1 傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的工作原理
1.1 儀器的工作原理
采用針描法原理的表面粗糙度測量儀由傳感器、驅(qū)動(dòng)器、指零表、記錄器和工作臺等主要部件組成。
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(qū)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(yùn)動(dòng)經(jīng)支點(diǎn)使磁芯同步地上下運(yùn)動(dòng)，從而使包圍在磁芯外面的兩個(gè)差動(dòng)電感線圈的電感量發(fā)生變化。
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(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(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。
指零表的作用反映鐵芯在差動(dòng)電感線圈中所處的位置。當(dāng)鐵芯處于差動(dòng)電感線圈的中間位置時(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。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)濾波器，它使400Hz以下的低頻信號順利通過，而將400Hz以上的高頻信號迅速衰減，從而達(dá)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度的波度，因此它是一個(gè)高通(高頻能通過)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。
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。
1.2 針描法
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(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。
2 傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的不足
傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀存在以下幾個(gè)方面的不足：
(1)測量結(jié)果的輸出不直觀。
(2)測量參數(shù)較少，一般僅能測出Ra、Rz、Ry等少量參數(shù);
(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)測量精度較低，測量范圍較小，Ra值的范圍一般為0.02-10μm左右;
造成上述幾個(gè)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。
3 對傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的改進(jìn)
3.1 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型和我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(dòng)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。
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，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：
3.2 改進(jìn)后的天津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(gè)，測量范圍為0.001～50μm，可任選1～5倍的取樣長度作為評定長度，測量結(jié)果及圖形在顯示器、打印機(jī)或繪圖儀上非常直觀地輸出來。它還采用了較為先選的可選擇的數(shù)字濾波器，它與模擬濾波器相比其特性更為準(zhǔn)確，且不會有元器件參數(shù)誤差帶來的影響。
另一方面，若在表面粗糙度儀測量實(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(dòng)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(gè)方面：
(1)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。
(2)整個(gè)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。
(3)輸入與顯示同步，即在測量進(jìn)行過程的同時(shí)，觸針在被測表面上滑行的軌跡動(dòng)態(tài)地顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。
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(shí)，還充分運(yùn)用了直觀教學(xué)的原理。
表面粗糙度儀的工作原理表面質(zhì)量的特性是零件重要的特性之一，在計(jì)量科學(xué)中表面質(zhì)量的檢測具有重要的地位。早人們是用標(biāo)準(zhǔn)樣件或樣塊，通過肉眼觀察或用手觸摸，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)研制成功臺車間用的測量表面粗糙度的輪廓儀。1940年英國taylor-hobson公司研制成功表面粗糙度測量儀“泰呂塞夫(talysurf)”。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(yīng)用為廣泛的就是采用針描法原理的表面粗糙度測量儀。
本文將詳細(xì)討論表面粗糙度測量儀的原理及其改進(jìn)方案。
1 傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的工作原理
1.1 針描法針描法又稱觸針法。
當(dāng)觸針直接在工件被測表面上輕輕劃過時(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。
1.2 儀器的工作原理采用針描法原理的表面粗糙度測量儀由傳感器、驅(qū)動(dòng)器、指零表、記錄器和工作臺等主要部件組成。
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(qū)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(yùn)動(dòng)經(jīng)支點(diǎn)使磁芯同步地上下運(yùn)動(dòng)，從而使包圍在磁芯外面的兩個(gè)差動(dòng)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(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(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。指零表的作用反映鐵芯在差動(dòng)電感線圈中所處的位置。當(dāng)鐵芯處于差動(dòng)電感線圈的中間位置時(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。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)濾波器，它使400hz以下的低頻信號順利通過，而將400hz以上的高頻信號迅速衰減，從而達(dá)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度的波度，因此它是一個(gè)高通(高頻能通過)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。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。2傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀的不足傳統(tǒng)表面粗糙度測量儀存在以下幾個(gè)方面的不足：
(1)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;(2)測量參數(shù)較少，一般僅能測出ra、rz、ry等少量參數(shù);
(3)測量結(jié)果的輸出不直觀。造成上述幾個(gè)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。
(4)測量方式不靈活，例如：評定長度的選取，濾波器的選擇等;
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