精密加工表面粗糙度測量數(shù)據(jù)分析評價方法的研究

沈向東

[摘要]隨著零件制造工藝水平和對零件表面加工質(zhì)量要求的提高，精密、超精密加工技術(shù)被廣泛用于制造過程。這種超精密加工或微細加工使零件的加工精度達到了0.3μm以下，表面粗糙度Ra值<0.03μm，從而使以傳統(tǒng)目測方法對這樣的表面進行檢驗和評價已無法實現(xiàn)，取而代之的是一種全新的測量方法和分析處理手段。圍繞這一課題，研究開發(fā)出零件表面檢測系統(tǒng)，旨在對超精密加工零件的表面質(zhì)量進行檢測、分析與評價。

[關(guān)鍵詞]表面粗糙度 超精密加工 零件表面檢測系統(tǒng) 表面質(zhì)量分析與評價

中圖分類號：TH13文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0310114－02

一、問題的提出

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是高新科技的發(fā)展，要求超精密加工的機電產(chǎn)品元器件越來越多，不僅有傳統(tǒng)的光學(xué)零件、塊規(guī)等，而且還有大規(guī)模集成電路芯片、計算機磁盤和光盤、復(fù)印機磁鼓、激光反射鏡、導(dǎo)航陀螺儀、真空無潤滑軸承以及高新科技產(chǎn)品中的精密零部件等。這些超精細加工出來的零件精度已達到了0.3μm以下，表面粗糙度Ra值<0.03μm，從而使傳統(tǒng)目測零件表面質(zhì)量的方式已無法實現(xiàn)對這樣的表面進行檢驗和評價。研究和開發(fā)以計算機輔助測試(CAT)和計算機輔助檢驗(CAI)為手段的零件表面質(zhì)量控制技術(shù)，已經(jīng)成為超精密加工技術(shù)中的一個重要的課題。本文應(yīng)用超精密加工零件表面粗糙度的計算機輔助檢驗測試技術(shù)，提出一種實用、可視化、三維立體化的表面檢測系統(tǒng)，旨在以快速、準確地對超精細加工的零件表面進行檢測、分析和處理，從而為質(zhì)量評價提供依據(jù)。

二、零件表面檢測系統(tǒng)模型

零件表面檢測系統(tǒng)應(yīng)用計算機輔助測試和檢驗技術(shù)研制與開發(fā)，并以MATLAB為軟件平臺，由計算機、激光測量儀等在線檢測表面粗糙度的相關(guān)硬件和軟件實現(xiàn)，包括計算機、模數(shù)轉(zhuǎn)換板（A/D板）、激光傳感器測量系統(tǒng)（激光頭及激光控制器）和相應(yīng)軟件。其系統(tǒng)構(gòu)成模型框圖見圖1。

被測零件表面輪廓圖見圖２。且定義X方向為表面紋路方向，Y是截面方向，Z是測量方向。利用激光測量儀按粗糙度要求檢測的區(qū)域（<1mm）規(guī)定，對其進行二維方向掃描。所得的模擬數(shù)據(jù)經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，得到一組數(shù)字化數(shù)據(jù)。為使數(shù)字化的數(shù)據(jù)不失真，則在離散處理時，將表面的長(x)和寬(y)方向按μm級進行離散，而高度(z)按1X10-3μm級進行離散。將這些數(shù)字化數(shù)據(jù)送入計算機，并用一個三維數(shù)組N(x，y，z)進行保存，以備數(shù)據(jù)處理。

四、數(shù)據(jù)處理流程

應(yīng)用MATLAB軟件包對數(shù)據(jù)進行分析處理和可視化操作，其流程為：

1．模擬輸出零件被測表面的三維立體圖，其高度方向因放大了一千倍，而使表面的狀態(tài)峰谷高度差加大顯示，可以清晰地看出零件表面的紋路方向，便于選擇分析截面（一般而言所選的截面當(dāng)與表面紋路相垂直時，峰谷值差最大）；

2．根據(jù)粗糙度的定義，對表面進行最大峰（谷）值進行遍歷，確定出最具代表性的截面（截面的方位由最大峰（谷）值出現(xiàn)的方向確定），并用圖象表現(xiàn)其零件截面輪廓曲線；

3．在所選定的截面上，為獲取粗糙度的數(shù)值，用最小二乘正交多項式作為曲面表面粗糙度評定最佳擬合的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)字濾波分離出表面粗糙度輪廓，得到零件表面粗糙度輪廓曲線；

4．對零件表面粗糙度輪廓曲線按進行計算,得到表面粗糙度值

5．對計算結(jié)果進行評價，檢驗是否達到質(zhì)量要求。

五、檢測實例

應(yīng)用本系統(tǒng)對一個經(jīng)精密加工的零件進行表面粗糙度檢驗，按其流程作如下介紹。

1．繪制被測零件三維立體表面圖

在MATLAB中，調(diào)用圖形數(shù)據(jù)文件N(x,y,z)，分解成相互關(guān)聯(lián)的x,y,z坐標值，然后調(diào)用繪制三維曲面圖形命令：

surf(x,y,z);

即可繪制出如圖1所示的被測零件三維立體表面圖。

由圖３可以清晰的看到加工紋路方向，從而可按紋路垂直方向確定表面分析截面。

2．繪制零件截面輪廓曲線圖（圖４、圖５）

3．用最小二乘法計算擬合曲線，其擬合曲線用均值方程表示，即

（1）平行于截面輪廓曲線的擬合方程：

（2）垂直于截面輪廓曲線的擬合方程：

4．繪制表面粗糙度輪廓曲線（圖６、圖７）

5．計算粗糙度值Ra(x),Ra(y)，進行評價

由圖６可計算Ra(x)，由圖７可計算Ra(y)。然后根據(jù)要求達到的表面粗糙度等級，對該零件表面進行評價。同時，可以看出，垂直于零件表面紋路方向計算所得到的粗糙度值Ra(y)要比平行于紋路方向所得到的粗糙度值Ra(x)大，因此Ra(y)可以作為零件表面粗糙度評價的依據(jù)。

六、結(jié)論

應(yīng)用零件表面檢測系統(tǒng)可以方便地對零件進行靜態(tài)測試和動態(tài)測試，數(shù)據(jù)處理快速準確。可視化的圖形顯示，使處理過程更加人性化和形象化，可完全替代傳統(tǒng)目測零件表面質(zhì)量的方式對零件表面進行檢驗和評價，因而不失為一種全新的、以表面測量與檢測分析處理為手段的、對超精密加工零件表面進行有效質(zhì)量控制的技術(shù)。

參考文獻：

[1]王隆太主編，先進制造技術(shù)，北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[2]于萬成主編，質(zhì)量控制與檢測技術(shù)，北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[3]于萬波編著，基于MATLAB的圖像處理，北京：清華大學(xué)出版社，2008.