精密检测技术课件4

三、干涉法及干涉微镜
干涉法是指利用光学 干涉原理来测量表面粗糙 度的一种方法。 度的一种方法。 干涉显微镜是根据光 学干涉原理制成的。 学干涉原理制成的。 图4—6(a)为其光学系统 6(a)为其光学系统 示意图。由光源1 示意图。由光源1发出的 光线经聚光镜2 光线经聚光镜2、滤色片 3、光阑4、及透镜5后成 光阑4 及透镜5 平行光线, 平行光线,射向半透半反 的分光镜7后分成两束： 的分光镜7后分成两束：
图4—4(b)是可动十字分划线与最低点相 4(b)是可动十字分划线与最低点相 切的情况，此时又可读一次数； 切的情况，此时又可读一次数；前后两 次读数之差经简单计算就可求得h 次读数之差经简单计算就可求得h值，测 量时可按Rz定义，在基本长度内， 量时可按Rz定义，在基本长度内，测5个 Rz定义 最高点和5个最低点，求出h的平均值， 最高点和5个最低点，求出h的平均值， 再根据所选透镜组5(可换物镜组) 再根据所选透镜组5(可换物镜组)确定测 5(可换物镜组
由图中的几何关系可得： 由图中的几何关系可得：
h'' = β h' h = h ' cos 45 S =
式中：h——台阶高； 台阶高； 式中： 台阶高 h’’——告阶像高； 告阶像高； 告阶像高 S——台阶宽度； 台阶宽度； 台阶宽度 S’——台阶像宽； 台阶像宽； 台阶像宽 β——显微镜放大倍数。 显微镜放大倍数。 显微镜放大倍数
第四章 表面粗糙度及表面微观形貌测量
表面微观形貌是指表面的微观几何形态； 表面微观形貌是指表面的微观几何形态；它是由于加工过程中刀具和 零件的摩擦、切削分离时的塑性变形和金属撕裂、加工系统的振动等原因， 零件的摩擦、切削分离时的塑性变形和金属撕裂、加工系统的振动等原因， 在零件表面留下的各种不同形状和尺寸的微观结构。 在零件表面留下的各种不同形状和尺寸的微观结构。表面形貌的测量越来 越引起人们重视，这是因为： 越引起人们重视，这是因为： 表面微观形貌在很大程度上决定了零件的使用性能。 ①表面微观形貌在很大程度上决定了零件的使用性能。它影响机械系 统的摩擦磨损、接触刚度、疲劳强度、配合性质、传动精度、导电、导热、 统的摩擦磨损、接触刚度、疲劳强度、配合性质、传动精度、导电、导热、 抗腐蚀性等，从而影响到机械产品的质量及可靠性。 抗腐蚀性等，从而影响到机械产品的质量及可靠性。它是机械产品的重要 质量指标，不仅要定性测量，还要定量测量。 质量指标，不仅要定性测量，还要定量测量。 ②表面微观形貌对加工过程中的工艺过程状态(如刀具磨损、机床振动、 表面微观形貌对加工过程中的工艺过程状态(如刀具磨损、机床振动、 切削用量等)变化非常敏感，因此它被认为是加工过程中控制、 切削用量等)变化非常敏感，因此它被认为是加工过程中控制、监测和诊断 的重要手段。 的重要手段。 当代高新科技的发展对于表面微观形貌研究提出了越来越高的要求。 ③当代高新科技的发展对于表面微观形貌研究提出了越来越高的要求。 硅片表面粗糙度对集成电路的电阻、电容、成品率影响很大； 硅片表面粗糙度对集成电路的电阻、电容、成品率影响很大； 磁盘表
2、台式电动轮廓仪的组成 、 ①基座：仪器的基座主体和带 基座： 有丝杆的立柱两大部分组成。 有丝杆的立柱两大部分组成。 在工作台上放置被测工件的 V形块镶装在底板的 形槽 形块镶装在底板的T形槽 形块镶装在底板的 内。驱动箱通过联接块靠装 在立柱的前面，旋转手轮可使驱动箱上下移动，使装在驱动箱左下方的传 在立柱的前面，旋转手轮可使驱动箱上下移动， 感器触针与被测工件的表面接触。 感器触针与被测工件的表面接触。 ②驱动箱；驱动箱是驱使传感器触针沿被测工件表面滑行的动力部件。 驱动箱；驱动箱是驱使传感器触针沿被测工件表面滑行的动力部件。 ③传感器：传感器安装在驱动箱的左下方。它产生一个大小与触针沿测量 传感器：传感器安装在驱动箱的左下方。 表明上下移动的位移成正比的电动势，通过放大器及运算电路， 表明上下移动的位移成正比的电动势，通过放大器及运算电路，使指示表 的指针偏，可以直接得 值 的指针偏，可以直接得Ra值 电器箱：电器箱包括测微放大器、信号分离与运算器、显示器等。 ④ 电器箱：电器箱包括测微放大器、信号分离与运算器、显示器等。
0
(1) = h''
β
cos 45
0
(2) (3)
S'
β
2、双管显微镜 、 双管显微镜就是根据“光切原理” 双管显微镜就是根据“光切原理”制成 的。图4—3是它的光学系统图。显微镜有照 是它的光学系统图。 明管和观察管，两管轴线互成90 明管和观察管，两管轴线互成900,在照明管 中，光源1通过聚光镜2、窄缝3和透镜5， 光源1通过聚光镜2 窄缝3和透镜5 确的方向投射在工件表面4 以450确的方向投射在工件表面4上，形成一 狭细光带，光带边缘的形状即为光束与工 狭细光带， 件表面相交的曲线，也就是工件在45 截面上的表面形状。 件表面相交的曲线，也就是工件在450截面上的表面形状。此轮廓曲线的波 峰在s 点反射，波谷在s 点反射，通过观察管的透镜5 分别成像在分划板6 峰在sl点反射，波谷在s2点反射，通过观察管的透镜5，分别成像在分划板6 上的是峰、谷影像的高度差。 是仪器的视场图。 (a)是以可动 上的是峰、谷影像的高度差。图4—4是仪器的视场图。图4—4(a)是以可动 十字分划线与最高点相切的情况，此时可在测微目镜鼓轮上读数， 十字分划线与最高点相切的情况，此时可在测微目镜鼓轮上读数，标尺移 动方向与表面影像的峰谷方向成45 即再放大√ 这样可使按式( 动方向与表面影像的峰谷方向成450 ， 即再放大√2 倍， 这样可使按式 (2) 计算h比较方便。 计算h比较方便。
H =
四、触 针 法
1、触针法的测量原理 、
b λ a 2
触针法又称针描法, 它是一种接触式测量方法。 触针法又称针描法 它是一种接触式测量方法。它是利用仪器的测针与被 测表面接触并使测针沿其表面轻轻划过而感知被测量表面信息一种测量。 测表面接触并使测针沿其表面轻轻划过而感知被测量表面信息一种测量。
微目镜鼓轮每一格的分度值c 微目镜鼓轮每一格的分度值c， 以c值乘h的平均值，即得被测 值乘h的平均值， 表面的Rz值 表面的Rz值，将此值与表面租 Rz 糙度数值表的数值相比较， 糙度数值表的数值相比较，即 可确定工件表面的粗糙度。 可确定工件表面的粗糙度。 由图可知： 由图可知： H=H1cos450=H1/√2 h=βH1=βH√2 H=h/ (β√2) √ h=hacos450 = ha/ 45 ha/√2 H=1/ (β√2)(ha/√2) H=ha/(2 β)
面粗糙度影响到耐磨、使用寿命、信号的读出幅度、信噪比等； 射线元件、 面粗糙度影响到耐磨、使用寿命、信号的读出幅度、信噪比等；X射线元件、 激光器的反射镜窗片、同步辐射光学元件、 激光器的反射镜窗片、同步辐射光学元件、激光陀螺元件等都要求越来越 高的表面质量。 高的表面质量。 表面微观形貌测量在学科领域上和纳米技术、生物技术等互相渗透， ④表面微观形貌测量在学科领域上和纳米技术、生物技术等互相渗透， 后 者的发展为前者带来了新的技术手段和新的工作领域。 者的发展为前者带来了新的技术手段和新的工作领域。 机械加工中描述表面微观形貌误差最常用的参数是表面粗糙度。 机械加工中描述表面微观形貌误差最常用的参数是表面粗糙度。评定 表面粗糙度的参数很多，但是最常用的而且和本章关系最密切的有尺Ra Ra， 表面粗糙度的参数很多，但是最常用的而且和本章关系最密切的有尺Ra ， Rq,Rz,Ry等 它们代表的意义是； Rq,Rz,Ry等，它们代表的意义是； Ra：为轮廓算术平均偏差； Ra：为轮廓算术平均偏差； Rz：为微观不平度10点高度； Rz：为微观不平度10点高度； 10点高度 Ry: 为轮廓最大高度； Ry: 为轮廓最大高度； 为轮廓均方根偏差。 Rq: 为轮廓均方根偏差。
§4 —1
表面粗糙度的常规测量方法
表面粗糙度的评价： 表面粗糙度的评价： 1、定性：采用比较得方法来判断它的级别； 定性：采用比较得方法来判断它的级别； 2、定量：通过仪器测量以确定它的级别。 定量：通过仪器测量以确定它的级别。 常用的有样板比较法、光切法、干涉法、触针法以及印模法等。 常用的有样板比较法、光切法、干涉法、触针法以及印模法等。
二、光切法
1．光切法测量原理 光切法是利用光切原理来测量表面粗糙度的方法。 光切法是利用光切原理来测量表面粗糙度的方法。它是将一束平行光 带以一定角度投射于被测表面上， 带以一定角度投射于被测表面上，光带与表面轮廓相交的曲线影像即反映 了被测表面的微观几何形状。 了被测表面的微观几何形状。这种用光带投影于被测面而获得截面轮廓曲 线的方法即称为光切法。 线的方法即称为光切法。 光切原理如图所示，由光源 光切原理如图所示， 发的光线经狭缝后形成一束光带 。此光带以450方向与被测表面相 此光带以45 截。若零件表面轮廓如图4—2(a) 若零件表面轮廓如图4 所示的台阶面，则在与光带投射 所示的台阶面， 方向相应的反射方向上，通过显 方向相应的反射方向上， 微镜就可以看到如图4—2(b)所示的像。 微镜就可以看到如图4 2(b)所示的像。 所示的像
一、比较法
比较法是车间常用的方法。 比较法是车间常用的方法。将被测表面对 照粗糙度样板，用肉眼或借助于放大镜、 照粗糙度样板，用肉眼或借助于放大镜、显微 镜比较； 镜比较；也可用于摸靠感觉来判断被加工表面 的粗糙度粗糙度样板(如图4 1)的材料、 的粗糙度粗糙度样板(如图4—1)的材料、形成 糙度粗糙度样板 的材料 及制造工艺尽可能与工件相同，这样才便于比较，否则会产生较大的误差。 及制造工艺尽可能与工件相同，这样才便于比较，否则会产生较大的误差。
如图4 如图4—7所示，它是将一个很尖的触针 所示， (半径可以做到微米量级的金钢石针尖) 半径可以做到微米量级的金钢石针尖) 垂直安置在被测表面上作横向移动， 垂直安置在被测表面上作横向移动，由 于工作表面粗糙不平， 于工作表面粗糙不平，因而触针将随着 被测表面轮廓形状作垂直起伏运动。将 被测表面轮廓形状作垂直起伏运动。 图4 —7 这种微小位移通过电路转换成电信号并加以放大和运算处理， 这种微小位移通过电路转换成电信号并加以放大和运算处理，即可得到工 件表面粗糙度参数值；也可通过记录器描绘出表面轮廓图形， 件表面粗糙度参数值；也可通过记录器描绘出表面轮廓图形，再进行数据 处理，进而得出表面粗糙度参数值。 处理，进而得出表面粗糙度参数值。 2、电动轮廓仪 、 电动轮廓仪特点是：显示直观；能测量多种形状的工件表面，如轴、 电动轮廓仪特点是：显示直观；能测量多种形状的工件表面，如轴、 锥体、球体、沟槽等；测量时间短，数据处理快；操作方便， 孔、锥体、球体、沟槽等；测量时间短，数据处理快；操作方便，便携式 的电动轮廓仪能适用于现场测量；带有记录器的台式电动轮廓仪， 的电动轮廓仪能适用于现场测量；带有记录器的台式电动轮廓仪，还可以 描绘出实际的表面轮廓曲线；带有微处理机的电动轮廓仪， 描绘出实际的表面轮廓曲线；带有微处理机的电动轮廓仪，更可以通过屏 幕显示被测表面的外貌。 幕显示被测表面的外貌。