腔體內(nèi)表面粗糙度測(cè)試方法研究

1、西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告題目： 腔體內(nèi)表面粗糙度測(cè)試方法研究系 別光電信息系專 業(yè)測(cè)控技術(shù)與儀器班 級(jí)姓 名學(xué) 號(hào)導(dǎo) 師1. 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）綜述（題目背景、研究意義及國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況）1.1題目背景和意義腔體內(nèi)部表面粗糙度在某些場(chǎng)合需要測(cè)試，但目前測(cè)試設(shè)備主要是測(cè)試物體外表面的粗糙度，還未見對(duì)物體內(nèi)腔的測(cè)試設(shè)備，因此，研究測(cè)試方法對(duì)解決這一問題，為下一步設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)起著重要的指導(dǎo)意義。1.2國(guó)內(nèi)外背景1929年，德國(guó)人施馬爾茨（G .Schmalz）第一次對(duì)表面微觀不平度得高度進(jìn)行了定量的評(píng)價(jià)，并在此出版了一本論述表面粗糙度的專著，書中提出了評(píng)定參數(shù)和測(cè)量基準(zhǔn)線的

2、概念。這兩個(gè)概念是表面粗糙度研究歷史上的一次質(zhì)的飛躍，從此開始了對(duì)表面粗糙度的數(shù)量化描述。同代人尼古拉(Nicolau)也對(duì)測(cè)量基準(zhǔn)線的建立作出了貢獻(xiàn)。1936年艾博特（）研制成了第一臺(tái)車間用表面粗糙度的儀器，這種儀器用測(cè)量距離輪廓峰頂?shù)纳疃扰c支撐面積比的關(guān)系曲線，即艾博特曲線來表征表面粗糙度。1940年，英國(guó)成功研制出了泰勒雪夫（Talysurf）觸針式表面粗糙度測(cè)量?jī)x。從此以后，各國(guó)也先后研制出了許多測(cè)量表面粗糙度的輪廓儀。1951年，聯(lián)邦德國(guó)澳普托廠生產(chǎn)出表面粗糙度的干涉顯微鏡；1958年，蘇聯(lián)生產(chǎn)出性能良好的MHH-4型干涉顯微鏡；1975年，泰勒霍布森（Taylor-Hobson）公

3、司研制出Talysurf-5型表面輪廓儀。近年來，掃描電子顯微鏡（SEM）的出現(xiàn)，為表面粗糙度的測(cè)量又開拓了一個(gè)新的途徑。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和工藝水平的提高，對(duì)零件的表面質(zhì)量提出了愈來愈高的要求，特別是超精密加工技術(shù)和光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得表面粗糙度的測(cè)量技術(shù)向著納米級(jí)的水平發(fā)展。各國(guó)紛紛在這方面展開了研究工作。2. 本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施2.1主要研究?jī)?nèi)容：主要研究直徑為30mm，深度為50mm的孔底面表面粗糙度的方法及實(shí)現(xiàn)方案，并就設(shè)計(jì)方案給出每一組成部分的參數(shù)。2.2表面粗糙度的概念及測(cè)量方法（1）表面粗糙度概念/h>1000（宏觀）形狀誤差/h =401

4、000波度誤差 /h<40（微觀）表面粗糙度圖1（2）粗糙度的測(cè)量表面粗糙度是評(píng)定多種工件表面質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo),研究并測(cè)試表面粗糙度是生產(chǎn)加工領(lǐng)域一個(gè)很重要的研究方向。傳統(tǒng)的表面粗糙度測(cè)量方法可分為兩類：接觸式和非接觸式。2.2.1 接觸式測(cè)量方法代表產(chǎn)品是觸針式輪廓儀，如圖2所示。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的觸針式粗糙度測(cè)量?jī)x器是用一個(gè)尖端半徑很小的觸針壓在被測(cè)表面上作橫移掃描針跟隨表面輪廓的形狀作垂直位移。可以說是最大可能地再現(xiàn)了工件的表面狀況，然而這種測(cè)量方法有很大的缺陷，測(cè)試精度不能保證。圖22.2.2 非接觸式測(cè)量方法主要依靠光學(xué)，激光等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)表面粗糙度非接觸測(cè)量。1）常用的光

5、學(xué)方法包括光切法、光干涉法、光學(xué)探針法等。（a）光切法利用“光切原理”測(cè)量表面粗糙度的方法。光切顯微鏡又稱雙管顯微鏡，如圖3所示。圖3圖4（b）光干涉法利用光波干涉原理來測(cè)量表面粗糙度的方法。主要用于測(cè)量表面粗糙度Rz和Ry值，可以測(cè)到較小的參數(shù)值，通常測(cè)量范圍0.031m，常用的測(cè)量?jī)x器干涉顯微鏡，如圖4所示。（C）光學(xué)探針法光學(xué)探針采用輪廓技術(shù)，逐點(diǎn)測(cè)量表面高度，類似于機(jī)械觸針。垂直分辨力可以達(dá)到納米級(jí)，側(cè)向分辨力受照亮點(diǎn)的尺寸確定，該尺寸受繞射的影響。但用這種方法得到的結(jié)果，與用傳統(tǒng)的觸針式方法得到的結(jié)果的一致性并不太好。2）激光散射法當(dāng)一束光以一定角度照射到物體表面時(shí)，除一部分光被物體

6、材料吸收外，大部分光被反射和散射。根據(jù)幾何光學(xué)原理，反射光和散射光的強(qiáng)弱與物體的表面粗糙度有關(guān)，反射光集中于小面積上，形成由許多光點(diǎn)組成的光斑（稱為光核），散射光則分布于光斑兩側(cè)，形成由許多光點(diǎn)組成的光帶。對(duì)于表面粗糙度值較小的表面，反射光斑的光能較強(qiáng)，散射光帶寬度較窄；反之，表面粗糙度值較大的表面，反射光斑的光能較弱，而散射光帶則較寬，如圖5所示。這一現(xiàn)象定性說明了被照射物體表面粗糙度值的大小與光能分布之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如能測(cè)出核帶比，就能確定粗糙度。圖52.3本設(shè)計(jì)擬用方案由于內(nèi)腔的空間比較狹小，用接觸法不是很好實(shí)現(xiàn)對(duì)其的測(cè)量，所以選擇研究非接觸法測(cè)直徑為30mm，深度為50mm的孔

7、底面表面粗糙度。主要選擇激光散射法。圖6如圖6，出射激光束通過偏振片8后成為線偏振光，偏振方向平行于紙面。分光鏡3將光束一分為二，其中一束光(測(cè)量光束)被平面反射鏡4反射，通過1/2波片5使偏振方向轉(zhuǎn)過90°(即偏振方向垂直于紙面)，然后由透鏡6(f=40mm,D=30mm)會(huì)聚后到達(dá)被測(cè)工件表面，經(jīng)工件表面反射后形成反射光斑和散射光帶，再通過偏振分光鏡7后到達(dá)接收光電二極管陣列(SPD)；另一束光(對(duì)準(zhǔn)光束)經(jīng)分光鏡3后垂直入射到被測(cè)工件表面上，因該光束未經(jīng)過1/2波片，故仍垂直返回，再經(jīng)分光鏡3后照射到SPD上，該光束的作用是實(shí)現(xiàn)被測(cè)工件的對(duì)準(zhǔn)。對(duì)準(zhǔn)光束垂直入射到被測(cè)工件表面，通

8、過接收其反射光束，辨別反射光斑中心二極管的輸出最大值，即可實(shí)現(xiàn)工件的對(duì)準(zhǔn)，并可解決回光對(duì)激光器的影響并提高光能利用率。在測(cè)量光束中加入1/2波片改變其偏振方向后，可使經(jīng)被測(cè)工件表面散射后的測(cè)量光束因偏振分光鏡的阻攔而無法返回激光器，從而消除了回光的影響。3. 本課題研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)，前期已開展工作重點(diǎn):1）了解各類測(cè)表面粗糙度的方法； 2）將各類方法進(jìn)行比較，選出適合的方案；3）了解1/2波片；4）了解偏振分光鏡；5）了解SPD。難點(diǎn):1）設(shè)計(jì)測(cè)量狹小內(nèi)腔粗糙度的方法；2）光路圖的實(shí)現(xiàn)與核帶比的測(cè)量；3）SPD的工作原理。前期準(zhǔn)備工作：1）以查閱資料為主，通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)，資料的了解，已明確設(shè)計(jì)

9、任務(wù)。2）了解了表面粗糙度的測(cè)量方法，并比較接觸式和非接觸式測(cè)量的優(yōu)缺點(diǎn)，選定非接觸測(cè)量方法來完成課題。3）提出了設(shè)計(jì)的方案，并已對(duì)實(shí)現(xiàn)這個(gè)課題的方法做了相應(yīng)的了解，對(duì)本課程的工作原理、方式也有了一定認(rèn)識(shí)。4. 完成本課題的工作方案及進(jìn)度計(jì)劃（按周次填寫）設(shè)計(jì)的基本要求及進(jìn)度安排（含起始時(shí)間、設(shè)計(jì)地點(diǎn)）： 該題目在校內(nèi)完成設(shè)計(jì)，時(shí)間為2012年11月26日到2013年4月12日。設(shè)計(jì)的基本要求及進(jìn)度安排： 第12周 查閱資料，了解表面粗糙度的測(cè)試?yán)碚?。?4周 在充分理解畢業(yè)題目基礎(chǔ)上，初步方案設(shè)計(jì)，撰寫開題報(bào)告。第58周 比較不同設(shè)計(jì)方案，并撰寫中期報(bào)告。第914周 就某一合理方案給出各部分

10、參數(shù)。第1516周 撰寫畢業(yè)論文，準(zhǔn)備答辯。5 指導(dǎo)教師意見（對(duì)課題的深度、廣度及工作量的意見）指導(dǎo)教師： 年 月 日 6 所在系審查意見： 系主管領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日參考文獻(xiàn)1K.I.Jolic, C.R.Nagarajah and W.Thompson. Non-contact, optically based measurement of surface roughness of ceramicsJ.Measurement science and Technology, 1994,5:671-684. 2陳繼濤.表面粗糙度檢測(cè)方法發(fā)展史及研究現(xiàn)狀概述J. 中國(guó)科技信息. 2007(17)3

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