触针法

对工件加工表面的表面粗糙度进行测量的方法

触针法，是机械加工中对工件加工表面的表面粗糙度进行测量的一种方法。

简介

测量时让触针与被测表面接触，当触针在驱动器驱动下沿被测表面轮廓移动时，由于表面轮廓凹凸不平，触针便在垂直于被测表面轮廓的方向上做垂直起伏运动，该运动通过传感器转换为电信号经放大和处理后，即可由显示器显示表面轮廓评定参数值，也可通过记录仪器输出表面轮廓图形。

参数

用触针法检测被测表面轮廓参数属接触式测量，其检测精度受触针针尖圆角半径、触针对被测表面轮廓的作用力以及传感信号随触针移动的非线性等因素的影响。它适用于检测R0.02~5μm的轮廓。

触针法自1927年以来就一直被采用、广泛地用于表面粗糙度测量，而且用它所获得的结果经常作为评价其它方法的参考标准。

在传统的2D测量中，触针装在具有滑橇的测杆上，沿一个方向在水平面上“爬行”，而且它的垂直位移是相对于滑橇的位置。滑橇“走过”的迹线作为基准线。

在3D分析中，在具有同一个采样步距的平行平面内，测得许多轮廓。这种情况下，不能使用滑橇，因为所有的轮廓必须具有相同的参考基准面，以便不丢失信息。严格地讲，应采用一个独立的表面作为基准。由于同样的原因，数据在获取过程中，不能象在2D仪器中那样被滤波。如果需要滤波，可以在获取数据以后进行数字化滤波。应该注意的是，对于2D仪器新的标准同样也需要一个独立的基准。

当用X-Y平台获取三维表面的z值时，基准由工作台的移动而产生。移动精度在整个的测量精度中起着基准的作用。有些制造者给出平台的偏差图，以便使用数字技术校正基准。在2D和3D分析中，触针的几何形状对于测量的准确性影响很大，而且一直是设计和制造者考虑的重要因素之一。

针尖中心点的坐标被认为是测量表面点的坐标，但是实际的接触点根据表面邻近点的形状和高度而变化。在假定触针和表面均是刚性的情况下，触针具有一个自由度，其垂直位移仅由与表面的点接触而定义。然而，这些点的顺序不是包含在一个垂直平面内，而是依赖于表面的斜率分散在一个“带”内，测量误差是表面结构的函数。

接触式表面粗糙度仪

1965年日本普遍开始使用电动触针式表面粗糙度测量仪。这些仪器都是采用触针接触式测量表面粗糙度，所以统称为触针式也称针描式仪器，其测量原理是金刚石触针垂直接触被测表面，并以恒定的速度沿被测表面移动，该表面轮廓的微观不平度痕迹使触针在垂直于被测轮廓的方向产生上下位移，通过位移传感器将位移量转换成电量，经信号放大并处理后，由指示器指示粗糙度参数值，并由一记录器描绘出被测表面微观轮廓曲线也可以将仪器与计算机相连，在计算机上显示出被测表面粗糙度参数值及其表面微观不平度的轮廓曲线。

触针式测量结果可靠，但触针与被测表面接触时会留下划痕，尽管现代轮廓仪的测量力不大，但由于触针针尖半径很小，对被测表面材料的压强能达到相当大的数值，因此，在靠近触针接触点处被测表面的起伏不平会出现很大的畸变。而且受触针圆弧半径大小的限制，轮廓仪不能测量粗糙度值较小的表面。另外，采用触针式轮廓仪一般不能实现在线测量。

接触式测量方法的传感系统是仪器的核心部分，它决定了仪器的测量的分辨率，常用的传感器的形式主要有电感式、电容式、压电式、干涉式和光栅式等几种[1-4]，其中以电感式最为普遍。20世纪90年代由英国Taylor Hobson公司推出的Form- Takysurf测量仪采用麦克尔逊干涉仪代替了触针系统中的电感传感器。华中科技大学1994年开发了一种CRAS曲面表面粗糙度自动测量分析系统，其中采用了柱面光栅作为传感器。

发展及现状

早在1929年，德国的G.Schmaltz首先对表面微观不平度的参数进行了定量的测量，随后出现了一些基于机械和光学方法实现信号转换的表面特征记录仪器。1936年，美国的E.J.Abbott研制成功第一台车间用的测量表面粗糙度的轮廓仪，它是当下美国Bendix公司测微计分厂生产的表面轮廓仪的先驱。1940年，英国Taylor- Hobson公司研制成功了表面粗糙度测量仪Talysurf。从那时以来，各国也竞相研制轮廓仪，轮廓仪从此进入了表面特征测量领域，并迅速取得了主导地位。

轮廓仪技术的发展同电子技术、计算机技术、信号处理技术等发展相适应。以Talysurf系列产品为例，它经历了电子管电路技术(Talysurf3型)，晶体管电路技术(Talysurf4型)和集成电路技术(Talysurf 5P 5Z 5L)等阶段，现已经进入了数字技术、计算机技术辅助轮廓仪的新阶段，如Talysurf 5M、Talysurf 6型和Form Taly-surf，而每一阶段的转变都使轮廓仪达到了一个更先进的水平。

触针式轮廓仪尽管有产生划痕、扫描速度低、测量区域有限等缺点，但它仍是最常用、最可靠的表面粗糙度测量仪，并且一直是各国国家标准及国际标准制定的依据。

结构组成

粗糙度仪的触针针尖由圆锥状金刚石组成。触针固定在传感器托架上，传感器托架垂直于传感器平面(即扫描平面)放置，托架可以绕轴心旋转。在传感器托架的上部，有两块铁氧体薄板。这两块铁氧体与传感器外壳上的两个线圈之间的距离是确定的，传感器则位于它们的中间部位。在两个线圈上加有正弦载波电压。随着触针针尖在试样表面上的移动，它的每个位移量都会引起线圈中的感应电流发生变化。利用传感器就可以评定电压的变化值，并将变化值转变成一个与触针针尖位移量成比例的电信号，并由此进一步转换成相应的表面轮廓图，可打印输出，也可以数据文件形式存盘，供分析处理用。

测量过程中，触针以一定的速度在涂层材料表面移动，计算机采集传感器探测材料表面的起伏信号，其中包含了材料表面的粗糙度信号，如图1所示。测量数据反映了垂直于测试面的某一平面的结构信息。根据体视学原理，显微结构中某相在三维结构中的体积分数等于其二维结构中的面积分数。

滤波

表面轮廓中的高频分量是表面粗糙度信号，为了获得该信号，需要对表面轮廓进行高通滤波。在最初的电动轮廓仪中模拟电子滤波器是由两级相同的RC网络级联而成，它的传输特性已标准化，在ISO3274—1975标准中规定，传输系数为:

K(λ)=1/(1- j0.577λ/λ0)2

事实上，这样的滤波器是两个完全相同的一阶高通巴特沃斯滤波器的级联。在截止波长处的传输系数为75%，但它的相移是非线性的，会使表面轮廓发生扭曲，即所谓的相位失真。在模拟电路中曾采用一种“全通网络”对其进行校正，但效果不很理想。

随着计算机技术在轮廓仪中应用的发展，数字滤波器被引入了表面特征测量系统中。由于当时的国标仍是按模拟滤波器的特性而定义，因此在最初的微机化轮廓仪中，数字滤波器只是将2RC模拟滤波器进行数字化，它的幅频特性是与模拟滤波器一致的。在数字技术中，如果将数据按序列的正常时间次序通过滤波器，然后颠倒序列的时间次序再通过同一滤波器，如图2所示，这样等效滤波器的频率特性是实数，就实现了零相位的数字滤波。

对于模拟2RC滤波器和零相位数字滤波器，在截止波长处的增益为75%，而且随着频率的增大，衰减过程比较慢。如果将轮廓信号分别通过粗度滤波器和波度滤波器，将分别得到的粗度信号与波度信号叠加，与原轮廓不符。新的国际标准(ISO/TC57/SCIN129，1990)建议使用高斯滤波器，该滤波器的权函数为:

h(t)= A·e-β t2

选择合适的参数A和β，可以使高斯滤波器在截止波长处增益为50%，如图3所示。将图3中高斯滤波器与2RC滤波器进行比较，可以看出高斯滤波器具有对称性，在截止波长附近更陡峭，并且可以实现相位的不失真传输。

另外，还有一种三角滤波器，其权函数为:

h(t)=1/B-(1/B)2|t|

它最重要的特点是简单，常用来作为高斯滤波器的快速近似计算。

产品简介

Taylor- Hobson公司是全球公认的精密计量仪器的创新者和领导者，发明了第一台粗糙度仪和圆度仪，它早期生产的Talysurf 5和Talysurf 6型轮廓仪80年代在我国各工厂计量室中得到了广泛的应用。当下市场上的Form Talysurf series轮廓仪以其系列化产品来适应不同检测需要，一般用于计量室，分辨力/量程可达到0.6nm/0.04mm，12.8nm/10mm。另外还有FormTalysurf Plus型粗糙度轮廓仪，它可以用于加工现场。便携式轮廓仪Surfronic Duo体积小，重量轻，可以测量多种被测表面。

德国Hommel公司有着120多年精密计量仪器制造的悠久历史，它的轮廓仪产品比较典型的有T500，T2000，T4000和T6000等。T500是便携式无缆线连接的粗糙度仪的代表，测量、控制、显示和传感器集成在一个很小的主机上。T1000是集台式和便携式于一身的多功能粗糙度轮廓仪，它的特点是触头可以旋转90°，可以沿纵向和横向在平面、圆弧面、轴颈和小孔内进行测量。T1000和T500都可以通过打印机即时打印轮廓曲线和测量结果，也可以通过RS232接口与微机联机。T4000和T6000是台式高精度粗糙度测量仪。可以测量几十个粗糙度、波纹度和轮廓参数。配合各种测头可测量各种复杂表面的轮廓及粗糙度，T6000的分辨力可达0.001μm。

德国Mahr集团在1973年收购了Perthen公司后，在表面粗糙度测量方面揭开了一个新的篇章。其代表产品M系列便携式粗糙度仪应用十分广泛，有多种选择附件，可实现复杂沟槽的测量。台式粗糙度仪PerthometerS3P，S4P和粗糙度、轮廓、形貌综合测量站Concept都是性能很好的表面粗糙度测量仪。

日本Mitutoyo公司的产品Surftest系列分为211/212/301便携式及SU424/SU-624等台式粗糙度测量仪。它的各种专用传感器测头可以适用于各种型号轮廓仪，可测量圆柱、小孔、深孔、刀刃、台阶、深沟、齿面、曲面、窄槽等各种表面。SU424型轮廓仪配以专用表面分析仪，可直接打印，显示轮廓及测量结果。SU-624型轮廓仪则是配有通用计算机和打印机，测量软件功能强大，数字滤波包括2RC-75%和Gaussian- 50%滤波器，分辨力/量程为5nm/8μm。

我国主要的轮廓仪生产厂家有哈量、上量及北京时代公司。哈量的早期产品2201、2202型轮廓仪在国内深受用户好评。这几年与德国Hommel公司合作，推出一系列便携、台式及专用表面粗糙度测量仪。时代公司的TR100，TR200等便携式轮廓仪以其袖珍式外形设计，电箱、驱动箱、传感器及显示部分的高度集成化为特色，尤其适用于在线测量。

当下，表面粗糙度的测量方法很多，触针式轮廓仪是应用最方便，最可靠的一种。各粗糙度测量仪的生产厂家在提高台式轮廓仪的分辨力，扩充其测量功能完善人机界面等的同时，在便携式轮廓仪的研制开发中，充分利用当今微机处理技术，高度集成化电路技术，及机电一体化设计构成了适应在线测量要求的超小型体系结构。另外，专用传感器的研制也是一个重要的发展方向，只更换传感器附件，其它组件共享，就可以测量各种特殊表面。

意义

接触式表面形貌的测量方法具有测量结果稳定可靠、重复性好、量程大、对测量环境要求低以及仪器操作简单的特点，不仅可测金属表面，也可测非金属表面，是工件加工表面的主要检测方法之一。

全国各地天气预报查询

上海市

云南省

云南省

云南省

云南省