综述粗糙表面形貌测量技术的现状与发展.doc

粗糙表面形貌测量技术的现状与发展综述
65110220郝帅
摘要:表面粗糙度是机械加工过程中描述表面微观形貌非常重要的技术指标之一，主要是指加工表面上具有较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性。它主要是由所采用的加工方法形成的，如在切削过程中工件加工表面上刀具痕迹以及切削撕裂时的材料塑性变形等。表面粗糙度的测量技术是现代紧密测试计量技术的一个重要组成部分。
关键词：测量技术现状和常见问题表面粗糙度高精度检测及其发展动向
引言工件表面质量的好坏直接影响其使用寿命和使用性能。随着科学技术的进步和社会的发展，人们对于机械产品表面质量的要求越来越高。表面粗糙度是评价工件表面质量的一个重要指标，国内外很多学者在表面粗糙度检测方面做了大量研究工作。目前测量表面粗糙度的主要方法有：接触式测量和非接触式测量。1.表面粗糙度测量技术
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快速会展，特别是70年代中后期，随着微型计算机应用的逐步普及和先代光学技术的发展，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中显得更加重要。
加工工件表面粗糙度是指工件表面的加工痕迹的平整和光滑程度，它是加工零件的重要特性指标之。在人们开始对加工件表面质量进行检测之初，只是用标准样件或者样块，通过肉眼观察或用手触摸的简单方法，对表面粗糙度作出定性的判断。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，美国艾卜特(E．J．Abbott)研制成功第一台生产现场使用的测量表面粗糙度的轮廓仪；1940年，英国Taylor—Hobson公司研制成功第一台表面粗糙度测量仪，从而开启了现代意义的表面粗糙度检测的大门，其后各国又成功研制出多种测量表面粗糙度的现代仪器。
1.1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，接触式测量方法主要是触针法，该方法经过几十年的充分发展，以其稳定、可靠的特点被广泛应用。但接触式测量存在很大的缺陷，具体表现在：①对高精度表面及软质金属表面有划伤破坏作用；②受触针尖端圆弧半径的限制，其测量精度有限；③因触针磨损及测量速度的限制，无法实现在线实时测量。1.2非接触式测量为了克服接触式测量方法的不足，人们对非接触式测量方法进行了广泛研究。研究表明，非接触式测量方法具有非接触、无损伤、快速、测量精度高、易于实现在线测量、响应速度快等优点。目前已有的非接触式测量方法包括各种光学测量方法、超声法、扫描隧道显微镜法、基于计算机视觉技术的表面粗糙度检测方法等。这里我们只对基于光学散射原理的测量方法、基于光学干涉原理的测量方法和基于计算机视觉技术的测量方法做简单介绍。1.3基于光学散射原理的测量方法
当一束光以一定的角度照射到物体表面后，加工表面的粗糙不平将引起发生散射现象。研究表明：表面粗糙度和散射光强度分布有一定的关系。对于表面粗糙度数值较小的表面，散射光能较弱，反射光能较强；反之，表面粗糙度数值较大的表面，散射光能较强，反射光能较弱。基于光学散射原理测量表面粗糙度的研究方法和理论较多。四川联合大学和哈尔滨理工大学相继提出了一种称之为散射特征值的参数，表征被测物体表面上反射光和散射光的分散度，散射特征值与被测物体表面的粗糙度有很好的对应关系。哈尔滨理工大学利用已知表面粗糙度参数值的标准样块测得其散射特征值，建立—关系曲线，从而实现利用散射特征值测量火炮内膛表面粗糙度,对于光学散射原理的表面粗糙度检测方法，具有结构简单、体积小、易于集成产品、动态响应好、适于在线测量等优点。该方法的缺点是测量精度不高，用于超光滑表面粗糙度的测量还有待进一步改进。1.4基于光学干涉原理的测量方法
当相干光照射到工件表面同波波长的一半为极限的，仅从条纹的状态无法判断表面是凸起还是凹陷，因此，作为一种具有较好分辨率、宽测量范围的表面粗糙度在线检测技术，这种干涉法测量技术还有待于进一步发展，基于光学干涉原理，1984年美国洛克西德导弹公司huang采用共模抑制技术研制成功了光学外差轮廓仪，光外差干涉检测技术是一种具有纳米级测量准确度的高精度光学测量方法，适用于精加工、超精加工表面的测量，而且可以进行动态时间的研究；华中理工大学采用光一位置时，由于光波的相互位相关系，将产生光波干涉现象。一般的干涉法测量是利用被测面和标准参考面反射的光束进行比较，对干涉条纹做适当变换，通过测量干涉条纹的相对变形来定量检测表面粗糙度。该方法的测量精度取决于光的波长。但是由于干涉条纹的分辨率是以光外差干涉方法研制出2D-SROP-1型表面粗糙度轮廓仪。美国的维易科（VEECO）精密仪器有限公司，采用共光路干涉法研制了WY