触针式三维粗糙度仪的设计

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The Design of Three-Dimensional RoughmeterYANG Jie，LU Jing ，WANG Jun ，GUO Hong-li(1.Faculty of Mechanical&Electronic Information，China University of Geosciences，Hubei Wuhan 430074，China；2.Hot Rolled Factory Production Technology Division，Wuhan Iron and Steel Co.，Ltd.，Hubei Wuhan 430080，China)Abstract：The traditional two-dimemional roughmeter cnn not express the whole microscopic characteristics of the parts。

while the three-dimensional optical roughme ter c吼 only be used in the laboratory.but also Can not be adapt to the occasionQ厂 e industrial field.So based On the analysis of traditional two-dimensional roughmeterS structure，three-dimensionalroughmeter designed；and the least squares method tofit the plane WaS used；according to the summed evaluation method-厂or three-dimensional roughness parameters，the softwlTre system WOS programmed with LabVIEW.The three-dimensionalparameters ale validated by the test.The test shows that the sugCace Can be efectively characterized by these parameters，which are able to overcome bad parametric statistics，large measuringdeviation ofthe original two-dimensionalparameters，closertothe ren2 surface。

Key W ords： Roughness；Parameters Evaluation；LabVIEWl l了l商表面粗糙度是指加工表面所具有的较袖距和微小峰谷不平度。它主要是由于在加工过程中，刀具和零件表面之间的摩擦，切削分离时的塑性变形和金属撕裂，以及工艺系统中存在的高频振动等原因造成的ll。

随着科技的发展，表面粗糙度已成为-个重要的技术控制参数，无论是在机械加工行业中，还是电子制造业抑或是医学制造业中，它都有着十分重要的作用。

测量表面粗糙度的方法有很多种。根据物理原理，可将它们分为参数方法和轮廓方法两大类。参数方法只能表示被测表面的- 些平均性能；而轮廓法通过逐点扫描能获得形貌信息，它通过给出相对高度的定量信息来测量真实的3D形貌。按传统的分类方式，表面测量又可分为接触式和非接触式。在接触式测量中主要有比较法、印模法、触针法等；非接触测量方式中常用的有光切法 、实时全息法 、散斑法、像散测定法、光外差法、AFM、光学传感器法 。

目前，表面粗糙度的测量大都是基于二维模式，由于表面粗糙度的二维评定依赖于评定轮廓线的位置，所以不能从整体上反映出表面的微观特性。有些表面特征用二维是无法评定的，比如表面峰顶总曲率和平均曲率、表面谷底总曲率和平均曲率以及曲面偏斜率等，此外，有些加工得到的三维形貌完全不同，却检测出相同的粗糙度参数。曾有试验证明，在同-表面上测量不同轮廓的表面参数时，差异大的可达 50%，31，文献p也提出过 ，具有相同Rrms值的粗糙表面轮廓，其轮廓形貌可能会差别很大。这都说明了二维评定的局限陛：对测量条件所做的规定是建立在珩磨、抛光和磨削等制造工艺经验的基础之上，所以它的应用范围很窄，来稿日期 ：2012-07-03基金项目：中国地质大学(武汉)教学实验室开放基金项目(sl(J2O1 1099)：湖北省自然科学基金资助(201 1075057)作者简介：杨 杰，(1968-)，男，湖北武汉人，副教授，博士，主要研究方向：机电-体化；卢 静，(1987-)，女，湖北咸宁人，硕士，主要研究方向：机电-体化30 杨 杰等：触针式三维粗糙度仪的设计 第5期仅适用于评定承受高机械应力表面的工作15l，同样也说明了三维评定在工程界及其表面质量工程中的紧迫性。

近年来 ，国内外对表面粗糙度测量技术以及测量方法的研究很活跃，正确的规定和控制表面形貌的意义不亚于发现-种新材料和发明出-种新的结构1 ，微观形貌的三维表 是粗糙度测量发展的必然。 维参数对应-定面积的区域上的特征，能够改变原二维参数统计 差 、测量值存在较大偏差的不足，更接近真实表面151。由于非接触式的乏维粗糙度仪的使用受到了-些场所的限制，故这里设计了-种接触式的三维粗糙度仪。

2三维粗糙度仪的结构设计传统的触针式二维粗糙度仪的工作原理 是：由仪器内部的驱动机构带动传感器沿被测表面做等速滑行，传感器通过触针感受被测表面，此时工件表面的粗糙度引起触针产生上下位移，从而获取表面轮廓参数。所设计的三维粗糙度仪是在北京时代公司的 TR200手持式粗糙度仪的基础上改装得到的。也就是在原来的基础上加上-个纵向导轨，再配上计算机改装得到。该仪器的针尖半径为 5 Lm，触针测力为0.4Mn。从经济上考虑，所加的 l，轴驱动机构选择采用传统的步进电机和滚珠丝杠实现。通过控制系统向电机发出进给脉冲，电机的转动带动齿轮副的转动，进而使丝杠螺母做直线运动。

3三维粗糙度评定参数目前，三维表征参数还没有被最终确定，也没有出台相关的国家和国际标7停，但是，达成-致的是，所有三维表征参数的符号都标 S，以区别二维参数 R，不同参数根据其含义按下标形式在S后标出。

3.1评定参数的总结作者在阅读大量文献的基础上，将三维评定参数总结，如表1所示。三维参数根据参数的表征意义不同可以分为幅度参数、空间参数、综合参数和功能参数。

表 1三维参数评价体系Tab.1 The Three-DimensionaI ParameterEvaluation System幅值参数 均方根偏差 s ；十点高度s：；偏斜度5 峭度s空间参数综合参数全功能参数表面峰顶密度 ；表面的结构形状比率 ；表面的纹理方向5 ；最速衰减 自相关长度Sd；均方根斜率 ；算术平均顶点曲率 ；展开界面面积比率S ；表面支承指数 s 中心液体滞留指数 S ；谷区液体滞留指数s ；3-2基准面的确定基准面的确定对参数的评定有重要影响。确定基准面的方法有很多，比如：最小二乘法，算术平均法、最悬容区域法，包络面，样条函数等 。由于二维评定中中线是由最小二乘法确定的，且这种方法计算不是很复杂，故采用最小二乘法来计算基准平面。当被测定的面名义上为平面时，设定基准面为平面。用-个多项式来表示这个基准平面：，( ，y)abxcy (1)而轮廓曲面为z( )，则轮廓曲面与基准平面的偏差平方和为： ：∑∑( ( ， -a-bx - ) (2)为使 g最小，用 分别对 n，b，和c求偏导，并使之为0。

罢：∑∑ z( ， -a-b )o (3)O a i i ( y )X .-(/X -6 )0 (4) ( Xi ) - - -6 )0 (5)∑ ∑ ∑∑ )令面 ，y： ，j L -- -，则求解(3)至(5)可得：∑∑ ( Y Xi-mZ-g6 吐!L ～ - (6)n∑ -mnxz∑∑ )y，-mn-7c ! ～ ～ (7)n∑ -mnyzjlaz-6童-cly (8)再将求出的。，b，C值代入(1)中即可求f Lj基准平面。

此时可得平均拟合误差：∑∑l叶6Xicyj-2( ， )lE -L-～- - - f9、m n最大误差为：E maxf叶6 ， )f( o，1，rn；j0，l，n)(1O)当被测定的面名义上为曲面时，设定相应的基准面为曲面。

比如：网柱面，圆锥面，球面等。同样是利用上述类似的方法求m拟合的基准面，此处不冉赘述。

4三维粗糙度仪的软件系统设计4.1系统介绍采用 LabVIEW编写软件系统，它包含的功能，如图 l所示。

系统的主界面，如图2所示图 1软件系统实现的功能Fig.1 The Function of the Software System其中，数据处理主要指的是对被测信号进行滤波。由于硬件滤波很难消除测试信号中各种噪声的影响，所以除进行硬件滤波外，还要进行软件的数字滤波。滤波的方法有很多种，比如，快速傅立叶变换法 、中值滤波、平均值滤波和高斯滤波。南于采ⅢLabVIEW 编程，故滤波操作方法简单。同时考虑到应该选择线性