科研訓(xùn)練最終版本

1、光纖式表面粗糙度的測量摘要：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)的信號處理電路，提出了智能化光線探針式輪廓儀，文中對一起構(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，最后利用本測量技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量，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)針描法粗糙度測量技術(shù)它根據(jù)微觀表面輪廓對光信號的調(diào)制原理，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行測量控制、數(shù)據(jù)采集與處理，從而實(shí)現(xiàn)對表面粗糙度各常用參數(shù)的測量，并給出被測表面的輪廓圖形文中對有關(guān)測量原理及其關(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、在表面粗糙度測量中作為粗糙度傳感器，使之成為粗糙度測量中的一種新技術(shù)。在金屬表面粗糙度的傳統(tǒng)測量方法中，以觸針式輪廓儀為典型代表，針對觸針式輪廓儀的缺點(diǎn)，如觸針的磨損、對被測表面的劃損和觸針圓角半徑對測量精度的影響等問題，曾提出了以光纖束傳感器為基礎(chǔ)的粗糙度測量方法。這種方法具有非接觸測量的優(yōu)點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，但存在著測量精度低、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)的粗糙度測量新原理，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了進(jìn)一步圖稿測量精度，本文對單模光纖探針粗糙度測量進(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、測試精度高等優(yōu)點(diǎn)。這種測量方法的

3、基本原理是利用單模光纖探針直接測出被測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和被測表面的淪落曲線、通過進(jìn)一步計(jì)算，還可得到輪廓算術(shù)平均偏差RA和支承長度率Tp值，宗旨，利用本方法可以得到國家標(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量國內(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、美國和英國等國的一些專家設(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)方法來測量表面微觀不平度的儀器，給從數(shù)值上定量評定表面粗糙度創(chuàng)造了條件。表面粗糙度儀 從30年代起，已對表面粗糙度定量評定參數(shù)進(jìn)行了研究，如美國的Abbott就提出了用距表面輪廓峰頂?shù)纳疃群椭С虚L度率曲線來表征表面粗糙度。1936年出版了Schmaltz論述表面粗糙度的專著，對表面粗糙度的評定參數(shù)和數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)化提出了建議。但粗糙度評定參數(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年代各國相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以后開始的。 首先是美國在1940年發(fā)布了ASA B46.1國家標(biāo)準(zhǔn)，之后又經(jīng)過幾次修訂，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、分級和表示法國家標(biāo)準(zhǔn)，而后經(jīng)過了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)國家的標(biāo)準(zhǔn)大多是在5

6、0年代制定的，如聯(lián)邦德國在1952年2月發(fā)布了DIN4760和DIN4762有關(guān)表面粗糙度的評定參數(shù)和術(shù)語等方面的標(biāo)準(zhǔn)等。 以上各國的國家標(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)千差萬別，但其定義的主要參數(shù)依然是Ra或Rq，這也是國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量 對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)行測量。然而對于內(nèi)孔、凹槽、溝槽，尤其對一些形狀復(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

7、法對其進(jìn)行測量。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量以及大型工件表面的測量;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)所無法比擬的。光纖傳感器具有不受磁場干擾、傳

8、播信號安全、可實(shí)現(xiàn)非接觸測量、可適應(yīng)惡劣環(huán)境的使用以及靈敏度高、精度高、快速測量、使用簡便等特點(diǎn)。利用光散射理論測量表面粗糙度，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)使測量產(chǎn)生誤差。當(dāng)光纖傳感器的測量頭到被測表面距離發(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)致輸出信號隨著工作距離的變化而發(fā)生變化，最終引起測量結(jié)果戶二生誤差;此外，由于光纖散射法測量表而粗糙度的實(shí)質(zhì)即是測量表面反射場中的一部分光通量，而_巳測量裝鴛上的測頭與測量環(huán)境是非封閉的，故而測量環(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的變化，從而引起測量結(jié)果產(chǎn)生誤差。范圍內(nèi)的光線經(jīng)過透鏡后才能進(jìn)入光纖端而，而從透鏡邊框與被測表面之間的縫隙進(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。在測量過程中，除了上述影響因素外，光源的光強(qiáng)變化對輸出結(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)對測量結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差。因此還需要解決光源波動(dòng)對測量結(jié)果

10、的影響，否則將導(dǎo)致光散射一法結(jié)合光纖傳感器測量表面粗糙度無法實(shí)現(xiàn)。這種測量方法集機(jī)、光、電于一體，測量影響因索和誤差源較多，囚此必須在測量過程中對此進(jìn)行消除和抑制。本文采用準(zhǔn)直型光纖傳感器測量系統(tǒng)，幾乎可以不受測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)直型光纖傳感器測量零件表面時(shí)，測量系統(tǒng)對光源要求大為降低，簡化了光纖結(jié)構(gòu)，提高了測量裝置的實(shí)用性和可靠性，為實(shí)現(xiàn)“在線測量”提供了必要條件，使表面粗糙度的三維測量技術(shù)發(fā)展進(jìn)入了新的階段。光纖式光散射法是對表面三維形貌的局

11、部區(qū)域的三維評定，所測參數(shù)是一個(gè)綜合參數(shù)。所測綜合參數(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，這些問題都具有模糊性。而模糊數(shù)學(xué)中的模糊綜合評判是在模糊的環(huán)境卜，考慮多因素的影響，按某種目的對事物做出的綜合評判。因此，可采用模糊綜合評判解決這些模糊性的問題，即對所測得的三維綜合參數(shù)進(jìn)行模糊綜合評判，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量儀雖然有使用方便、測量迅速的優(yōu)點(diǎn)，但這種方法屬于接觸式測量，觸針的針尖容易劃傷被測表面。這使得它的應(yīng)用受到一定的限制。而各種非接觸測量方法中常用的光散射法測量所得的是統(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)”表面來評定，事實(shí)上任何測量儀器都不可能得到被測試件的“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。被測量表面的微觀幾何形貌在特定的位置，可能對應(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（遺憾的是不容易測量），如許多加工過程被撕裂成不規(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)方面的測量推論出：在分子尺度上表面的實(shí)際面積是它們的名