综述粗糙表面形貌测量技术的现状与发展摘要 :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1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。2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 TaylorHobson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。2.1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：对高精度表面及软质金属表 面有划伤破坏作用；受触针尖端圆弧半径的限制，其测量精度有限；因触针磨损及测量 速度的限制，无法实现在线实时测量。2.2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。2.3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，建立一关系曲线，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。2.4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-SR0PT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WYKO激光干 涉仪和光学轮廓仪，可用来测量干涉条纹位相。根据光学干涉原理测量表面粗糙度分辨率高， 适于测量超光滑表面粗糙度，但由于该方法的测量精度受光波波长的影响很大，所以其测量 范围受到一定影响2.5基于计算机视觉技术的测量方法基于计算机视觉的粗糙度测量方法是指使用摄像机抓取图像，然后将该图像传送至处理 单元，通过数字化处理，根据像素分布和灰度、纹理、形状、颜色等信息，选用合理的算法 计算工件的粗糙度参数值。近年来，随着计算机技术和工业生产的不断发展，该方法受到越 来越多的关注。北京理工大学的王仲春等人采用显微镜对检测表面进行放大，并通过对ccd 采集加工表面微观图像进行处理实现了表面粗糙度的检测。哈尔滨理工大学吴春亚、刘献礼 等为解决机械加工表面粗糙度的快速、在线检测，设计了一种表面粗糙度图像检测方法，建 立了图像灰度变化信息与表面粗糙度之间的关系模型。英国学者Hossein Ragheb和Edwin R.Hancock通过数码相机拍摄的表面反射图来估计表面粗糙度参数，运用Vernold Harvey 修正的B K散射理论模型获得了比Oren Nayar模型更好的粗糙度估计结果。澳大利亚学者 Ghassan A.Al-Kindi和Bijan Shirinzadeh对基于显微视觉的不同机械加工表面粗糙度参 数获取的可行性进行了评估，讨论了照射光源与表面辐照度模型对检测的影响，结果显示尽 管从视觉数据和触针数据所获得的粗糙度参数存在一定差异，但是基于视觉的方法仍是一种 可靠的粗糙度参数估计方法。由此可见，根据计算机视觉技术的测量方法主要有统计分析、特征映射和神经网络等黑 箱估计法。通过这些方法获得的表面粗糙度参数的估计值受诸多因素的影响，难以给出其准 确的物理解释。真正要定量地计算出粗糙度参数，需要科学的计算。但是随着机械加工自动 化水平的提高，基于计算机视觉技术的检测方法处理内容丰富、处理精度高、处理速度快、 易于集成等优点将受到越来越多的重视。接触式测量和非接触式测量方法具体又分为比较 法、触针法、光切法和干涉法等。比较法将表面粗糙度比较样块根据视觉和触觉与被测表面比较，判断被测表面粗糙度相当于那 一数值，或测量其反射光强变化来评定表面粗糙度（见激光测长技术）。样块是一套具有平面 或圆柱表面的金属块，表面经磨、车、镗、铳、刨等切削加工，电铸或其他铸造工艺等加工 而具有不同的表面粗糙度。有时可直接从工件中选出样品经过测量并评定合格后作为样块。 利用样块根据视觉和触觉评定表面粗糙度的方法虽然简便，但会受到主观因素影响，常不能 得出正确的表面粗糙度数值。触针法利用针尖曲率半径为2微米左右的金刚石触针沿被测表面缓慢滑行，金刚石触针的上 下位移量由电学式长度传感器转换为电信号，经放大、滤波、计算后由显示仪表指示出表面 粗糙度数值，也可用记录器记录被测截面轮廓曲线。一般将仅能显示表面粗糙度数值的测量 工具称为表面粗糙度测量仪，同时能记录表面轮廓曲线的称为表面粗糙度轮廓仪（简称轮廓 仪）。这两种测量工具都有电子计算电路或电子计算机，它能自动计算出轮廓算术平均偏差 Ra，微观不平度十点高度RZ,轮廓最大高度Ry和其他多种评定参数，测量效率高，适用 于测量Ra为0.0256.3微米的表面粗糙度。光切法光线通过狭缝后形成的光带投射到被测表面上，以它与被测表面的交线所形成的轮廓曲 线来测量表面粗糙度。由光源射出的光经聚光镜、狭缝、物镜1后，以45的倾斜角将狭 缝投影到被测表面，形成被测表面的截面轮廓图形，然后通过物镜2将此图形放大后投射 到分划板上。利用测微目镜和读数鼓轮先读出h值，计算后得到H值。应用此法的表面粗 糙度测量工具称为光切显微镜。它适用于测量RZ和Ry为0.8100微米的表面粗糙度，需 要人工取点，测量效率低。干涉法利用光波干涉原理（见平晶、激光测长技术）将被测表面的形状误差以干涉条纹图形显 示出来，并利用放大倍数高（可达500倍）的显微镜将这些干涉条纹的微观部分放大后进行 测量，以得出被测表面粗糙度。应用此法的表面粗糙度测量工具称为干涉显微镜。这种方法 适用于测量Rz和Ry为0.0250.8微米的表面粗糙度。3表面粗糙度测量的现状和生产实践中常见问题现状现代精密测量技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术为一体的综 合性交叉学科，涉及广泛的学科领域，它的发展需要众多相关学科的支持。在现代工业制造 技术和科学研究中，测量仪器具有精密化、集成化、智能化的发展趋势。三坐标测量机（CMM） 是适应上述发展趋势的典型代表，它几乎可以对生产中的所有三维复杂零件尺寸、形状和相 互位置进行高准确度测量。发展高速坐标测量机是现代工业生产的要求。同时，作为下世纪 的重点发展目标，各国在微/纳米测量技术领域开展了广泛的应用研究。3.1误差自补偿技术德国Carl Zeiss公司最近开发的CNC小型坐标测量机采用热不灵敏陶瓷技 术（Thermally insensitive ceramic technology）,使坐标测量机的测量精度在 17.825.6C范围不受温度变化的影响。国内自行开发的数控测量机软件系统 PMIS包括多项系统误差补偿、系统参数识别和优化技术。3.2丰富的软件技术Carl Zeiss公司开发的坐标测量机软件STRATA-UX,其测量数据可以从CMM 直接传送到随机配备的统计软件中去，对测量系统给出的检验数据进行实时分析 与管理，根据要求对其进行评估。依据此数据库，可自动生成各种统计报表，包 括X-BAR&R及X_BAR&S图表、频率直方图、运行图、目标图等。美国Brown & Sharp 公司的Chameleon CMM测量系统所配支持软件可提供包括齿轮、板材、凸轮及凸 轮轴共计50多个测量模块。日本Mitutoyo公司研制开发了一种图形显示及绘图 程序，用于辅助操作者进行实际值与要求测量值之间的比较，具有多种输出方式。 3.3系统集成应用技术各坐标测量机制造商独立开发的不同软件系统往往互不相容，也因知识产权 的问题，这些工程软件是封闭的。系统集成技术主要解决不同软件包之间的通信 协议和软件翻译接口问题。利用系统集成技术可以把CAD, CAM及CAT以在线工 作方式集成在一起，形成数学实物仿形制造系统，大大缩短了模具制造及产品仿 制生产周期。3.4非接触测量基于三角测量原理的非接触激光光学探头应用于CMM上代替接触式探头。通 过探头的扫描可以准确获得表面粗糙度信息，进行表面轮廓的三维立体测量及用 于模具特征线的识别。该方法克服了接触测量的局限性。将激光双三角测量法应 用于1700mmX 1200mmX200mm测量范围内，对复杂曲面轮廓进行测量，其精度可 高于l“m。英国IMS公司生产的IMP型坐标测量机可以配用其他厂商提供的接 触式或非接触式探头。3.5微/纳米级精密测量技术科学技术向微小领域发展，由毫米级、微米级继而涉足到纳米级，即微/纳 米技术。微/纳米技术研