表面粗糙度测量方法

表面粗糙度测量方法

表面粗糙度是衡量工件表面质量的重要指标，其测量方法的发展经历了从传统触针式到现代光学测量的演变。本文将从表面粗糙度测量理论的发展、各种测量方法的现状以及未来发展趋势等方面进行详细介绍。

表面粗糙度是反映工件表面微观形貌的重要指标，是指工件在加工过程中表面处理具有较小的螺距和微小的峰谷不平整度；表面粗糙度越小，工件表面越光滑。
表面粗糙度越小，工件表面越光滑。表面粗糙度指标应用于加工工业对提高工件质量和生产率有重要意义。
同时对工件的耐磨性也有直接的影响，表面越粗糙，表面的有效接触面积就会减少，压力就会越突出，使摩擦阻力变大，导致磨损加速，还会影响工件的稳定性与疲劳强度等指标。
人们对于表面粗糙度的全面系统的研究迄今只有一二百年的历史。近年来的研究主要集中于工件表面粗糙度的测量方法和成型机理方面。
尽管高粗糙度值通常是不受欢迎的，但控制高粗糙度值却既困难又昂贵。
目前，测量工件表面粗糙度的方法有很多种，本文将从表面粗糙度测量理论及其仪器的发展、表面粗糙度检测方法的研究现状、表面粗糙度测量方法等方面对表面粗糙度进行介绍。

表面粗糙度测试

表面粗糙度测量理论及仪器发展

表面粗糙度，以前称为表面光洁度，是评定机械表面质量的重要指标。
在表面粗糙度的研究方面，俄国切比雪夫教授是最早对此进行系统、全面研究的学者。1874年，他根据前人的研究成果，开创性地把计算表面粗糙度的最大值公式应用于外圆铣削。
20世纪初，在工业发达国家也开始有一些学者发表有关表面光洁度对机械零件性能、寿命等影响的文章。
1929年，苏联科学院院士林尼克发明了用于测量工件表面粗糙度的光切显微镜。
同年，德国科学家Schmaltz首先开始定量评定表面微观不平整度的高度，并以此方式出版了有关表面粗糙度的专著，书中提出了评定参数Humax和测量基线两个概念。
这为科学家测量表面粗糙度开辟了先例，并开始了对表面粗糙度的定量描述。
1936年阿伯特（EJ Abbott）研制成功了第一台用于测量车间工件表面粗糙度的仪器，通过该仪器可以测量轮廓的峰顶深度与支撑区，并得出二者之间的关系曲线，即阿伯特曲线，来表征表面粗糙度。
几年后，英国学者研制成功泰勒架（Talysurf）触针式表面粗糙度测量仪。1951年，联邦德国光电子工厂生产出了用于测量表面粗糙度的干涉显微镜。
1975年，Taylor-Hobson公司更研制成功了Talysurf-5表面轮廓仪，这种采用计算机数据处理且能在计算机上直接同时显示15个评定参数的轮廓仪，远远领先于世界上所有表面粗糙度研究的水平[6]。
此后，各种其它表面粗糙度测量仪器不断涌现，为进一步研究表面粗糙度提供了有力的测试手段。
科学技术的发展特别是机械制造业取得了很大的突破，发达国家的制造业十分重视表面质量与零件功能的关系，开展了大量有关表面质量微观几何参数的研究，并为此制定了一系列相关标准。
在 21 世纪，随着扫描电子显微镜扫描电子显微镜（SEM），为表面粗糙度的测量开辟了一条新的途径。
随着对零件表面质量的要求越来越高，特别是促进了光学和超精密加工技术的发展，使表面粗糙度向着纳米级技术迈进。

表面粗糙度检测方法研究现状

随着计算机技术的不断发展，零件表面粗糙度测量的主要手段已逐步由目视观察转变为以数值形式定量测量表面粗糙度。
目前，表面粗糙度的测量方法主要有电动轮廓仪等接触式测量法、激光散射法，另有非接触式测量法两大类。

1.接触式测量法

在定量测量中，使用最多的是触针式电动轮廓仪，这类仪器比较稳定，显示值准确可靠，使用也比较方便。
然而随着机械和光学的发展，特别是激光技术的突破，对于加工后的工件表面，质量要求越来越高。传统的触针式轮廓仪用于测量工件表面粗糙度在某些方面与工件表面的测量存在着许多难以克服的问题，具体问题主要表现在：
(1) 轮廓仪的触针在微观表面形貌检测中，在横向分辨力上，易受到触针头部宽度半径的限制。目前，触针尖端的最小宽度为0.1μm，因此不便于应用该仪器测量超光滑表面的工件。
（2）表面粗糙度仪的触针在应用上也存在一定的局限性，不能适用于软质材料的检测，在测量过程中，针尖会对被测物体表面施加一定的压力，触针容易划伤被测物体表面。基于光学效应，有学者创造了光学测量表面粗糙度的方法。
其主要测量装置为反射装置，激光经系统以平行或发散的方式发射到被测物体表面，从被测物体表面反射回来的激光带有能反映被测物体表面形状的光学信息，被光学传感器及处理电路接受、变换和记录。
其中，接触式测量法以微探针扫描法为主，其目的是将光路检测到的微小变化进行放大。
它首先通过单片机控制振动组件，使弹片上产生固定的共振频率，驱动探头振动。
同时X轴和Y轴方向的两个电机的转动使样品在平面上产生一个平面上的运动，在移动的过程中由于材料表面起伏的变化，使探头的振动频率产生变化，使探头的振幅发生变化，经过激光光路的放大，使探头的微小振幅变化被放大后利用线阵CCD检测出来，由微控制器将检测到的结果传输到计算机中，最后利用MATLAB软件的图形仿真，显示出探头的微小变化，该软件的图形仿真显示出微观层次的三位图像，计算出粗糙度值或者利用上位机应用软件接收并处理数据，直接计算出其粗糙度值。

2.非接触式测量方法

1）激光散射法。

散射斑的形成主要归因于干涉效应，当一束相干光照射到被测量表面时，表面不同部分的反射光发生干涉，形成为粒状散射的强度分布。
同时，散射现象是光从粗糙表面反射时在观察屏上形成的散射图案，由反射散射和散射光带组成。
由此产生的散射的亮度分布、对比度等与表面粗糙度密切相关。但由于反射光的相位差受到表面微缩胶片的调制，因此情况有很大不同。

2）轻切削法。

根据光切割原理，平行光以指示的投射角度在表面上进行测量。
由光带与表面轮廓的交线可推导出被测表面的微观几何形状，避免了与被测表面的接触，解决了因表面存在微观峰谷深度而导致的工件测量问题。
由于光切原理，景深和物镜的分辨率限制了可测量表面上轮廓峰谷的最大和最小高度。

3）干涉测量法。

主要是指利用光的干涉现象来测量高质量光学表面的粗糙度和轮廓度，目前消除外界因素对测量结果的影响已成为干涉测量研究的重点。
为克服空气干扰、轨道误差、振动等对在线测量的影响，有专家研制出一种激光离群干涉仪，采用共激光光路共模抑制，使在线面形测量技术实现零突破，实现了大动态测量范围和高测量分辨率，采用大数与小数相结合的方式处理离群信号。
如果采用非相干宽带光源，且两臂光程差大于相干长度，则不会出现空间条纹，但重叠光谱区内的光谱会随着工件表面粗糙度的变化而变化，表面粗糙度测量的精度与光程差和光谱的相对可见度呈正相关。

4）光学探针法。

该方法原理上与机械探针式测量方法类似，用聚焦光束代替探针，从而实现非接触测量。
光学触针式测量系统的测量范围较其他方法大，不仅能测量局部表面粗糙度，还能精确测量1mm范围内的表面形貌变化，以及检测表面上微小的缺陷。

结语

随着现今加工工业的不断成熟，以及对产品利用率的严格控制，甚至在可持续发展对环境影响的今天，有必要将一种新的加工技术推上舞台，特别是对于表面粗糙度特性的掌握，将使得加工工业技术链趋于成熟。
业内专家对加工刀具的表面特性进行了大量的研究，采用微探针扫描法测量物体的表面状态具有很多优点。
一方面，与传统的触针检测方式相比，探针扫描在工件表面检测中对于被测物体表面的平整度要求较小，同时被测物体上的少量毛刺也能顺利检测出来。
与非接触式光学测量相比，探针扫描式的检测环境适用范围广泛，不必考虑空气中的粉尘等因素会对检查结果产生影响，检查系统体积小、成本低，适合于大范围的投入和使用。
另一方面，传统的触针扫描结果仅仅局限于一行参数，不能在整个平面上进行连续扫描，采集到的数据不太具有代表性，而探针扫描可以有效解决上述问题，随着探针做“Z”形运动，就可以将整个被测物体的宏观平面都扫过一遍完成，整个扫描过程不需要人工参与，自动化程度很高。
综合考虑各方面因素，随着高精度仪器需求量的增加，对加工零件的高质量要求会越来越高，表面粗糙度的研究将越来越关键。
采用微小探针式检测表面粗糙度的方法，性价比高，普及程度高，对工件表面粗糙度的测定及整个加工工业的发展将有很大的促进作用。