一种新型的表面粗糙度测量仪

　　1　引言

　　表面粗糙度是机械零件的一个主要几何精度指标,它直接影响机器或仪器的使用性能和使用寿命。

　　目前在生产现场主要是靠目测或触摸对比样板的办法来估计,而计量室中常用光切显微镜,干涉显微镜及电动轮廓仪,由于其结构和性能所限,难以实现现场主动测量,而且工作效率不高。

　　为了弥补传统测量方法之不足,作者已多年致力于光纤表面粗糙度测量方面的研究〔1〕〔2〕〔3〕,初步实现了光纤表面粗糙度测量仪的产品化,它具有如下特点:

　　(1)属于非接触式测量方法,有利于保护精加工表面的完整性,不致于划伤被测表面;

　　(2)应用了最新单片机及电子技术,低功耗设计,电池供电,体积小,便于携带,可直接显示轮廓算术平均偏差Ra值,能对不同加工方法或不同材料的零件表面进行测量;

　　(3)既适合于加工后的现场批量检验,也适合于流动性强的抽检,工作效率高;

　　(4)标定、调校容易,操作简单,全中文提示;

　　(5)不受环境杂散光影响,抗电磁干扰性能好。

　　2　测量原理简介

　　便携式光纤表面粗糙度测量仪由光纤传感器及单片机系统两部分组成,其原理框图如图1所示。在光纤传感器中,入射光纤束和接收光纤束都是由直径为50μm,数值孔径N.A.=0.58的阶跃型玻璃光导纤维组成,并在探头端排列成同心圆型。传感器输出电压值的大小正比于接收光纤束所接收到的反射光强,与表面粗糙度有关。此外,该反射光强还与入射光强、测量距离、材料表面反射率及一些决定光纤束几何关系的常数有关,有关用光纤传感器测量表面粗糙度的原理,实验特性曲线及传感器的具体结构限于篇幅在本文中不详细讨论,参考文献〔1〕〔3〕已有较深入的论述。过去的研究表明:利用光纤传感器测量表面粗糙度还有如下基本问题需要解决。

　　(1)仪器的标定及精度调校　如上所述,传感器输出电压值大小除与表面粗糙度有关外,还与入射光强、测量距离及光纤束本身的特性有关,且这些关系并非线性关系,由于传感器在制造过程中,不可避免地存在加工装配误差,即使微米级的误差也会使传感器输出电压值产生不可忽略的偏差,光源的影响更是如此,作者曾用调整光源强弱及改变放大电路放大倍数的方法校正,不能得到满意结果,因此,传统的将标定曲线作成表格一次性固化在单片机程序存储器里的作法会使批量生产的仪器产生较大的测量误差,定期的精度调校也十分困难。

　　(2)仪器的电源及仪器的体积　现场测量及流动性强的抽检要求仪器必须体积小、抗干扰性强、自带电源。小型电池供电是最好的方案,但小型电池供电要求仪器功耗低,稳压电路可靠,否则会使仪器的测量产生误差。