表面粗糙度儀的工作原理
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表面質(zhì)量的特性是零件最重要的特性之一，在計(jì)量科學(xué)中表面質(zhì)量的檢測(cè)具有重要的地位。最早人們是用標(biāo)準(zhǔn)樣件或樣塊，通過(guò)肉眼觀察或用手觸摸，對(duì)表面粗糙度做出定性的綜合評(píng)定。1929年德國(guó)的施馬爾茨(G.Schmalz)首先對(duì)表面微觀不平度的深度進(jìn)行了定量測(cè)量。1936年美國(guó)的艾卜特(E.J.Abbott)研制成功第一臺(tái)車間用的測(cè)量表面粗糙度的輪廓儀。1940年英國(guó)Taylor-Hobson公司研制成功表面粗糙度測(cè)量?jī)x“泰呂塞夫(TALYSURF)”。以后，各國(guó)又相繼研制出多種測(cè)量表面粗糙度的儀器。目前，測(cè)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(cè)量迅速方便、測(cè)值精度較高、應(yīng)用最為廣泛的就是采用針描法原理的表面粗糙度測(cè)量?jī)x。本文將詳細(xì)討論表面粗糙度測(cè)量?jī)x的原理及其改進(jìn)方案。
1 傳統(tǒng)表面粗糙度測(cè)量?jī)x的工作原理
1.1 針描法
針描法又稱觸針?lè)�。�?dāng)觸針直接在工件被測(cè)表面上輕輕劃過(guò)時(shí)，由于被測(cè)表面輪廓峰谷起伏，觸針將在垂直于被測(cè)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(hào)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(shù)據(jù)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(cè)量?jī)x由傳感器、驅(qū)動(dòng)器、指零表、記錄器和工作臺(tái)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(jiàn)圖2，在傳感器測(cè)桿的一端裝有金剛石觸針，觸針尖端曲率半徑r很小，測(cè)量時(shí)將觸針搭在工件上，與被測(cè)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(cè)表面輪廓峰谷起伏，觸狀在被測(cè)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(cè)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(hào)，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(hào)。此后，將信號(hào)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(cè)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(hào)，如電氣元件的噪聲所引起的虛假信號(hào)。大量的測(cè)試表明，高于400Hz的信號(hào)即不是被測(cè)表面粗糙度所引的信號(hào)，必須從總信號(hào)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(hào)順利通過(guò)，而將400Hz以上的高頻信號(hào)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(zhǎng)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(duì)于波度引起的低頻而言)信號(hào)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(cè)表面粗糙度成比例的信號(hào)，再經(jīng)平均表放大器后，所輸出的電流I與被測(cè)表面輪廓各點(diǎn)偏離中線的高度y的絕對(duì)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(lái)。
這種儀器適用于測(cè)定0.02-10μm的Ra值，其中有少數(shù)型號(hào)的儀器還可測(cè)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(cè)量。測(cè)量迅速方便，測(cè)值精度高。
2 傳統(tǒng)表面粗糙度測(cè)量?jī)x的不足
傳統(tǒng)表面粗糙度測(cè)量?jī)x存在以下幾個(gè)方面的不足：
(1)測(cè)量參數(shù)較少，一般僅能測(cè)出Ra、Rz、Ry等少量參數(shù)；
(2)測(cè)量精度較低，測(cè)量范圍較小，Ra值的范圍一般為0.02-10μm左右；
(3)測(cè)量方式不靈活，例如：評(píng)定長(zhǎng)度的選取，濾波器的選擇等；
(4)測(cè)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(hào)的誤差較大且不便于處理等。
3.對(duì)傳統(tǒng)表面粗糙度測(cè)量?jī)x的改進(jìn)
3.1 傳統(tǒng)表面粗糙度測(cè)量?jī)x的改進(jìn)方案
為了克服傳統(tǒng)表面粗糙度測(cè)量?jī)x的不足，應(yīng)該采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。例如，英國(guó)蘭克精密機(jī)械有限公司制造的“泰呂塞夫(TALYSURF)”10型和我國(guó)哈爾濱量具刃具廠制造的2205型表面粗糙度測(cè)量?jī)x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(cè)量?jī)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(hào)，經(jīng)過(guò)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(cè)量結(jié)果，測(cè)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(duì)傳統(tǒng)的表面粗糙度測(cè)量?jī)x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：
3.2 改進(jìn)后的表面粗糙度測(cè)量?jī)x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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)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(cè)量參數(shù)的數(shù)量，又提高了測(cè)量精度。例如：哈爾濱量具刃具廠制造的2205型表面粗糙度測(cè)量?jī)x的測(cè)量參數(shù)多達(dá)二十六個(gè)，測(cè)量范圍為0.001～50μm，可任選1～5倍的取樣長(zhǎng)度作為評(píng)定長(zhǎng)度，測(cè)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(lái)。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(huì)有元器件參數(shù)誤差帶來(lái)的影響。
另一方面，若在表面粗糙度儀測(cè)量實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)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(guò)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(guò)程的直觀性，這體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
(1)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程非常直觀地通過(guò)軟件的各級(jí)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(cè)量進(jìn)行過(guò)程的同時(shí)，觸針在被測(cè)表面上滑行的軌跡動(dòng)態(tài)地顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。
(3)測(cè)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(cè)量實(shí)驗(yàn)方法所不具備的。它在得到正確的測(cè)量結(jié)果的同時(shí)，還充分運(yùn)用了直觀教學(xué)的原理，幫助學(xué)生加深對(duì)表面粗糙度的概念及其各種參數(shù)的直觀理解。
4 結(jié)束語(yǔ)
(1)傳統(tǒng)的表面粗糙度測(cè)量?jī)x由傳感器、驅(qū)動(dòng)器、指零表、記錄器和工作臺(tái)等主要部件組成，從輸入到輸出全過(guò)程均為模擬信號(hào)。而在傳統(tǒng)的表面粗糙度測(cè)量?jī)x的基礎(chǔ)上，采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)后，通過(guò)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(cè)量參數(shù)的數(shù)量、測(cè)量精度、測(cè)量方式的靈活性、測(cè)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(gè)改進(jìn)方案并不復(fù)雜，因此對(duì)于目前仍廣泛使用的傳統(tǒng)的表面粗糙度測(cè)量?jī)x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(hào)的表面粗糙度儀還可將表面粗糙度的凹凸不平作三維處理，測(cè)量時(shí)在相互平行的多個(gè)截面上進(jìn)行，通過(guò)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(píng)定被測(cè)面的表面粗糙度。
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