科研訓(xùn)練最終版本

1、光纖式表面粗糙度的測(cè)量摘要：本文根據(jù)表面輪廓粗糙度調(diào)制原理，采用計(jì)算機(jī)控制的淡漠光線探針掃描技術(shù)及相應(yīng)的信號(hào)處理電路，提出了智能化光線探針式輪廓儀，文中對(duì)一起構(gòu)成原理的想、有關(guān)理論基礎(chǔ)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹，最后利用本測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差分析。介紹了一種基于光纖傳感技術(shù)的光學(xué)針描法粗糙度測(cè)量技術(shù)它根據(jù)微觀表面輪廓對(duì)光信號(hào)的調(diào)制原理，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行測(cè)量控制、數(shù)據(jù)采集與處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)表面粗糙度各常用參數(shù)的測(cè)量，并給出被測(cè)表面的輪廓圖形文中對(duì)有關(guān)測(cè)量原理及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差分析關(guān)鍵詞：粗糙度 單模光纖探針 輪廓調(diào)制 智能化引言：本文利用單模光纖探針

2、在表面粗糙度測(cè)量中作為粗糙度傳感器，使之成為粗糙度測(cè)量中的一種新技術(shù)。在金屬表面粗糙度的傳統(tǒng)測(cè)量方法中，以觸針式輪廓儀為典型代表，針對(duì)觸針式輪廓儀的缺點(diǎn)，如觸針的磨損、對(duì)被測(cè)表面的劃損和觸針圓角半徑對(duì)測(cè)量精度的影響等問(wèn)題，曾提出了以光纖束傳感器為基礎(chǔ)的粗糙度測(cè)量方法。這種方法具有非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，但存在著測(cè)量精度低、得不到表面輪廓曲線等缺點(diǎn)。為此本文又提出了以多模光線探針式為基礎(chǔ)的粗糙度測(cè)量新原理，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了進(jìn)一步圖稿測(cè)量精度，本文對(duì)單模光纖探針粗糙度測(cè)量進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。單模光纖與多模光纖相比，具有纖芯細(xì)、探針尺寸小、測(cè)試精度高等優(yōu)點(diǎn)。這種測(cè)量方法的

3、基本原理是利用單模光纖探針直接測(cè)出被測(cè)表面輪廓圍觀不平度的平均間距SM、輪廓的單峰平均間距S和被測(cè)表面的淪落曲線、通過(guò)進(jìn)一步計(jì)算，還可得到輪廓算術(shù)平均偏差RA和支承長(zhǎng)度率Tp值，宗旨，利用本方法可以得到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的全部六個(gè)粗糙參數(shù)，即Ra、Ry、Rz、S、Sm、tp，以及微觀表面輪廓曲線。全面測(cè)量由計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了智能化。1.光纖式表面粗糙度測(cè)量國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀、結(jié)論1.1 表面粗糙度的概念 表面粗糙度，是指加工表面具有的較小間距和微小峰谷不平度。其兩波峰或兩波谷之間的距離（波距）很?。ㄔ?mm以下），用肉眼是難以區(qū)別的，因此它屬于微觀幾何形狀誤差。表面粗糙度越小，則表面越光滑。表面粗糙度的大小

4、，對(duì)機(jī)械零件的使用性能有很大的影響。1.2表面粗糙度發(fā)展?fàn)顩r為研究表面粗糙度對(duì)零件性能的影響和度量表面微觀不平度的需要，從20年代末到30年代，德國(guó)、美國(guó)和英國(guó)等國(guó)的一些專家設(shè)計(jì)制作了輪廓記錄儀、輪廓儀，同時(shí)也產(chǎn)生出了光切式顯微鏡和干涉顯微鏡等用光學(xué)方法來(lái)測(cè)量表面微觀不平度的儀器，給從數(shù)值上定量評(píng)定表面粗糙度創(chuàng)造了條件。表面粗糙度儀 從30年代起，已對(duì)表面粗糙度定量評(píng)定參數(shù)進(jìn)行了研究，如美國(guó)的Abbott就提出了用距表面輪廓峰頂?shù)纳疃群椭С虚L(zhǎng)度率曲線來(lái)表征表面粗糙度。1936年出版了Schmaltz論述表面粗糙度的專著，對(duì)表面粗糙度的評(píng)定參數(shù)和數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)化提出了建議。但粗糙度評(píng)定參數(shù)及其數(shù)值的

5、使用，真正成為一個(gè)被廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)還是從40年代各國(guó)相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以后開(kāi)始的。 首先是美國(guó)在1940年發(fā)布了ASA B46.1國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，之后又經(jīng)過(guò)幾次修訂，成為現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ASME B46.1-1988表面結(jié)構(gòu)表面粗糙度、表面波紋度和加工紋理，該標(biāo)準(zhǔn)采用中線制，并將Ra作為主參數(shù)；接著前蘇聯(lián)在1945年發(fā)布了GOCT2789-1945表面光潔度、表面微觀幾何形狀、分級(jí)和表示法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，而后經(jīng)過(guò)了3次修訂成為GOCT2789-1973表面粗糙度參數(shù)和特征，該標(biāo)準(zhǔn)也采用中線制，并規(guī)定了包括輪廓均方根偏差即現(xiàn)在的Rq在內(nèi)的6個(gè)評(píng)定參數(shù)及其相應(yīng)的參數(shù)值。另外，其它工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)大多是在5

6、0年代制定的，如聯(lián)邦德國(guó)在1952年2月發(fā)布了DIN4760和DIN4762有關(guān)表面粗糙度的評(píng)定參數(shù)和術(shù)語(yǔ)等方面的標(biāo)準(zhǔn)等。 以上各國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中都采用了中線制作為表面粗糙度參數(shù)的計(jì)算制，具體參數(shù)千差萬(wàn)別，但其定義的主要參數(shù)依然是Ra或Rq，這也是國(guó)際間交流使用最廣泛的一個(gè)參數(shù)。1.3光纖式光散射法表面粗糙度測(cè)量 對(duì)平面和一般圓柱形外表面的粗糙度，一可用觸釗一式儀器很力一便地進(jìn)行測(cè)量。然而對(duì)于內(nèi)孔、凹槽、溝槽，尤其對(duì)一些形狀復(fù)雜的零件表面，如塑料成型模具，輪機(jī)卜片及精密機(jī)構(gòu)的某些零件等，因?yàn)樗鼈兊谋砻媸怯扇S曲面組成的，而且對(duì)一表而粗糙度要求很高，甚至要求加工成鏡面，觸針式儀器由于固有的特性，無(wú)

7、法對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。隨著光纖技術(shù)的飛速發(fā)展，光纖傳感技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。光纖用于傳感是光電子技術(shù)的新結(jié)晶，它具有常規(guī)檢測(cè)技術(shù)不可比擬的諸多優(yōu)點(diǎn)，而且能實(shí)現(xiàn)“傳”和“感”的合二為一。光導(dǎo)纖維不僅抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度高，透光性、電絕緣性以及無(wú)感應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有徑細(xì)、量輕，可撓曲、柔軟性好，在實(shí)際使用中，光纖幾乎不受彎曲效應(yīng)的影響等的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)此前難以實(shí)現(xiàn)的異型表面特定部位的測(cè)量以及大型工件表面的測(cè)量;此外，光纖傳播的光能損失主要是端面反射與光纖吸收損失，而光線在光纖中傳播沒(méi)有反射損失。因此，光纖是低損耗的光學(xué)傳輸器件，此獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)也是其它技術(shù)所無(wú)法比擬的。光纖傳感器具有不受磁場(chǎng)干擾、傳

8、播信號(hào)安全、可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、可適應(yīng)惡劣環(huán)境的使用以及靈敏度高、精度高、快速測(cè)量、使用簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。利用光散射理論測(cè)量表面粗糙度，最常用的光纖傳感器結(jié)構(gòu)有隨機(jī)型和同軸型光纖傳感器。這兩種光纖傳感器結(jié)構(gòu)的主要缺陷是工作距離和環(huán)境光變化都會(huì)使測(cè)量產(chǎn)生誤差。當(dāng)光纖傳感器的測(cè)量頭到被測(cè)表面距離發(fā)生變化時(shí)，由于工作距離的變化使接收功率積分區(qū)間發(fā)生變化，進(jìn)入接收光線的光通量也發(fā)生變化，從而導(dǎo)致輸出信號(hào)隨著工作距離的變化而發(fā)生變化，最終引起測(cè)量結(jié)果戶二生誤差;此外，由于光纖散射法測(cè)量表而粗糙度的實(shí)質(zhì)即是測(cè)量表面反射場(chǎng)中的一部分光通量，而_巳測(cè)量裝鴛上的測(cè)頭與測(cè)量環(huán)境是非封閉的，故而測(cè)量環(huán)境照明光線的明暗變化必

9、然會(huì)造成一部分光線進(jìn)入光纖而引起輸出信號(hào)的變化，從而引起測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差。范圍內(nèi)的光線經(jīng)過(guò)透鏡后才能進(jìn)入光纖端而，而從透鏡邊框與被測(cè)表面之間的縫隙進(jìn)入到透鏡的環(huán)境光線與光軸之間的夾角都很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大一于。，和aZ而不在區(qū)域內(nèi)，故其經(jīng)過(guò)透鏡后并不會(huì)射向光纖端l加，的進(jìn)入光纖的只有經(jīng)被測(cè)表面與透鏡球面多次反射的微弱環(huán)境光線。習(xí)此，準(zhǔn)直光纖傳感器兒乎不受環(huán)境光線的干擾。在測(cè)量過(guò)程中，除了上述影響因素外，光源的光強(qiáng)變化對(duì)輸出結(jié)果也有較大影響，而且光源的光功率穩(wěn)定性可能是沒(méi)有任何規(guī)律的，此影響若不消除，則會(huì)被當(dāng)做是由于零件的面不平度而引起的，從而會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差。因此還需要解決光源波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果

10、的影響，否則將導(dǎo)致光散射一法結(jié)合光纖傳感器測(cè)量表面粗糙度無(wú)法實(shí)現(xiàn)。這種測(cè)量方法集機(jī)、光、電于一體，測(cè)量影響因索和誤差源較多，囚此必須在測(cè)量過(guò)程中對(duì)此進(jìn)行消除和抑制。本文采用準(zhǔn)直型光纖傳感器測(cè)量系統(tǒng)，幾乎可以不受測(cè)頭到表面距離變化和環(huán)境光線的影響，特別是基本消除了光源光強(qiáng)波動(dòng)對(duì)輸出結(jié)果的影響，從而彌補(bǔ)了采用隨機(jī)型和同軸型這兩種光纖傳感器測(cè)量零件表面時(shí)在此兩方面的不足。因此，采用準(zhǔn)直型光纖傳感器測(cè)量零件表面時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)對(duì)光源要求大為降低，簡(jiǎn)化了光纖結(jié)構(gòu)，提高了測(cè)量裝置的實(shí)用性和可靠性，為實(shí)現(xiàn)“在線測(cè)量”提供了必要條件，使表面粗糙度的三維測(cè)量技術(shù)發(fā)展進(jìn)入了新的階段。光纖式光散射法是對(duì)表面三維形貌的局

11、部區(qū)域的三維評(píng)定，所測(cè)參數(shù)是一個(gè)綜合參數(shù)。所測(cè)綜合參數(shù)包含了哪些單參數(shù)的信息，即如何從綜合參數(shù)中獲得單參數(shù)信息，這些問(wèn)題都具有模糊性。而模糊數(shù)學(xué)中的模糊綜合評(píng)判是在模糊的環(huán)境卜，考慮多因素的影響，按某種目的對(duì)事物做出的綜合評(píng)判。因此，可采用模糊綜合評(píng)判解決這些模糊性的問(wèn)題，即對(duì)所測(cè)得的三維綜合參數(shù)進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，并分析其與各表面粗糙度單參數(shù)之間的相關(guān)性。1.4研究課題的意義 傳統(tǒng)的觸針式表面粗糙度測(cè)量?jī)x雖然有使用方便、測(cè)量迅速的優(yōu)點(diǎn)，但這種方法屬于接觸式測(cè)量，觸針的針尖容易劃傷被測(cè)表面。這使得它的應(yīng)用受到一定的限制。而各種非接觸測(cè)量方法中常用的光散射法測(cè)量所得的是統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并不能給出物體表面

12、的微觀輪廓。所以引進(jìn)光纖技術(shù)。2.目前研究階段的不足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定表面粗糙度采用“真實(shí)”表面來(lái)評(píng)定，事實(shí)上任何測(cè)量?jī)x器都不可能得到被測(cè)試件的“真實(shí)”表面，而只能是它的近似“有效”表面。所以現(xiàn)在可用的所有儀器產(chǎn)生的表面單值記錄。都是一種假象，即它們不可能“看到”再新生的或其它裝飾的表面的特征。被測(cè)量表面的微觀幾何形貌在特定的位置，可能對(duì)應(yīng)兩個(gè)或更多的高度離散值。這也解釋了用分形幾何描述表面時(shí)，將它們看作是自仿射的（單值的），而不是自相似的（多值的）。實(shí)際中，許多表面不是單值的，正如我們從電子微觀圖上所看到的（遺憾的是不容易測(cè)量），如許多加工過(guò)程被撕裂成不規(guī)則的碎片。在小的尺度上，許多機(jī)械表面是多值的，從化學(xué)方面的測(cè)量推論出：在分子尺度上表面的實(shí)際面積是它們的名