从哪些方面我们能全面了解粗糙度仪

时间：2015-04-12

从粗糙度仪器上,我们多可获得工件表面不规则状况的放大结果,而此一结果常被称为"表面轮廓图"(surface profile)。当仪器的尖笔正沿着工件表面进行扫描时,其垂直方向的运动乃可被放大而被绘制下来,且在同时,我们亦可直接自仪器上读出在该处工件表面上的表面粗度算术平均值究竟为多少。

在1930年以前,这完全是要凭触觉来建立标准。检验时必须使用一系列具有不同粗度的试片,工厂人员在使用这些试片时,先用他的手指甲划过标准的试片表面,然后再划过他制造出来之工件的表面,当感觉这两个表面具有相同的粗度时,则工件表面便被认为足够光滑了。在表面密封、滚珠轴承、齿轮、凸轮或轴颈等应用场合,表面光度对于设备的功能能否发挥影响很大,有人发现,设备的性能与对数的表面光度值成线性的变化关系。

也就是说,要使性能提高一倍时,平均的波峰到波谷的粗度值必须减低十倍。于是乎,对表面粗糙度量化的要求也就产生了。

表面轮廓断面曲线中,包含了粗糙度曲线与波浪起伏的曲线(图 1),一般说来波浪起伏的曲线是属于轮廓量测的范围,其值远大于表面粗糙度之值(有关轮廓量测请参阅*六章),但也有将表面轮廓断面两种曲线分开或合并考虑的作法,因此也就有了各种表面粗糙度之定义,如表 1.

尽管各种表面粗糙度之定义有那么多,一般表面粗糙度之表示法只有下列三种:Ra(中心线平均粗糙度)、Rymax(较大高度粗糙度)、Rtm (十点平均粗糙度),现分述如下:

1. Ra :中心线平均粗糙度

若从加工面之粗糙曲线上,截取一段测量长度L(图 2) ,并以该长度内粗糙深之中心线为x轴,取中心线之垂直线为y轴,则粗糙曲线可用y = f(x)表之。以中心线为基准将下方曲线反折。然后计算中心线上方经反折后之全部曲线所涵盖面积, 再以测量长度除之。所得数值以μm为单位, 即为该加工面测量长度范围内之中心线平均粗糙度值, 中心线方向细分单位等间隔后取各分段点所对应之 hi 值,

中心线在表面具有曲度或形状误差时,则成曲线,粗糙度沿此曲线量取。测量长度限于量具大小而无法涵盖整个机件表面,因此,一次量取求得之Ra 只是表面某部分的中心线平均粗糙度,故应在被测物表面多选几个不同的位置测量,将全部测得之Ra取其算术平均值则为表面的中心线平均粗糙度。

2. Rymax :较大高度粗糙度

由表面曲线上截取基准长度L做为测量长度,如图所示,自该长度内曲线之较高点与较低点,分别画出与曲线平均线平行之线时,该二线之间距即为较大粗糙度,也就是测量长度内沿垂直方向量取较高点与较低点之距离。Rymax 值以μm 为单位,并在数值后加上小写字母s以区分 Rymax 值。若由粗糙曲在线截取基准长度L做为测量长度,则量测之值亦称为较大高度粗糙度,但符号改为 Rt , 使用时须注意。

Rtm :十点平均粗糙度

3. Rtm :十点平均粗糙度

由表面曲线上截取基准长度L做为测量长度,求出*三高波峰与*三深波谷 ,分别画出二条并行线,两并行线间距即为十点平均粗糙度值Rz其值以μm为单位,并在数值后加上小写字母z以区别另两种粗糙度。三种粗糙度数值间之关系约为:4 Ra Rymax Rtm

1 传统表面粗糙度测量仪的工作原理

1.1 仪器的工作原理

采用针描法原理的表面粗糙度测量仪由传感器、驱动器、指零表、记录器和工作台等主要部件组成。

传感器的线圈与测量线路是直接接入平衡电桥的，线圈电感量的变化使电桥失去平衡，于是就输出一个和触针上下的位移量成正比的信号，经电子装置将这一微弱电量的变化放大、相敏检波后，获得能表示触针位移量大小和方向的信号。此后，将信号分成三路：一路加到指零表上，以表示触针的位置，一路输至直流功率放大器，放大后推动记录器进行记录；另一路经滤波和平均表放大器放大之后，进入积分计算器，进行积分计算，即可由指示表直接读出表面粗糙度Ra值。

指零表的作用反映铁芯在差动电感线圈中所处的位置。当铁芯处于差动电感线圈的中间位置时，指零表指针指示出零位，即保证处于电感变化的线性范围之内。所以，在测量之前，必须调整指零表，使其处于零位。噪声滤波的目的在于剔除一些干扰信号，如电气元件的噪声所引起的虚假信号。大量的测试表明，** 400Hz的信号即不是被测表面粗糙度所引的信号，必须从总信号中加以剔除。所以噪声滤波器是一种低通（低频能通过）滤波器，它使400Hz以下的低频信号*，而将400Hz以上的高频信号*衰减，从而达到滤波的目的。波度滤波的目的则是用以滤掉距大于取样长度的波度，因此它是一个高通（高频能通过）滤波器，使表面粗糙度所引起的高频（相对于波度引起的低频而言）信号能自由通过。

经过噪声滤波和波度滤波以后，剩下来的就是与被测表面粗糙度成比例的信号，再经平均表放大器后，所输出的电流I与被测表面轮廓各点偏离中线的高度y的**值成正比，然后经积分器完成的积计算，得出Ra值，由指零表显示出来。

这种仪器适用于测定0.02-10μm的Ra值，其中有少数型号的仪器还可测定更小的参数值，仪器配有各种附件，以适应平面、内外圆柱面、圆锥面、球面、曲面、以及小孔、沟槽等形状的工件表面测量。测量*方便，测值精度高。

1.2 针描法

针描法又称触针法。当触针直接在工件被测表面上轻轻划过时，由于被测表面轮廓峰谷起伏，触针将在垂直于被测轮廓表面方向上产生上下移动，把这种移通过电子装置把信号加以放大，然后通过指零表或其它输出装置将有关粗糙度的数据或图形输出来。

2 传统表面粗糙度测量仪的不足

传统表面粗糙度测量仪存在以下几个方面的不足：

（1）测量结果的输出不直观。

（2）测量参数较少，一般仅能测出Ra、Rz、Ry等少量参数；

（3）测量方式不灵活，例如：评定长度的选取，滤波器的选择等；

（4）测量精度较低，测量范围较小，Ra值的范围一般为0.02-10μm左右；

造成上述几个方面不足的主要原因是：系统的可靠性不高，模拟信号的误差较大且不便于处理等。

3 对传统表面粗糙度测量仪的改进

3.1 传统表面粗糙度测量仪的改进方案

为了克服传统表面粗糙度测量仪的不足，应该采用计算机系统对其进行改进。例如，英国兰克精密机械有限公司制造的“泰吕塞夫（TALYSURF）”10型和我国哈尔滨量具刃具厂制造的2205型表面粗糙度测量仪就采用了计算机系统，使其性能较之传统表面粗糙度测量仪有较大的提高。其基本原理如图4所示，从相敏整流输出的模拟信号，经过放大及电平转换之后进入数据采集系统，计算机自动地将其采集的数据进行数字滤波和计算，得到测量结果，测量结果及轮廓图形在显示器显示或打印输出。

要采用计算机系统对传统的表面粗糙度测量仪进行改进，就要编制相应的计算机软件，较好采用比较直观的菜单形式。可以按如图5所示的菜单使用流程图编制软件：

3.2 改进后的天津粗糙度测量仪的功能及使用效果

由于采用计算机系统，将模拟信号转换为数字信号进行灵活的处理，显著地提高了系统的可靠性，所以既大大增加了测量参数的数量，又提高了测量精度。例如：哈尔滨量具刃具厂制造的2205型表面粗糙度测量仪的测量参数多达二十六个，测量范围为0.001～50μm，可任选1～5倍的取样长度作为评定长度，测量结果及图形在显示器、打印机或绘图仪上非常直观地输出来。它还采用了较为先选的可选择的数字滤波器，它与模拟滤波器相比其特性更为准确，且不会有元器件参数误差带来的影响。

另一方面，若在表面粗糙度仪测量实验的教学过程中引入改进后的表面粗糙度仪，就实验的直观教学功能而言，也很有意义。改进后的电动输廓仪，通过计算机软件与硬件的结合（尤其是软件）大大加强了实验过程的直观性，这体现在以下几个方面：

（1）测量结果及相关图形能非常直观地、准确地输出在显示器、打印机或绘图仪上。

（2）整个实验过程非常直观地通过软件的各级菜单进行控制。操作简单、一目了然。

（3）输入与显示同步，即在测量进行过程的同时，触针在被测表面上滑行的轨迹动态地显示在计算机屏幕上。

很显然，以上这些直观的教学效果是其它传统的表面粗糙度测量实验方法所不具备的。它在得到正确的测量结果的同时，还充分运用了直观教学的原理。

表面粗糙度仪的工作原理表面质量的特性是零件较重要的特性之一，在计量科学中表面质量的检测具有重要的地位。较早人们是用标准样件或样块，通过肉眼观察或用手触摸，对表面粗糙度做出定性的综合评定。

1929年德国的施马尔茨（g.schmalz）首先对表面微观不平度的深度进行了定量测量。1936年美国的艾卜特（e.j.abbott）研制成功**台车间用的测量表面粗糙度的轮廓仪。1940年英国taylor-hobson公司研制成功表面粗糙度测量仪 “泰吕塞夫（talysurf）”。以后，各国又相继研制出多种测量表面粗糙度的仪器。目前，测量表面粗糙度常用的方法有：比较法、光切法、干涉法、针描法和印模法等，而测量*方便、测值精度较高、应用较为广泛的就是采用针描法原理的表面粗糙度测量仪。

本文将详细讨论表面粗糙度测量仪的原理及其改进方案。

1 传统表面粗糙度测量仪的工作原理

1.1 针描法针描法又称触针法。

当触针直接在工件被测表面上轻轻划过时，由于被测表面轮廓峰谷起伏，触针将在垂直于被测轮廓表面方向上产生上下移动，把这种移通过电子装置把信号加以放大，然后通过指零表或其它输出装置将有关粗糙度的数据或图形输出来。

1.2 仪器的工作原理采用针描法原理的表面粗糙度测量仪由传感器、驱动器、指零表、记录器和工作台等主要部件组成。

电感传感器是轮廓仪的主要部件之一，其工作原理见图2，在传感器测杆的一端装有金刚石触针，触针尖端曲率半径r很小，测量时将触针搭在工件上，与被测表面垂直接触，利用驱动器以一定的速度拖动传感器。由于被测表面轮廓峰谷起伏，触状在被测表面滑行时，将产生上下移动。此运动经支点使磁芯同步地上下运动，从而使包围在磁芯外面的两个差动电感线圈的电感量发生变化。图3为仪器的工作原理主框图。传感器的线圈与测量线路是直接接入平衡电桥的，线圈电感量的变化使电桥失去平衡，于是就输出一个和触针上下的位移量成正比的信号，经电子装置将这一微弱电量的变化放大、相敏检波后，获得能表示触针位移量大小和方向的信号。此后，将信号分成三路：一路加到指零表上，以表示触针的位置，一路输至直流功率放大器，放大后推动记录器进行记录；另一路经滤波和平均表放大器放大之后，进入积分计算器，进行积分计算，即可由指示表直接读出表面粗糙度ra值。指零表的作用反映铁芯在差动电感线圈中所处的位置。当铁芯处于差动电感线圈的中间位置时，指零表指针指示出零位，即保证处于电感变化的线性范围之内。所以，在测量之前，必须调整指零表，使其处于零位。噪声滤波的目的在于剔除一些干扰信号，如电气元件的噪声所引起的虚假信号。大量的测试表明，**400hz的信号即不是被测表面粗糙度所引的信号，必须从总信号中加以剔除。所以噪声滤波器是一种低通（低频能通过）滤波器，它使400hz以下的低频信号*，而将400hz以上的高频信号*衰减，从而达到滤波的目的。波度滤波的目的则是用以滤掉距大于取样长度的波度，因此它是一个高通（高频能通过）滤波器，使表面粗糙度所引起的高频（相对于波度引起的低频而言）信号能自由通过。经过噪声滤波和波度滤波以后，剩下来的就是与被测表面粗糙度成比例的信号，再经平均表放大器后，所输出的电流i与被测表面轮廓各点偏离中线的高度y的**值成正比，然后经积分器完成的积计算，得出 ra值，由指零表显示出来。这种仪器适用于测定0.02-10μm的ra值，其中有少数型号的仪器还可测定更小的参数值，仪器配有各种附件，以适应平面、内外圆柱面、圆锥面、球面、曲面、以及小孔、沟槽等形状的工件表面测量。测量*方便，测值精度高。2 传统表面粗糙度测量仪的不足传统表面粗糙度测量仪存在以下几个方面的不足：

（1）测量精度较低，测量范围较小，ra值的范围一般为0.02-10μm左右；（2）测量参数较少，一般仅能测出ra、rz、ry等少量参数；

（3）测量结果的输出不直观。造成上述几个方面不足的主要原因是：系统的可靠性不高，模拟信号的误差较大且不便于处理等。

（4）测量方式不灵活，例如：评定长度的选取，滤波器的选择等；

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