零件表面上具有较小间距和微小峰谷所组成的微观几何形状特征。它主要是由机械加工形成的（表面粗糙度、表面波纹度、表面缺陷、表面几何形状）文章中所有括号、字母、数字等都应该是新罗马，不应该是宋体,直接影响机械零件的配合性质，表面的耐磨性、抗腐蚀性、疲劳强度、密封性、导热性及使用寿命。文章中所有括号、字母、数字等都应该是新罗马，不应该是宋体本文对水平表面粗糙度检测办法进行了介绍。首先，对表面粗糙度的概念，产生原因，以及衡量粗糙度的一些参数进行了说明，并且列举了表面粗糙度的检测程序。文章着重介绍表面粗糙度的检测方法，列举了样板比较法，光切法，干涉显微镜法，光学触针法，并对每种方法的检测原理，检测步骤及结果分析进行了详细的论述。文章最后这样的字眼全去掉，在摘要里不用写内容在什么位置介绍了样板比较法在检测铸铁表面粗糙度的应用以及光切法在动态表面粗糙度检测中的应用。这样的字眼全去掉，在摘要里不用写内容在什么位置关键词水平表面粗糙度；样板比较法；光切法；干涉显微镜法；光学触针法宋体宋体

Thesurfaceroughnessdetectmethod每个单词的第一个字母大写每个单词的第一个字母大写AbstractSurfaceroughnessisthedistancebetweenthesurfaceandhasasmallerpeakwhichconsistsoftinymicro-geometrycharacteristics.Itismainlyformedbymachining(surfaceroughness,surfacewaviness,surfacedefects,surfacegeometry),adirectimpactonthenatureofmechanicalcomponentswiththesurfaceofthewearresistance,corrosionresistance,fatiguestrength,tightness,thermalconductivityandusefullife.Thispaperlevelsurfaceroughnesstodetectmethodwereintroduced.Firstofall,onthesurfaceroughness,theconceptofcauses,andhowtomeasureroughnesssomeparameterswereexplained,andenumeratesthesurfaceroughnessoftestprocedures.Thisarticlemainlysurfaceroughnessdetectionmethods,liststheexamplecomparison,lightinterceptmethod,interferencemicroscopemethod,opticaltouchacupuncture,andthedetectionprincipleofeachmethod,detectionprocedureandtheresultsarediscussedindetail.Finally,thearticleintroducesthemodelcomparisonmethodindetectingcastironsurfaceroughnessofapplicationandlightcuttingmethodsindynamicsurfaceroughnessdetectionapplication.KeywordsLevelsurfaceroughnes;Examplecomparison;LightinterceptmethodInterferencemicroscopemethod;Opticaltouchstitches字体颜色不对，清除一下格式重新再设一遍字体颜色不对，清除一下格式重新再设一遍目录摘要 IAbstract II第一章绪论 11.1本文的主要研究目的及意义 11.2表面粗糙度检测办法国内外研究现状 11.3本文的主要内容 2第二章粗糙度简介 32.1表面粗糙度概念 32.2表面粗糙度产生原因 32.3粗糙度基本参数 32.3.1最大粗糙度Ry 32.3.2十点平均粗糙度(RzJIS) 32.3.3算术平均粗糙度Ra 42.4表面粗糙度的检测程序 5第三章水平表面粗糙度检测办法 63.1样板比较法 63.1.1样板比较法简介 63.1.2样块的分类及参数值 83.1.3样块的制造方法 83.1.4样块的表面特征 83.2光切法 83.2.1物镜的选择、安装 93.2.2光带的出现、调整 93.2.3仪器的调整与校验 103.2.4工件的安置与固定 103.2.5正确的调焦与查验 113.2.6合理的定度与取值 113.2.7准确的读数与计算 123.3干涉显微镜法 123.4光学触针法 153.4.1光学触针法简介 153.4.2滤波 163.4.3轮廓仪产品简介 17第四章水平表面粗糙度检测的应用 194.1样板比较法在检测铸造表面粗糙度中应用 194.1.1范围 194.1.2表面特征 194.1.3分类及表面粗糙度参数 194.1.4结构与尺寸 194.2光切法在动态表面粗糙度检测中的应用 204.2.1系统原理及构成 204.2.2系统检测精度的对比实验 214.2.3动态检测实验 224.2.4振动对动态检测影响的实验 224.2.5速度对动态检测影响的实验 23结论 26参考文献 27致谢 28哈尔滨理工大学高等教育自学考试毕业（设计）论文PAGE28第一章绪论1.1本文的主要研究目的及意义随着现代化工业生产的不断发展，对产品的质量提出了越来越高的要求.如既要求产品具有长的和没有麻烦的使用寿命，又要利于能源的再利用和环境保护，保证产品的三个阶段.制造—使用—垃圾/再循环，协调发展.各制造商竞相生产具有优势性的零缺陷产品，以增强其市场的竞争能力，对零件表面的物理和几何性能提出了非常苛刻的要求.这就使仪器制造商生产性能更好、更全面，精度更高的检测设备。在飞速发展的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然会对零件表面粗糙度提出更高的要求，元器件的智能化、小型化、高集成、高密度存储和超快传输等要求材料的尺寸越来越小。零件表面粗糙度无疑是研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象[1]。但是要得到高精度零件，对粗糙度的检测有事必不可少的。在日常生活的水平表面是我们生活中比较常见到的表面，所以对表面粗糙度的检测也就显得更加的重要。本文集中介绍了表面粗糙多检测办法以及这些检测办法的有缺点。1.2表面粗糙度检测办法国内外研究现状从近年来国内外发表的有关粗糙度方面的论文来看，数量成指数地增加.这表明表面粗糙度测量技术的研究一直处于上升趋势，一方面是由于商用仪器(如:STM、AFM新罗马和光学扫描干涉仪等)的发展以及计算机运算能力、控制技术的提高;另一方面是由于尖端技术、国防工业和精密工程等对零件的表面质量提出了越来越高的要求[2]。新罗马最近,国内外在表征和研究表面粗糙度等方面越来越多地使用分形几何理论这一有力的数学工具。研究表明很多种机加工表面呈现出随机性、多尺度性和自仿射性,即具有分形的基本特征,因而使用分形几何来研究表面形貌将是合理地、有效地。确定分形的重要参数有分形维数D和特征长度A,它们可以衡量机加工表面轮廓的不规则性,理论上不随取样长度变化和仪器分辨率变化,并能反映表面形貌本质的特征,能够提供传统的表面粗糙度评定参数(如Ra、Ry、Rz等)所不能提供的信息。美国TopoMetrix公司生产的扫描探针显微镜(SPM)软件体系中,已将分形维数作为评价表面微观形貌的参数之一[3~5]。随着超光滑表面的粗糙度数值接近纳米级甚至埃级，不同测量方法的测量结果不一致性对表面特征的评价影响越来越大。为此，美国国家标准和技术研究院制作了一组尺寸范围从29nm一152新罗马，一下不再指出um的标准台阶高度样块，其‘标准’值取决于本身的实际尺寸.另外还建立了一组高精度标准样块，其尺寸用三种不同的方法校准，如相移干涉显微镜、校准原子力显微镜(C一AFM)和高分辨力的触针式仪器。如果用这些不同的方法测量台阶高度的精确值，能取得好的一致性，则样块台阶高度将作为精密校准的基准[6][7]。新罗马，一下不再指出1.3本文的主要内容表面粗糙度是指零件表面上具有较小间距和微小峰谷所组成的微观几何形状特征，它是评定机器和机械零件量的重要指标之一，是机械零件的生产、加工和验收过程中一项必不可少的质量标准。表面粗糙度的基本参数有最大粗糙度Ry，十点平均粗糙度(RzJIS)，算术平均粗糙度Ra。水平表面粗糙度的检查办法有样板比较法，光切法，干涉显微镜法，光学触针法，并介绍了每种方法的检测原理，结果的分析。最后文章介绍了样板比较法在检测铸铁表面粗糙度的应用以及光切法在动态表面粗糙度检测中的应用。

第二章粗糙度简介2.1表面粗糙度概念表面粗糙度[8]是指零件表面上具有较小间距和微小峰谷所组成的微观几何形状特征。它主要是由机械加工形成的（表面粗糙度、表面波纹度、表面缺陷、表面几何形状）,直接影响机械零件的配合性质，表面的耐磨性、抗腐蚀性、疲劳强度、密封性、导热性及使用寿命[9]。因此，表面粗糙度是评定机器和机械零件量的重要指标之一，是机械零件的生产、加工和验收过程中一项必不可少的质量标准。2.2表面粗糙度产生原因在加工过程中，由于刀具与制件表面之间的摩擦、切削或压制时的塑性变形，以及工艺系统中高频振动等因素的作用，使被加工表面产生微观几何变形[10]。2.3粗糙度基本参数2.3.1最大粗糙度Ry从粗曲线上沿平均线方向选取基准长度“ℓ”,在这部分中的最高峰高度与最低谷深度的和以微米表示的值如图2-1,Ry为：式（2-1）2.3.2十点平均粗糙度(RzJIS)从粗曲线上沿平均线方向选取一段基准长度“ℓ”,在此长度中,分别算图2-1Rp，Rv的值出5个最高峰的平均值Yp和5个最低谷的平均值Yv。然后相加，以微米表示，就得到Rz值：式（2-2）图2-2Yp，Yv示意图如图2-2，Yp1,Yp2,Yp3,Yp4,Yp5:在基准长度“ℓ”内的5个最高峰到中心线距离的和。Yv1,Yv2,Yv3,Yv4,Yv5:在基准长度“ℓ”内的5个最低谷到中心线距离的和。2.3.3算术平均粗糙度Ra从粗曲线上沿平均线方向选取基准长度“ℓ”,把中心线方向看成X轴方向，与其垂直的为Y轴方向。若粗曲线可以由方程y=f(x)表示，则以微米表示的Ra值可以由下面方程求出:式（2-3）图2-3f(x)示意图如图2-3所示，f(x)表示对应的x在y轴上的值。2.4表面粗糙度的检测程序表2-1表面粗糙度检测程序下面表格的线条，是上下两横线为粗线，左右没线为开口，中间的线正常，下同下面表格的线条，是上下两横线为粗线，左右没线为开口，中间的线正常，下同序号测量方法检验程序说明1目测检查当工件表面粗糙度比规定的粗糙度明显的好或不好，不需用更精确的方法检验。工件表面存在着明显影响表面功能的表面缺陷，选择目测法检验判定。2比较检查若用目测检查不能做出判定，可采用视觉或显微镜将被测表面与粗糙度比较样块比较判定。3仪器检查若用粗糙度比较样块比较法不能做出判定，应采用仪器测地：①对不均匀表面，在最有可能出现粗糙度参数极限值的部位上进行测量；②对表面粗糙度均匀的表面，应在几个均布位置上分别测量，至少测量3次；③当给定表面粗糙度参数上限或下限时，应在表面粗糙度参数可能出现最大值或最小值处测量；④表面粗糙度参数注明是最大值的要求时，通常在表面可能出现最大值(如有一个可见的深槽)处，至少测量3次；测量方向：①图样或技术文件中规定测量方向时，按规定方向进行测量；②当图样或技术文件中没有指定方向时，则应在能给出粗糙度参数最大值的方向测量，该方向垂直于被测表面的加工纹理方向；③对无明显加工纹理的表面，测量方向可以是任意的，一般可选择几个方向进行测量，取其最大值为粗糙度参数的数值

第三章水平表面粗糙度检测办法3.1样板比较法3.1.1样板比较法简介以表面粗糙度比较样块工作面上的粗糙度为标准，用视觉法或触觉法与被测表面进行比较，以判定被测表面是否符合规定；用样块进行比较检验时，样块和被测表面的材质、加工方法应尽可能一致；样块比较法简单易行，适合在生产现场使用。适用参数及范围（μm）：直接目测：Ra>2.5；用放大镜：Ra>0.32～0.5；表面粗糙度比较样块是检查加工后工件表面的一种比对量具，它的使用方法是以样块工作面的表面粗糙度为标准，凭触觉(如手摸)或视觉(可借助放大镜、比较显微镜等)与待检查的工件表面进行比对，从而判别被检查表面的表面粗糙度是否合乎要求。这是一种定性的检查工具。在用比较样块对工件表面进行比较时，所选用的样块和被检查工件的加工方法必须相同。同时样块的材料、形状、表面色泽等应尽可能地与被检查工件一致。判断的准则是根据工件加工痕迹的深浅来决定表面粗糙度是否符合图纸(或工艺)要求。当被检查工件表面的加工痕迹深浅程度相当或者小于样块工作面加工痕迹深度时，则被检查工件表面粗糙度一般不大于样块的标记公称值。用比较样块比对的方法虽简便、快速、经济实用，但只能定性测量，无法得到表面粗糙度的定量值。比较法要求检验者具有丰富的实践经验。因此，比较法用于具有一般而不是严格要求的表面粗糙度的零件表面。为了统一比较样块的制造与使用，保证比较样块的精确度和质量要求，我国相继发布了比较样块的国家标准，现分别进行介绍：GB/T2523-1990GB/T2523-1990冷轧薄钢板(带)表面粗糙度测量方法冷轧薄钢板(带)表面粗糙度测量方法GB/T2679.4-1994GB/T2679.4-1994纸和纸板粗糙度的测定法(本特生粗糙度法)纸和纸板粗糙度的测定法(本特生粗糙度法)GB/T2679.9-1993GB/T2679.9-1993纸和纸板粗糙度测定法(印刷表面法)纸和纸板粗糙度测定法(印刷表面法)GB/T6060.1-1997GB/T6060.1-1997表面粗糙度比较样块铸造表面表面粗糙度比较样块铸造表面GB/T6060.2-1985GB/T6060.2-1985表面粗糙度比较样块磨、车、镗、铣、插及刨加工...表面粗糙度比较样块磨、车、镗、铣、插及刨加工表面GB/T6060.3-1986GB/T6060.3-1986表面粗糙度比较样块电火花加工表面表面粗糙度比较样块电火花加工表面GB/T6060.4-1988GB/T6060.4-1988表面粗糙度比较样块抛光加工表面表面粗糙度比较样块抛光加工表面GB/T6060.5-1988GB/T6060.5-1988表面粗糙度比较样块抛(喷)丸、喷砂加工表面表面粗糙度比较样块抛(喷)丸、喷砂加工表面GB/T7220-2004GB/T7220-2004产品几何量技术规范(GPS)表面结构轮廓法表...产品几何量技术规范(GPS)表面结构轮廓法表面粗糙度术语参数测量GB/T11357-1989GB/T11357-1989带轮的材质、表面粗糙度及平衡带轮的材质、表面粗糙度及平衡GB/T12472-2003GB/T12472-2003产品几何量技术规范(GPS)表面结构轮廓法木...产品几何量技术规范(GPS)表面结构轮廓法木制件表面粗糙度参数及其数值GB/T12767-1991GB/T12767-1991粉末冶金制品表面粗糙度参数及其数值粉末冶金制品表面粗糙度参数及其数值GB/T13288-1991GB/T13288-1991涂装前钢材表面粗糙度等维的评定(比较样块法)涂装前钢材表面粗糙度等维的评定(比较样块法)GB/T13841-1992GB/T13841-1992电子陶瓷件表面粗糙度电子陶瓷件表面粗糙度GB/T14234-1993GB/T14234-1993塑料件表面粗糙度塑料件表面粗糙度GB/T14495-1993GB/T14495-1993木制件表面粗糙度比较样块木制件表面粗糙度比较样块GB/T15056-1994GB/T15056-1994铸造表面粗糙度评定方法铸造表面粗糙度评定方法[11]3.1.2样块的分类及参数值铸造表面比较样块按铸造工艺及材质的不同分成两大类共15种。3.1.3样块的制造方法1．样块应按下列方法制造：1)用电铸法复制的表面的阳模；2)用塑料或其他材料复制的表面的阳模；3)直接用表征的合金材质和铸造方法制造的表面。2．复制样块用的原始母模的表面，必须体现要表征的特定铸造金属及合金材质和铸造方法的粗糙度特征的真实铸件表面(允许采用喷丸、喷砂、滚筒清理等适当方法清理)，并且符合规定的表面粗糙度参数值。3.1.4样块的表面特征1．样块表面应呈现它所要表征的特定铸造金属及合金材质和铸造方法产生的铸造表面粗糙度特征，而不应含有表面粗糙度以外的其他表面特征(尽管这些特征可能是实际铸件表面所允许存在的)，如波纹度、缺陷等。2．样块表面的色泽，应是它所表征的特定铸造金属及合金材质铸件表面所能出现的色泽。3.2光切法光切法是应用光切原理测量表面粗糙度的一种测量方法。它所用的仪器是光切显微镜。其调整目的是为了在目镜视场内得到一个真实的清晰的被测表面的像,测量则是为了得到该像微小峰谷距离,计算得到被测表面粗糙度数值。成像质量的好坏,测量取值的准确性将直接影响测量精度。对于操作者来说,了解调整、测量过程申每个环节可能出现的问题是非常重要的,它可以帮助操作者在实际工作中,对每个调整、测量环节提出明确而严格的要求,以保证达到要求的测量精度。3.2.1物镜的选择、安装仪器有4对物镜,每对物镜都有一定的测量范围。物镜选择不当,就会使表面粗糙度和物镜成像深度不相适应,产生较大的焦距误差。对于不同的粗糙度值,物镜的选择可参见表3-1。表3-1物镜的相关参数粗糙度值（μm）相当于光洁度级别物镜放大倍数0.8~1.6960×1.6~3.27~930×3.2~105~714×10~803~57×当测量结果接近高一级放大倍数的物镜测量范围时,则应用高一级放大倍数的物镜进行重测。一般而论,光切显微镜照明物镜和观测物镜是可以互换的,对测量无影响。但有些型号的光切显微镜两物镜光学参数并不一致,应按出厂说明书使用。3.2.2光带的出现、调整量时,先接通电源,把中央臂架上物镜降低到接近被测表面,然后缓缓上升臂架,同时用眼睛观察目镜视场,直至光带出现为止。但在仪器调整、测量过程中常常出现下列问题,需要认真加以对待。1.不出现光带不出现光带的一个原因是忘了接通电源或照明管与观测管和其轴线夹角未调整相等,也可能是物镜焦距没有调整好。 2光带不清晰造成光带不清晰的原因,其一是物镜倍数选得太大,致使成像深度小,其二是使用照明物镜和观测物镜不可互换的光切显微镜时,两物镜位置放错,两物镜焦距不一致。此时应根据被测表面粗糙度值选用相应物镜。3.光带亮度不一致光带亮度不一致,是灯丝和光带像不平行所致。可以调整灯泡位置,使灯泡在照明管中移动,直至光带照明亮度一致。4.光带位移调焦机构的齿轮齿条自锁情况不好,使光管下沉,焦距改变,致使光带不断向某一方向移动俗称“光下沉”。可将两个调焦轮向相反方向拧紧加以消除。5.光带像残缺不全光带像不全,即所谓“像缺”,是由照明管和观测管两轴线不在同一垂直平面内造成的。可卸下物镜重新安装调整,或调整摆动螺丝旁的螺丝。若物镜边缘损坏,应予更换。6.光带不在视场中央由于调焦不准确,使光带在被测面上所成的像不落在焦平面上,引起像的偏移。由于视场边缘相差较大,从而造成测量误差。正确的调焦方法是,先用粗调机构升降臂架,使物镜和工件表面的距离小于物镜焦距,然后一边用细调机构上升臂架,一边观察目镜视野直至视场中央显带像,然后再用微调将光带调至最狭窄,且以下边缘最清晰为准因为光带两边缘不同时位于一物平面,不可能同时清晰。3.2.3仪器的调整与校验1..目镜十字线水平线和光带平行性调整方法是,松开侧微目镜的紧固螺钉,转动测微目镜使目镜中十字线水平线与光带平行且在光带中间,然后固紧测微目镜。2工作台纵向移动轨迹和光带平行性校验的方法是,在已调清晰的光带上认定一个位于目镜十字线水平线附近的标记,使其靠近水平线,转动工作台纵向微分筒,观察此标记的移动轨迹。如果水平5mm使光带像离开水平线的最大距离用目镜千分尺测量时不超过/个分度。此法亦适用于工作台横向位移与光带不平行的情况3.2.4工件的安置与固定根据光切法原理,工件加工痕迹必须和光带垂直。调整的方法是转动工件面而不是旋转工作台,太小的工件不好转动则应放在辅助工作台上。调好后用压板或橡皮泥固定。3.2.5正确的调焦与查验对于圆柱体和圆锥体工件,应在最高母线上对焦。若焦点偏离最高母线,则工件曲率半径越小和偏离值越大,其测量误差也就越大。其表现在于横向移动工作台,焦距变小,目镜视场内的光带向下移。此时应微调物镜使之上升,使光带回到中心位置。再横向移动工作台,直到光带不再向下移时,说明已在最高母线上对焦。对于球形工件,找球形最高点的方法是纵向移动工作台,使弯曲光带和目镜水平线相切于视场中央,横向移动工作台和微量升降臂架,使光带像最清晰。3.2.6合理的定度与取值仪器有4对物镜,从制造和安装的角度要求物镜都满足特定的放大倍数是较困难的,但采用对实际放大倍数实测的方法,求出仪器常数C也就是对仪器进行定度是可行的。仪器定度时,对任一物镜都要用标准刻度(变值为0.01mm）读取千分尺鼓轮移动值a2—a1相应包含标准刻尺格数7n由下式求得千分尺读数鼓轮的刻度值,即仪器常数C：（mm）式（3-1）定度时应注意：1．先定低倍物镜,然后定高倍物镜。低倍物镜标尺易找到,用橡皮泥将其固定在工作台上,换高倍物镜后就不必再找标准尺,只需仔细调焦即可。2.十字线交叉点移动轨迹要尽量平行于光带,为减少误差,应在不同部位测量3次以上的a2—a1值,取其平均值。3读数a2—a1时,需要用目镜内.12345678几个数字,数字“1”代表目镜千分尺的微分筒刻度100小格,“2”代表200小格,以此类推。但对9J型仪器,这些数字看不清。调节微调机构(即光带调节机构),使光带在视野内向上移,就可看清上述数字3.2.7准确的读数与计算正确的取点方法是,用目估法作一测量基线一与轮廓中线相平行后,测目镜分划板十字线水平线尽量调至光带轮廓仁钾线位置上,观察轮廓峰（谷）的图像形貌,以此判断出轮廓峰高点与轮廓谷底点,然后进行瞄准读数。当仪器视场不足一个取样长度或一个评定长度时,不大可能按定义取点计算,在此情况下,需要移动工作台,使被测件测量部位顺次移人视场进行测量。测量Rz时,不可用目镜十字线的水平线同时切几个波峰或波谷,以免读数不准确。为了提高读数准确度,水平线和轮廓象边缘应有一定空隙（约等于水平线宽度的1/2）而不是完全相切。当光带和轮廓像极不规则时,应先用眼估计,使目镜水平线在整个视野范围内与光带的总趋势一致,然后读数。用光切显微镜计算表面粗糙度Rz值时,应考虑不同物镜放大倍数的仪器常数C（测微目镜千分尺刻度值）、光切原理修正系数K1及测微目镜十字线水平线对准方法修正系数K2,这时的计算公式为：式（3-2）第i个峰、谷读数在这之前顶格加一个式中二字在这之前顶格加一个式中二字修正系数C仪器常数使用中,把K1,K2修正系数值考虑进仪器常数C中,把c`=c/2,称为仪器常数是不对的。如仪器厂证书或检定证书给出C=0.062μm,决不能认为仪器常数是0.031μm,。3.3干涉显微镜法干涉显微镜是干涉仪和显微镜的组合，其光学系统图如图3-1所示。将被测件和标准光学镜面相比较，用光波波长衡量工作表面的不平深度。由于光洁度是微观不平深度，所以用显微镜进行高倍放大后再进行观察和测量。光源发出的光束经分光板后分为两束，一束透过分光板、补偿板、显微物镜后射向被测工件的表面，反射后经原路返回至分光板，再在分光板上反射，射向观察目镜。另一束由分光板反射后通过物镜射到标准镜上，反射后再经物镜并透过分光板，也射向观察目镜，它与第一束光线相遇，产生干涉，通过目镜可以看到定位在工件表面上的干涉条纹。如果被测工件的表面上有一凹穴或凸缘，其凹（凸）的深度为t，那么在视场中此凹（凸）部分成像处的干涉条纹也相应弯曲，弯曲量为△N（单位为条纹间隔数量，几个条纹或几分之一个条纹间隔），被测表面的不平深度t与干涉条纹弯曲量△N之间的关系为：t=l2·△N（l为光波波长）。干涉显微镜通过测量视场中干涉条纹的弯曲量，反推出被测工件表面的不平深度。图3-1干涉显微镜光学系统图本检测系统使用上海光学仪器厂生产的6JA型干涉显微镜，并将其目镜部分改为高分辨率的数字CCD摄像头。CCD通过USB接口与计算机连接，将图像实时转换为标准视频信号，显示在计算机屏幕上，供操作者监视、观察。系统软件采用VC++编写，包括视频显示、图像采集、图像处理、数据计算与分析、检测操作界面、检测结果的输出与保存等功能，界面友好，使用方便。本系统对表面粗糙度的检测包括以下步骤：（1）将待测量块放在干涉显微镜的物镜上方，调整干涉显微镜，使得干涉图像最清晰，且干涉条纹呈水平状态，要求视频窗口中包含两条最暗的黑条纹，将调整好的图像采集下来如图3-2所示。（2）干涉图像预处理图4为采集到的原始干涉图像，其中包含各种干扰噪声，必须加以抑制，才能保证测试精度。采用图像处理中常用的均值滤波、低通滤波等技术，即可有效地减少噪声。（3）暗条纹中线判别通过分析干涉图像每一列的灰度分布，即可找出两条暗条纹的中线，两者之差即为干涉带间隔s。图3-2表面粗糙度样块干涉图像（4）干涉条纹边缘轮廓提取为提取暗条纹的边缘，需要对干涉图像进行图像分割处理，也就是要区分图像中的“前景目标”和“背景”，通常又称之为图像的二值化处理。由于分割时所依据的图像特征不同，图像分割的方法有很多种[7,8]。分割干涉条纹图像，比较适合采用p参数法[8]来选取阈值对图像进行二值化处理，p参数法的基本思路是：选择一个阈值，使得前景目标（暗条纹）所占的比例为p，背景（亮条纹）所占的比例为1-p。由干涉图像的特点可知，明暗条纹占整幅图像的比例均为0.5，所以这里p应取0.5。图3-3为提取出来的暗条纹即图3-2中第二条暗条纹上边缘轮廓线。（5）表面粗糙度评定参数计算利用图像处理技术，提取出干涉条纹边缘轮廓线，这样就可以按照定义计算出各种表面粗糙度参数（Ra，Rz，Ry）值，再由干涉显微镜的测量原理，干涉带间隔s对应于l/2的被测表面不平深度，这样就可以标定出单位像素代表长度，从而最终计算出Ra，Rz，Ry的值。图3-3提取出的干涉暗条纹上边缘轮廓线3.4光学触针法3.4.1光学触针法简介光学触针法将激光束聚焦为直径为1～2μm的光点(光触针)后用其照射被测表面,再根据反射光形成的光点的形状和位置来确定表面粗糙度的方法称为光触针测量法。光触针法的纵向放大倍数达100万倍,分辨力在1nm以下。目前,广泛采用的有临界角法、非点像差法和刀口法。除此之外,还有傅科法、SCOOP法等。临界角法、非点像差法和刀口法3种方法中以临界角法的灵敏度最高,但它的测量范围窄;非点像差法对光路中其他元件的像散值要求高,使用不便;刀口法较前2种方法准确度低,但它不需特殊光学元件,结构简单、检测范围宽,并可消除反射光强度不稳定的影响。严慎等人报道了一种基于临界角法的双狭缝式光触针表面轮廓传感器。早在1929年,德国的G.Schmaltz首先对表面微观不平度的参数进行了定量的测量,随后出现了一些基于机械和光学方法实现信号转换的表面特征记录仪器。1936年,美国的E.J.Abbott研制成功第一台车间用的测量表面粗糙度的轮廓仪,它是现在美国Bendix公司测微计分厂生产的表面轮廓仪的先驱。1940年,英国Taylor-Hobson公司研制成功了表面粗糙度测量仪Talysurf。从那时以来,各国也竞相研制轮廓仪,轮廓仪从此进入了表面特征测量领域,并迅速取得了主导地位。轮廓仪技术的发展同电子技术、计算机技术、信号处理技术等发展相适应。以Talysurf系列产品为例,它经历了电子管电路技术(Talysurf3型),晶体管电路技术(Talysurf4型)和集成电路技术(Talysurf5P5Z5L)等阶段,目前已经进入了数字技术、计算机技术辅助轮廓仪的新阶段,如Talysurf5M、Talysurf6型和FormTaly2surf,而每一阶段的转变都使轮廓仪达到了一个更先进的水平。触针式轮廓仪尽管有产生划痕、扫描速度低、测量区域有限等缺点,但它仍是目前最常用、最可靠的表面粗糙度测量仪,并且一直是各国国家标准及国际标准制定的依据。3.4.2滤波表面轮廓中的高频分量是表面粗糙度信号,为了获得该信号,需要对表面轮廓进行高通滤波。在最初的电动轮廓仪中模拟电子滤波器是由两级相同的RC网络级联而成,它的传输特性已标准化,在ISO3274—1975标准中规定,传输系数为:K(λ)=式（3-3）事实上,这样的滤波器是两个完全相同的一阶高通巴特沃斯滤波器的级联。在截止波长处的传输系数为75%,但它的相移是非线性的,会使表面轮廓发生扭曲,即所谓的相位失真。在模拟电路中曾采用一种“全通网络”对其进行校正,但效果不很理想。随着计算机技术在轮廓仪中应用的发展,数字滤波器被引入了表面特征测量系统中。由于当时的国标仍是按模拟滤波器的特性而定义,因此在最初的微机化轮廓仪中,数字滤波器只是将2RC模拟滤波器进行数字化,它的幅频特性是与模拟滤波器一致的。在数字技术中,如果将数据按序列的正常时间次序通过滤波器,然后颠倒序列的时间次序再通过同一滤波器,如图3-4所示,这样等效滤波器的频率特性是实数,就实现了零相位的数字滤波。图3-4零相位滤波器原理对于模拟2RC滤波器和零相位数字滤波器,在截止波长处的增益为75%,而且随着频率的增大,衰减过程比较慢。如果将轮廓信号分别通过粗度滤波器和波度滤波器,将分别得到的粗度信号与波度信号叠加,与原轮廓不符。新的国际标准(ISO/TC57/SCIN129,1990)建议使用高斯滤波器,该滤波器的权函数为:ｈ(t)=Ae-βt2式（3-4）选择合适的参数A和β,可以使高斯滤波器在截止波长处增益为50%,如图3-5所示。将图中高斯滤波器与2RC滤波器进行比较,可以看出高斯滤波器具有对称性,在截止波长附近更陡峭,并且可以实现相位的不失真传输。另外,还有一种三角滤波器,其权函数为:式（3-5）它最重要的特点是简单,常用来作为高斯滤波器的快速近似计算。图3-5高斯滤波器频率响应3.4.3轮廓仪产品简介Taylor-Hobson公司是全球公认的精密计量仪器的创新者和领导者,发明了第一台粗糙度仪和圆度仪,它早期生产的Talysurf5和Talysurf6型轮廓仪80年代在我国各工厂计量室中得到了广泛的应用。目前市场上的FormTalysurfseries轮廓仪以其系列化产品来适应不同检测需要,一般用于计量室,分辨力/量程可达到0.6nm/0.04mm,12.8nm/10mm。另外还有FormTalysurfPlus型粗糙度轮廓仪,它可以用于加工现场。便携式轮廓仪SurfronicDuo体积小,重量轻,可以测量多种被测表面。德国Hommel公司有着120多年精密计量仪器制造的悠久历史,它的轮廓仪产品比较典型的有T500,T2000,T4000和T6000等。T500是便携式无缆线连接的粗糙度仪的代表,测量、控制、显示和传感器集成在一个很小的主机上。T1000是集台式和便携式于一身的多功能粗糙度轮廓仪,它的特点是触头可以旋转90°,可以沿纵向和横向在平面、圆弧面、轴颈和小孔内进行测量。T1000和T500都可以通过打印机即时打印轮廓曲线和测量结果,也可以通过RS232接口与微机联机。T4000和T6000是台式高精度粗糙度测量仪。可以测量几十个粗糙度、波纹度和轮廓参数。配合各种测头可测量各种复杂表面的轮廓及粗糙度,T6000的分辨力可达0.001μm。德国Mahr集团在1973年收购了Perthen公司后,在表面粗糙度测量方面揭开了一个新的篇章。其代表产品M系列便携式粗糙度仪应用十分广泛,有多种选择附件,可实现复杂沟槽的测量。台式粗糙度仪PerthometerS3P,S4P和粗糙度、轮廓、形貌综合测量站Concept都是性能很好的表面粗糙度测量仪。日本Mitutoyo公司的产品Surftest系列分为211/212/301便携式及SU424/SU2624等台式粗糙度测量仪。它的各种专用传感器测头可以适用于各种型号轮廓仪,可测量圆柱、小孔、深孔、刀刃、台阶、深沟、齿面、曲面、窄槽等各种表面。SU424型轮廓仪配以专用表面分析仪,可直接打印,显示轮廓及测量结果。SU2624型轮廓仪则是配有通用计算机和打印机,测量软件功能强大,数字滤波包括2RC275%和Gaussian-50%滤波器,分辨力/量程为5nm/8μm。我国主要的轮廓仪生产厂家有哈量、上量及北京时代公司。哈量的早期产品2201、2202型轮廓仪在国内深受用户好评。近几年与德国Hommel公司合作,推出一系列便携、台式及专用表面粗糙度测量仪。时代公司的TR100,TR200等便携式轮廓仪以其袖珍式外形设计,电箱、驱动箱、传感器及显示部分的高度集成化为特色,尤其适用于在线测量。目前,表面粗糙度的测量方法很多,触针式轮廓仪是应用最方便,最可靠的一种。各粗糙度测量仪的生产厂家在提高台式轮廓仪的分辨力,扩充其测量功能,完善人机界面等的同时,在便携式轮廓仪的研制开发中,充分利用当今微机处理技术,高度集成化电路技术,及机电一体化设计构成了适应在线测量要求的超小型体系结构。另外,专用传感器的研制也是一个重要的发展方向,只更换传感器附件,其它组件共享,就可以测量各种特殊表面。

第四章水平表面粗糙度检测的应用4.1样板比较法在检测铸造表面粗糙度中应用4.1.1范围适用于铸造表面粗糙度比较样块。该样块用于与同他表征的铸造金属及合金和铸造方法相同的，并经过适当方法（例如：喷丸，喷砂，滚筒清理等方法）清理的铸件表面进行比较。它还作为其他特定铸造工艺和铸造表面粗糙度选用的参考依据。4.1.2表面特征样块表面应呈现它所要表征的特定铸造金属及合金材质和铸造方法产生的铸造表面粗糙度特征，而不应含有表面粗糙度以外的其他表面特征（尽管这些特征可能是实际铸件表面所允许存在的），如波纹度、缺陷等。样块表面的色泽，应是它所表征的特定铸造金属及合金材质铸件表面所能出现的色泽。4.1.3分类及表面粗糙度参数样块的分类及表面粗糙度参数公称值应符合表4-1。４.1.4结构与尺寸样块的结构尺寸应便于样块与铸件表面的对比以及对样块本身的检测。样块表面每边的最小尺寸应符合表4-2规定表4-1样块的分类及粗糙度参数值铸型类型砂型类金属型类合金种类钢铁铜铝镁锌铜铝镁锌铸造方法粗糙度公称值砂型铸造壳型铸造熔模铸造砂型铸造壳型铸造砂型铸造砂型铸造砂型铸造砂型铸造金属型铸造压力铸造金属型铸造压力铸造压力铸造压力铸造0.2××0.4×××0.8××※※1.6××※※※3.2×※××××××××※※※※6.3※※×※×××××※※※※※12.5×※※※※※※※※※※※※※※25×※※※※※※※※※※※※※50※※※※※※※※※※100※※※※※※※表4-2样块表面每边最小尺寸表面粗糙度参数公称值样块规格1.66.312.52550100200400Ⅰ型203050Ⅱ型1726Ⅲ型1104.2光切法在动态表面粗糙度检测中的应用4.2.1系统原理及构成光切法是利用光切原理来测量表面粗糙度的方法。如图4-1所示,在光切显微镜中一束平行光带以一定角度α(一般α=45°)投射到被测表面上,光带与表面轮廓相交的曲线影像即是被测表面截面轮廓曲线的反映。表面粗糙度轮廓高度h和横向距离S的计算公式为: 式（4-1） 式（4-2）图4-1光切原理式4-1和4-2中h"、S’分别为显微镜中表面粗糙度轮廓图像的高度和横向距离,V为物镜的放大倍数。该系统构成是将CCD摄像机固定在9J型光切显微镜的相机接口上,CCD摄像机从显微镜中获取表面粗糙度光切图像的视频信号,通过图像采集卡传入计算机中进行处理。应用虚拟仪器开发平台LabVIEW及其视觉应用功能开发出软件程序,利用图像处理技术,如:图像滤波、增强、二值化、边缘检测等,从光切显微图像中提取出表面轮廓信号,再通过信号处理程序计算出多个表面粗糙度评定参数,包括:轮廓最大高度Rz、轮廓算术平均偏差Ra、轮廓均方根偏差Rq、轮廓偏斜度Rsk、轮廓单元平均宽度Sm、轮廓支承长度率Rmr(C)以及轮廓支承长度率曲线等。在图像检测系统中,目标物体的几何参数是用图像像素数来表示的,要使检测系统应用于实际的检测,必须先对系统进行标定,也就是计算出图像中一个像素代表被测物多大的物理尺寸。我们使用显微镜标准刻度尺分别对使用不同放大倍数物镜下的检测系统进行了标定。4.2.2系统检测精度的对比实验将检测系统与触针式仪器进行对比测量实验,以触针式仪器的测量结果为参考标准验证本系统的测量精度。使用多个不同样本进行检测实验的结果列于表4-3,表中每个样本的测量数据分成两行,第一行是TR200测量结果,第二行是本检测系统测量结果。两种方式的检测结果基本相符合,证明该检测系统具有与触针式粗糙度仪相当的精度。受显微镜分辨率限制,检测系统的测量范围是:0.4μm~40μm。表4-3两种方式的测量实验结果对比S/N材料物镜类型取样长度（mm）采样间隔（μm）Ra(μm)Rz(μm)PkSm(μm)1铜2.510.8633.68-0.51277.77X2.4581.610.437.48-0.35262.32铜0.250.5752.66-0.1283.360X0.2870.1870.5583.23-0.1846.363铝0.87.94325.448.76120030X0.850.3697.28630.198.412144.54铝0.80.8044.251.00810060X0.8620.1870.8524.370.99680.155钢0.81.72710.650.42516030X0.850.3691.87310.840.31981.576钢0.80.8424.269-0.06133.360X0.8620.1870.7746.06-0.0492.054.2.3动态检测实验工件样本表面的运动速度和振动的幅度是影响动态检测的主要因素,因此,对检测系统的速度和振动的适应性进行了实验分析。利用电机驱动的转动机构驱动被测工件样本(直径R=30mm)旋转,用光电转速仪测量样本表面的转速,同时检测系统对样本的表面粗糙度进行动态检测;转动机构的转速可在0~3500rpm范围内调节,而工件在转动机构驱动下的振动幅度可达到约80μm。4.2.4振动对动态检测影响的实验在光切显微镜中分别使用放大倍数最小和最大的7X、60X物镜进行动态检测实验。从实验中发现,当使用60X物镜时,样本表面的振动使得光带图像跳动过大而难以实现动态检测;而当使用7X物镜时,在同样的动态条件下,检测系统对样本表面的振动并不敏感,能够获得效果较理想的图像实现动态检测。原因是光学成像系统有一定的景深范围,在动态检测的情况下,样本表面的振动使得物距是不断变化的,当物距的变化超出了景深的范围后,光学系统将难以形成清晰的图像。显微镜景深的计算公式为:式（4-3）式中n为物镜物方媒质折射率(在空气中n=1),λ是物镜中光的波长,N.A.为物镜的数值孔径,Г为物镜放大倍数。当显微镜所用物镜的放大倍数Г越大,数值孔径N.A.也越大,显微镜的景深会越小,对检测表面的振动会越敏感。在本图像检测系统中,进入显微镜物镜中的光带是绿光,波长约为540nm,而数值孔径N.A.通常被标注在物镜外壳上(7X物镜为0.1,60X物镜为0.55),根据公式4-3可以计算出显微镜在7X、60X物镜中的景深分别为1176.4μm、4.5μm。由此可以解释实验现象:因为工件在转动机构驱动下的振动幅度达到约80μm,在使用60X物镜时,振动幅度已远超出景深,故难以形成清晰图像;而在使用7X物镜时,振动没有超出景深,故仍然可以获得效果较好的图像。4.2.5速度对动态检测影响的实验假设在动态检测时被测表面的振动幅度没有超出景深,则被测表面的速度在使用不同放大倍数物镜时对动态检测的影响是相同的,因此,可以只使用7X物镜进行实验。在实验中,调节转动机构产生不同的转速,用光电测速仪测量出相应的转速值,用检测系统的摄像装置获得在该转速下的表面粗糙度光切图像,再经过软件程序处理得出检测结果。如图4-2所示,是在几种转速下获得的图像。当转速约在0~500rpm范围内时,所获得的动态图像与静态图像比较接近,区别主要在于动态时获得图像的位置与静态时的不同。当转速约在500~2000rpm范围内时,随着速度的增加,所获得的图像逐渐出现重叠,原因是摄像装置的快门速度相对滞后,使得样本在转动过程中表面多个位置的光带图像同时出现在同一幅图像中。然而,观察图像的