表面質(zhì)量的特性是零件重要的特性之一，在計量科學(xué)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(guò)肉眼觀(guān)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(guān)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)研制成功第一臺車(chē)間用的測量表面粗糙度的輪廓儀。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、應用廣泛的就是采用針描法原理的表面粗糙度測量?jì)x。本文將詳細討論表面粗糙度測量?jì)x的原理及其改進(jìn)方案。
1 傳統表面粗糙度測量?jì)x的工作原理
1.1 針描法
針描法又稱(chēng)觸針?lè )ā．斢|針直接在工件被測表面上輕輕劃過(guò)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(guò)電子裝置把信號加以放大，然后通過(guò)指零表或其它輸出裝置將有關(guān)粗糙度的數據或圖形輸出來(lái)。
1.2 儀器的工作原理
采用針描法原理的表面粗糙度測量?jì)x由傳感器、驅動(dòng)器、指零表、記錄器和電感傳感器是輪廓儀的主要部件之一，其工作原理見(jiàn)圖2，在傳感器測桿的一端裝有金剛石觸針，觸針尖端曲率半徑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)。此運動(dòng)經(jīng)支點(diǎn)使磁芯同步地上下運動(dòng)，從而使包圍在磁芯外面的兩個(gè)差動(dòng)電感線(xiàn)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(xiàn)圈與測量線(xiàn)路是直接接入平衡電橋的，線(xiàn)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，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(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)入積分計算器，進(jìn)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(dòng)電感線(xiàn)圈中所處的位置。當鐵芯處于差動(dòng)電感線(xiàn)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(xiàn)性范圍之內。所以，在測量之前，必須調整指零表，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，高于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(guò))濾波器，它使400Hz以下的低頻信號順利通過(guò)，而將400Hz以上的高頻信號迅速衰減，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(cháng)度的波度，因此它是一個(gè)高通(高頻能通過(guò))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(guò)。
經(jīng)過(guò)噪聲濾波和波度濾波以后，剩下來(lái)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(diǎn)偏離中線(xiàn)的高度y的絕對值成正比，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(lái)。
這種儀器適用于測定0.02-10μm的Ra值，其中有少數型號的儀器還可測定更小的參數值，儀器配有各種附件，以適應平面、內外圓柱面、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 傳統表面粗糙度測量?jì)x的不足
傳統表面粗糙度測量?jì)x存在以下幾個(gè)方面的不足：
(1)測量參數較少，一般僅能測出Ra、Rz、Ry等少量參數；
(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；
(3)測量方式不靈活，例如：評定長(cháng)度的選取，濾波器的選擇等；
(4)測量結果的輸出不直觀(guān)。
造成上述幾個(gè)方面不足的主要原因是：系統的可靠性不高，模擬信號的誤差較大且不便于處理等。
3 對傳統表面粗糙度測量?jì)x的改進(jìn)
3.1 傳統表面粗糙度測量?jì)x的改進(jìn)方案
為了克服傳統表面粗糙度測量?jì)x的不足，應該采用計算機系統對其進(jìn)行改進(jìn)。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(chǎng)制造的2205型表面粗糙度測量?jì)x就采用了計算機系統，使其性能較之傳統表面粗糙度測量?jì)x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，經(jīng)過(guò)放大及電平轉換之后進(jìn)入數據采集系統，計算機自動(dòng)地將其采集的數據進(jìn)行數字濾波和計算，得到測量結果，測量結果及輪廓圖形在顯示器顯示或打印輸出。
圖4 改進(jìn)后的表面粗糙度測量?jì)x工作原理框圖
要采用計算機系統對傳統的表面粗糙度測量?jì)x進(jìn)行改進(jìn)，就要編制相應的計算機軟件，更好采用比較直觀(guān)的菜單形式。可以按如圖5所示的菜單使用流程圖編制軟件：
圖5 菜單使用流程框圖
3.2 改進(jìn)后的表面粗糙度測量?jì)x的功能及使用效果
由于采用計算機系統，將模擬信號轉換為數字信號進(jìn)行靈活的處理，顯著(zhù)地提高了系統的可靠性，所以既大大增加了測量參數的數量，又提高了測量精度。例如：哈爾濱量具刃具廠(chǎng)制造的2205型表面粗糙度測量?jì)x的測量參數多達二十六個(gè)，測量范圍為0.001～50μm，可任選1～5倍的取樣長(cháng)度作為評定長(cháng)度，測量結果及圖形在顯示器、打印機或繪圖儀上非常直觀(guān)地輸出來(lái)。它還采用了較為先選的可選擇的數字濾波器，它與模擬濾波器相比其特性更為準確，且不會(huì )有元器件參數誤差帶來(lái)的影響。
另一方面，若在表面粗糙度測量?jì)x測量實(shí)驗的教學(xué)過(guò)程中引入改進(jìn)后的表面粗糙度測量?jì)x，就實(shí)驗的直觀(guān)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(guò)計算機軟件與硬件的結合(尤其是軟件)大大加強了實(shí)驗過(guò)程的直觀(guān)性，這體現在以下幾個(gè)方面：
(1)整個(gè)實(shí)驗過(guò)程非常直觀(guān)地通過(guò)軟件的各級菜單進(jìn)行控制。操作簡(jiǎn)單、一目了然。
(2)輸入與顯示同步，即在測量進(jìn)行過(guò)程的同時(shí)，觸針在被測表面上滑行的軌跡動(dòng)態(tài)地顯示在計算機屏幕上。
(3)測量結果及相關(guān)圖形能非常直觀(guān)地、準確地輸出在顯示器、打印機或繪圖儀上。
很顯然，以上這些直觀(guān)的教學(xué)效果是其它傳統的表面粗糙度測量實(shí)驗方法所不具備的。它在得到正確的測量結果的同時(shí)，還充分運用了直觀(guān)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的直觀(guān)理解。
4 結 語(yǔ)
(1)傳統的表面粗糙度測量?jì)x由傳感器、驅動(dòng)器、指零表、記錄器和工作臺等主要部件組成，從輸入到輸出全過(guò)程均為模擬信號。而在傳統的表面粗糙度測量?jì)x的基礎上，采用計算機系統對其進(jìn)行改進(jìn)后，通過(guò)模-數轉換將模擬量轉換為數字量送入計算機進(jìn)行處理，使得儀器在測量參數的數量、測量精度、測量方式的靈活性、測量結果輸出的直觀(guān)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)方案并不復雜，因此對于目前仍廣泛使用的傳統的表面粗糙度測量?jì)x的改進(jìn)具有一定的意義。
(3)隨著(zhù)電子技術(shù)的進(jìn)步，某些型號的表面粗糙度測量?jì)x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(guò)模-數變換器，將模擬量轉換為數字量，送入計算機進(jìn)行數據處理，記錄其三維放大圖形，并求出等高線(xiàn)圖形，從而更加合理的評定被測面的表面粗糙度。
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