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粗糙度儀又叫表面粗糙度儀、表面光潔度儀、表面粗糙度檢測儀、粗糙度測量儀、粗糙度計(jì)、粗糙度測試儀等多種名稱。它具有測量精度高、測量范圍寬、操作簡便、便于攜帶、工作穩(wěn)定等特點(diǎn),可以廣泛應(yīng)用于各種金屬與非金屬的加工表面的檢測,該儀器是傳感器主機(jī)一體化的袖珍式儀器,具有手持式特點(diǎn),更適宜在生產(chǎn)現(xiàn)場使用。外形采用拉鋁模具設(shè)計(jì),堅(jiān)固耐用,抗電磁干擾能力顯著,符合當(dāng)今設(shè)計(jì)新趨勢。

粗糙度儀的應(yīng)用領(lǐng)域有:

一、機(jī)械加工制造業(yè),主要是金屬加工制造。粗糙度儀最初的產(chǎn)生就是為了檢測機(jī)械加工零件表面粗糙度而生的。尤其是觸針式粗糙度測量儀比較適用于質(zhì)地比較堅(jiān)硬的金屬表面的檢測。如:汽車零配件加工制造業(yè)、機(jī)械零部件加工制造業(yè)等等。這些加工制造行業(yè)只要涉及到工件表面質(zhì)量的,對于粗糙度儀的檢測應(yīng)用是必不可少的。

二、非金屬加工制造業(yè),隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展,越來越多的新型材料應(yīng)用到加工工藝上,如陶瓷、塑料、聚乙烯,等等,現(xiàn)有些軸承就是用特殊陶瓷材料加工制作的,還有泵閥等是利用聚乙烯材料加工制成的。這些材料質(zhì)地堅(jiān)硬,某些應(yīng)用可以替代金屬材料制作工件,在生產(chǎn)加工過程中也需要檢測其表面粗糙度。

三、隨著粗糙度儀的技術(shù)和功能不斷加強(qiáng)和完善,以及深入的推廣和應(yīng)用,越來越多的行業(yè)被發(fā)現(xiàn)會需求粗糙度的檢測,除機(jī)械加工制造外,電力、通訊、電子、,如交換機(jī)上聯(lián)軸器、集成電路半導(dǎo)體等生產(chǎn)加工過程中也需粗糙度的評定,甚至人們生活中使用的文具、餐具、人的牙齒表面都要用到表面粗糙度的檢驗(yàn)。

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,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,把這種移動通過電子裝置把信號加以放大, 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。

采用針描法原理的表面粗糙度測量儀由傳感器、驅(qū)動器、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,測量時將觸針搭在工件上,與被測表面垂直接觸,利用驅(qū)動器以一定的 速度拖動傳感器。由于被測表面輪廓峰谷起伏,觸狀在被測表面滑行時,將產(chǎn)生上下移動。此運(yùn)動經(jīng)支點(diǎn)使磁芯同步地上下運(yùn)動,從而使包圍在磁芯外面的兩個差動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。

傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀工作原理框圖指零表的作用反映鐵芯在差動電感線圈中所處的位置。當(dāng)鐵芯處于差動電感線圈的中間位置時,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。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,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的絕對值成正比,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。

傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀存在以下幾個方面的不足:

(1)測量參數(shù)較少,一般僅能測出Ra、Rz、Ry等少量參數(shù); (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。造成上述幾個方面不足的主要原因是:系統(tǒng)的可靠性不高,模擬信號的誤差較大且不便于處理等。

1、高精度電感傳感器

2、段碼液晶顯示器,具有背光功能

3、人機(jī)對話,界面直觀、操作極其簡單

4、采用DSP芯片進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理,速度快,功耗低

5、內(nèi)置鋰離子充電電池及控制電路,容量高、無記憶效應(yīng),充電時 間短,連續(xù)工作時間長,大于20小時。

6、機(jī)電一體化設(shè)計(jì),體積小,重量輕,使用方便快捷

7、帶有測值存儲及存儲數(shù)據(jù)查詢功能

8、內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)RS232接口可連接時代TA220s打印機(jī),可打印全部參數(shù)

9、具有自動關(guān)機(jī)、多種提示說明信息

10、可選配曲面?zhèn)鞲衅�、小孔傳感器、深槽傳感器、測量平臺、接長桿等附件菜單操作方式。

測量

1、干涉法

干涉法是利用光波干涉原理來測量表面粗糙度。

2、針描法

針描法是利用觸針直接在被測表面上輕輕劃過,從而測出表面粗糙度的Ra值。

3、比較法

比較法是車間常用的方法。將被測表面對照粗糙度樣板,用肉眼判斷或借助于放大鏡、比較顯微鏡比較;也可用手摸,指甲劃動的感覺來判斷被加工表面的粗糙度。此法一般用于粗糙度參數(shù)較大的近似評定。

4、光切法

光切法是利用"光切原理"來測量表面粗糙度。

測量工件表面粗糙度時,將傳感器放在工件被測表面上,由儀器內(nèi)部的驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動傳感器沿被測表面做等速滑行,傳感器通過內(nèi)置的銳利觸針感受被測表面的粗糙度,此時工件被測表面的粗糙度引起觸針產(chǎn)生位移,該位移使傳感器電感線圈的電感量發(fā)生變化,從而在相敏整流器的輸出端產(chǎn)生與被測表面粗糙度成比例的模擬信號,該信號經(jīng)過放大及電平轉(zhuǎn)換之后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),DSP芯片將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波和參數(shù)計(jì)算,測量結(jié)果在液晶顯示器上讀出,也可在打印機(jī)上輸出,還可以與PC機(jī)進(jìn)行通訊。

產(chǎn)品改進(jìn)

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型和中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,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。圖4 改進(jìn)后的表面粗糙度測量儀工作原理框圖要采用計(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,最好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:

菜單使用流程框圖改進(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),將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(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,測量范圍為0.001~50μm,另一方面,若在表面粗糙度測量儀測量實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程中引入改進(jìn)后的表面粗糙度測量儀,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)在以下幾個方面:

(1)整個實(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。(2)輸入與顯示同步,即在測量進(jìn)行過程的同時,觸針在被測表面上滑行的軌跡動態(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,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。結(jié)語

(1)傳統(tǒng)的表面粗糙度測量儀由傳感器、驅(qū)動器、指零表、記錄器和工作臺等主要部件組成,從輸入到輸出全過程均為模擬信號。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,整個改進(jìn)方案并不復(fù)雜,因此對于仍廣泛使用的傳統(tǒng)的表面粗糙度測量儀的改進(jìn)具有一定的意義。(3)隨著電子技術(shù)的進(jìn)步,某些型號的表面粗糙度測量儀還可將表面粗糙度的凹凸不平作三維處理,測量時在相互平行的多個截面上進(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。粗糙度∶以前一般叫表面光潔度,是用來評定工件表面質(zhì)量的專業(yè)術(shù)語,最早一般用對比樣板來評定工件表面粗糙度,從▲1到▲14一共分為14個等級,隨著科技的發(fā)展使用者對工件表面質(zhì)量要求也越來越高,原來的檢測手段已經(jīng)不能滿足我們的需求,這也就加快了表面粗糙度儀的誕生。粗糙度儀是檢測工件表面粗糙度的數(shù)字化電子儀器,由于準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、便于操作等優(yōu)點(diǎn)迅速普及開來。

國外先研發(fā)生產(chǎn)后來才引進(jìn)國內(nèi),市場上粗糙度儀品牌主要有:英國泰勒粗糙度儀、德國馬爾粗糙度儀、德國霍梅爾表面粗糙度儀、日本三豐粗糙度儀、東京精密粗糙度、瑞士泰薩粗糙度儀、英國易高粗糙度這些都是國外生產(chǎn)廠商品牌;國內(nèi)生產(chǎn)廠家品牌主要有:粗糙度儀從測量原理上主要分為兩大類:接觸式和非接觸式,接觸式粗糙度儀主要是主機(jī)和傳感器的形式,非接觸式粗糙度儀主要是光學(xué)原理例如激光表面粗糙度儀。從測量使用的方便性上說又可分為:袖珍式表面粗糙度儀(代表性產(chǎn)品主要有:時代TR100、TR101、TR110、TR150袖珍式表面粗糙度儀和現(xiàn)已停產(chǎn)的英國泰勒DUO袖珍式表面粗糙度儀)、手持式粗糙度儀(代表性產(chǎn)品主要有TR200/220手持式粗糙度儀、泰勒25粗糙度儀、M1/M2粗糙度儀等品牌型號,不一一列舉)、便攜式粗糙度儀(代表性產(chǎn)品主要有TR240便攜式粗糙度儀和TR300粗糙度形狀測量儀等)、臺式粗糙度儀(品牌型號較多一一列舉,有些手持式粗糙度儀和便攜式粗糙度儀配上相應(yīng)的測量平臺即可以當(dāng)臺式粗糙度儀使用)。粗糙度儀從功能又可劃分為:表面粗糙度儀、粗糙度形狀測量儀(TR300粗糙度形狀測量儀是界于表面粗糙度儀和表面粗糙度輪廓儀之間的一款測量表面粗糙度的儀器,也可說是微觀表面粗糙度輪廓儀)和表面粗糙度輪廓儀(代表性產(chǎn)品主要有英國泰勒表面粗糙度輪廓儀、德國馬爾粗糙度輪廓儀、德國霍梅爾表面粗糙度輪廓儀、日本三豐表面粗糙度輪廓儀)。

表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)的提出和發(fā)展與工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān),它經(jīng)歷了由定性評定到定量評定兩個階段。表面粗糙度對機(jī)器零件表面性能的影響從1918年開始首先受到注意,在飛機(jī)和飛機(jī)發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)中,由于要 求用最少材料達(dá)到最大的強(qiáng)度,人們開始對加工表面的刀痕和刮痕對疲勞強(qiáng)度的影響加以研究。但由于測 量困難,當(dāng)時沒有定量數(shù)值上的評定要求,只是根據(jù)目測感覺來確定。在20世紀(jì)20~30年代,世界上很多 工業(yè)國家廣泛采用三角符號(??)的組合來表示不同精度的加工表面。

為研究表面粗糙度對零件性能的影響和度量表面微觀不平度的需要,從20年代末到30年代,德國、美國 和英國等國的一些專家設(shè)計(jì)制作了輪廓記錄儀、輪廓儀,同時也產(chǎn)生出了光切式顯微鏡和干涉顯微鏡等用 光學(xué)方法來測量表面微觀不平度的儀器,給從數(shù)值上定量評定表面粗糙度創(chuàng)造了條件。從30年代起,已對表 面粗糙度定量評定參數(shù)進(jìn)行了研究,如美國的Abbott就提出了用距表面輪廓峰頂?shù)纳疃群椭С虚L度率曲線來 表征表面粗糙度。1936年出版了Schmaltz論述表面粗糙度的專著,對表面粗糙度的評定參數(shù)和數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)化 提出了建議。但粗糙度評定參數(shù)及其數(shù)值的使用,真正成為一個被廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)還是從40年代各國相應(yīng)的 國家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以后開始的。

首先是美國在1940年發(fā)布了ASA B46.1國家標(biāo)準(zhǔn),之后又經(jīng)過幾次修訂,成為現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ASME B46. 1-1988《表面結(jié)構(gòu)表面粗糙度、表面波紋度和加工紋理》,該標(biāo)準(zhǔn)采用中線制,并將Ra作為主參數(shù);接著前蘇 聯(lián)在1945年發(fā)布了GOCT2789-1945《表面光潔度、表面微觀幾何形狀、分級和表示法》國家標(biāo)準(zhǔn),而后經(jīng)過了3 次修訂成為GOCT2789-1973《表面粗糙度參數(shù)和特征》,該標(biāo)準(zhǔn)也采用中線制,并規(guī)定了包括輪廓均方根偏差 即Rq)在內(nèi)的6個評定參數(shù)及其相應(yīng)的參數(shù)值。另外,其它工業(yè)發(fā)達(dá)國家的標(biāo)準(zhǔn)大多是在50年代制定的, 如聯(lián)邦德國在1952年2月發(fā)布了DIN4760和DIN4762有關(guān)表面粗糙度的評定參數(shù)和術(shù)語等方面的標(biāo)準(zhǔn)等。

隨著工業(yè)的發(fā)展和對外開放與技術(shù)合作的需要,中國對表面粗糙度的研究和標(biāo)準(zhǔn)化愈來愈被科技和工業(yè)界所重視, 為迅速改變國內(nèi)表面粗糙度方面的術(shù)語和概念不統(tǒng)一的局面,并達(dá)到與國際統(tǒng)一的作用,中國等效采用國際標(biāo)準(zhǔn) 化組織(ISO)有關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)制訂了GB3505-1983《表面粗糙度術(shù)語表面及其參數(shù)》。GB3505專門對有關(guān)表面粗糙 度的表面及其參數(shù)等術(shù)語作了規(guī)定,其中有三個部分共27個參數(shù)術(shù)語:a. 與微觀不平度高度特性有關(guān)的表面粗糙度參數(shù)術(shù)語。其中定義的常用術(shù)語為:輪廓算術(shù)平均偏差Ra、 輪廓均方根偏差Rq、輪廓最大高度Ry和微觀不平度十點(diǎn)高度Rz等11個參數(shù)。

b、與微觀不平度間距特性有關(guān)的表面粗糙度參數(shù)術(shù)語。其中有輪廓微觀不平度的平均間距Sm、 輪廓峰密度D、輪廓均方根波長lq以及輪廓的單峰平均間距S等共9個參數(shù)。

c、與微觀不平度形狀特性有關(guān)的表面粗糙度參數(shù)術(shù)語。這其中有輪廓偏斜度Sk、 輪廓均方根斜率Dq和輪廓支承長度率tp等共5 個

3、精密加工表面性能評價的內(nèi)容及其迫切性

表面粗糙度參數(shù)這一概念開始提出時就是為了研究零件表面和其性能之間的關(guān)系,4.表面粗糙度理論的新進(jìn)展 表面形貌評定的核心在于特征信號的無失真提取和對使用性能的量化評定,國內(nèi)外學(xué)者在這一方面 做了大量工作,提出了許多分離與重構(gòu)方法。隨著當(dāng)今微機(jī)處理技術(shù)、集成電路技術(shù)、機(jī)電一體化 技術(shù)等的發(fā)展,出現(xiàn)了用分形法、Motif法、功能參數(shù)集法、時間序列技術(shù)分析法、最小二乘多項(xiàng)式 擬合法、濾波法等各種評定理論與方法,取得了顯著進(jìn)展,下面對相對而言比較成熟的分形法、 Motif法、特定功能參數(shù)集法進(jìn)行介紹。表面粗糙度儀(光潔度)的國家標(biāo)準(zhǔn)主要術(shù)語及定義

本資料給出的參數(shù)符合GB/T3505-2000《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范表面結(jié)構(gòu) 輪廓法 表面結(jié)構(gòu)的述語、定義及參數(shù)》、符合GB/T6062-2002《產(chǎn)品幾何量技術(shù)規(guī)范(GPS)表面結(jié)構(gòu) 輪廓法接觸(觸針)式儀器的標(biāo)稱特性》。

技術(shù)術(shù)語

(1)表面粗糙度:取樣長度L

取樣長度是用于判斷和測量表面粗糙度時所規(guī)定的一段基準(zhǔn)線長度,它在輪廓總的走向上取樣。

(2)表面粗糙度:評定長度Ln

由于加工表面有著不同程度的不均勻性,為了充分合理地反映某一表面的粗糙度特性,規(guī)定在評定時所必須的一段表面長度,它包括一個或數(shù)個取樣長度,稱為評定長度Ln。

(3)表面粗糙度:輪廓中線(也有叫曲線平均線)M

輪廓中線M是評定表面粗糙度數(shù)值的基準(zhǔn)線。

評定參數(shù)

國家規(guī)定表面粗糙度的參數(shù)由高度參數(shù)、間距參數(shù)和綜合參數(shù)組成。

表面粗糙度高度參數(shù)共有三個:

(1)輪廓算術(shù)平均偏差Ra :

在取樣長度L內(nèi),輪廓偏距絕對值的算術(shù)平均值。

(2)微觀不平度十點(diǎn)高度Rz

在取樣長度L內(nèi)最大的輪廓峰高的平均值與五個最大的輪廓谷深的平均值之和。

(3)輪廓最大高度Ry

在取樣長度內(nèi),輪廓峰頂線和輪廓谷底線之間的距離。

表面粗糙度間距參數(shù)共有兩個:

(4)輪廓單峰平均間距S

兩相鄰輪廓單峰的最高點(diǎn)在中線上的投影長度Si,稱為輪廓單峰間距,在取樣長度L內(nèi),輪廓單峰間距的平均值,就是輪廓單峰平均間距。

(5)輪廓微觀不平度的平均間距Sm

含有一個輪廓峰和相鄰輪廓谷的一段中線長度Smi,稱輪廓微觀不平間距。

表面粗糙度綜合參數(shù):

(6)輪廓支承長度率tp

輪廓支承長度率就是輪廓支承長度np與取樣長度L之比。