1、 表面粗糙度表面粗糙度計量計量 2000 Taylor Hobson Ltd泰勒泰勒霍普森有限公司霍普森有限公司演示中心演示中心目錄目錄 1. 為什么要測量表面粗糙度為什么要測量表面粗糙度?2. 測量方法測量方法 3. 測量基準測量基準4. 表面再現表面再現5. 術語術語6. 濾波濾波7. 參數參數8. 承載區域承載區域 (材料比材料比)9. Rk 參數參數10. 形狀測量形狀測量11. 標定方法標定方法12. Conics and Aspherics.13. 三維測量三維測量14. Drawing Indication. 1. 為什么要測量表面粗糙度為什么要測量表面粗糙度?表面的特性表面的特

2、性l材料的微觀結構材料的微觀結構表面的特性表面的特性l材料的微觀結構材料的微觀結構l刀具的作用刀具的作用表面的特性表面的特性l材料的微觀結構材料的微觀結構l刀具的作用刀具的作用l刀具在材料表面的不穩定刀具在材料表面的不穩定表面的特性表面的特性l材料的微觀結構材料的微觀結構l刀具的作用刀具的作用l刀具在材料表面的不穩定刀具在材料表面的不穩定l機床導軌的誤差機床導軌的誤差表面的特性表面的特性l材料的微觀結構材料的微觀結構l刀具的作用刀具的作用l刀具在材料表面的不穩定刀具在材料表面的不穩定l機床導軌的誤差機床導軌的誤差l工件表面由于壓力而產生的變形工件表面由于壓力而產生的變形表面的特性表面的特性l材

3、料的微觀結構材料的微觀結構l刀具的作用刀具的作用l刀具在材料表面的不穩定刀具在材料表面的不穩定l機床導軌的誤差機床導軌的誤差l工件表面由于壓力而產生的變形工件表面由于壓力而產生的變形在表面上有害的缺陷在表面上有害的缺陷l深的谷易于導致裂紋的可能擴展深的谷易于導致裂紋的可能擴展l當與其緊密配合的零件接觸時，太多的峰將引起過早的磨損當與其緊密配合的零件接觸時，太多的峰將引起過早的磨損和失效和失效l過多的波紋將導致噪音或預示加工問題過多的波紋將導致噪音或預示加工問題在表面上需要的特性在表面上需要的特性l當潤滑非常重要時，表面上需有足夠多的谷用于存儲油當潤滑非常重要時，表面上需有足夠多的谷用于存儲油l

4、表面上足夠的的峰用于吸附油漆和粘結劑表面上足夠的的峰用于吸附油漆和粘結劑l表面分布充足的谷可提高工件的可沒鍛表面分布充足的谷可提高工件的可沒鍛(塑塑)性性l光滑的表面可減小噪音、振動或得到高的反射率光滑的表面可減小噪音、振動或得到高的反射率為什么需要測量表面粗糙度為什么需要測量表面粗糙度? l生產過程控制生產過程控制l預測工件的表現預測工件的表現l監控零件的性能監控零件的性能為什么需要測量表面粗糙度為什么需要測量表面粗糙度?理想的情況為什么需要測量表面粗糙度為什么需要測量表面粗糙度? 實際情況 生產過程控制為什么需要測量表面粗糙度為什么需要測量表面粗糙度? 預測工件的表現為什么需要測量表面粗糙

5、度為什么需要測量表面粗糙度? 監控零件的性能返回目錄2. 測量方法測量方法測量方法測量方法 l接觸式測量接觸式測量l非接觸式測量非接觸式測量如何測量表面粗糙度如何測量表面粗糙度? 比對樣板接觸式測量測量方法測量方法 測量方向測量方向 (X)測頭擺動測頭擺動 (Z)數據間隔數據間隔 (X)電感式傳感器測頭測桿刀口支點鐵芯線圈線圈測量方法測量方法 壓電式傳感器測頭測桿壓電晶體測量方法測量方法 激光器激光器光電二光電二極管極管激光式傳感器測頭測桿返回目錄更進一步的信息測量方法測量方法 3. 測量基準測量基準導頭基準導頭導頭測頭移動測頭移動 (Z)測量方向測量方向 (X)測量基準測量基準 使用導頭基準

6、的優點 降低振動的影響 不需要表面調平 儀器便攜性 牢固的設計測量基準測量基準 測頭到導頭間隔對測量的影響實際高度實際高度 H1H2測量高度測量高度測量基準測量基準 測頭到導頭間隔對測量的影響測量結果 P-V = 0mP-V = 10m測量基準測量基準 獨立基準驅動箱基準測量方向測量基準測量基準 獨立基準驅動箱基準基準導頭光學平晶測量方向測量基準測量基準 返回目錄 4. 表面再現表面再現測頭針尖幾何形狀2m 錐形測頭錐形測頭切去頂端的金字塔型測頭切去頂端的金字塔型測頭2m 測量方向表面再現表面再現 更多信息測尖 尺寸和形狀的影響表面再現表面再現 測尖 側面接觸 表面再現表面再現 由測頭測量的形

7、狀由測頭測量的形狀測尖測尖BBAA測尖 側面接觸 返回目錄表面再現表面再現 5. 術語術語 數據點術語術語混淆采樣間隔采樣間隔真實信號真實信號 信號混淆信號混淆更進一步信息術語術語 粗糙度、波紋度和形狀 采樣表面術語術語 粗糙度、波紋度和形狀 形狀術語術語 粗糙度、波紋度和形狀波紋度術語術語 粗糙度、波紋度和形狀粗糙度返回目錄 6. 濾波濾波術語術語 濾波-區分粗糙度和波紋度表面相互作用表面相互作用用圖形技術濾波取樣長度取樣長度 濾波濾波 濾波濾波 形狀參數取樣長度Ra,Rq,Rz 等.粗糙度濾波濾波濾波 形狀參數取樣長度Wa,Wq,Wz etc.波紋度濾波電子和數字濾波器 ISO 2CR 濾

8、波器 2CR PC濾波器Gaussian高斯濾波器濾波濾波 ISO 2CR 濾波器ISO 2CR 濾波后的圖形濾波后的圖形濾波濾波 未濾波圖形未濾波圖形更進一步的信息 ISO 2CR 濾波的效果相對于濾波中線經修正后的圖形相對于濾波中線經修正后的圖形濾波濾波 由濾波建立的中線由濾波建立的中線 2CR PC 濾波器2CR PC濾波后的圖形濾波后的圖形濾波濾波 未濾波圖形未濾波圖形 ISO 2CR PC 濾波器濾波濾波 由濾波建立的中線由濾波建立的中線相對于濾波中線經修正后的圖形相對于濾波中線經修正后的圖形 高斯濾波器未濾波圖形未濾波圖形高斯濾波后的圖形高斯濾波后的圖形濾波濾波 高斯濾波器圖形濾波

9、圖形濾波取樣長度取樣長度 XZ未濾波圖形未濾波圖形 中線中線取樣長取樣長度度濾波濾波 更進一步的信息濾波的效果 未濾波圖形未濾波圖形波紋度幅值波紋度幅值 = 100m粗糙度波長粗糙度波長 = 0.25 mm 波紋度波長波紋度波長 = 8.0 mm粗糙度幅值粗糙度幅值 = 20m濾波濾波 2CR 粗糙度濾波效果8.0 mm 取樣長度濾波取樣長度濾波波紋度幅值波紋度幅值 = 75m粗糙度波長粗糙度波長 = 0.25 mm 波紋度波長波紋度波長 = 8.0 mm粗糙度幅值粗糙度幅值 = 20m濾波濾波 2.5 mm取樣長度濾波取樣長度濾波波紋度幅值波紋度幅值 = 24m粗糙度波長粗糙度波長 = 0.

10、25 mm波紋度波長波紋度波長 = 8.0 mm粗糙度幅值粗糙度幅值 = 20mFilters 2CR 粗糙度濾波效果0.8 mm取樣長度濾波取樣長度濾波波紋度幅值波紋度幅值 = 2m波紋度波長波紋度波長 = 8.0 mm粗糙度幅值粗糙度幅值 = 20m粗糙度波長粗糙度波長 = 0.25 mmFilters 2CR 粗糙度濾波效果0.25 mm取樣長度濾波取樣長度濾波波紋度幅值波紋度幅值 = 0m粗糙度幅值粗糙度幅值 = 15m粗糙度波長粗糙度波長 = 0.25 mmFilters 2CR 粗糙度濾波效果0.08 mm取樣長度濾波取樣長度濾波波紋度幅值波紋度幅值 = 0m粗糙度幅值粗糙度幅值=

11、 4m粗糙度波長粗糙度波長 = 0.25 mmFilters 2CR 粗糙度濾波效果測量長度、評價長度和取樣長度的關系 (ISO 2CR) 取樣長度取樣長度 (Cut-off)評價長度評價長度測量長度測量長度濾波濾波 啟動長度啟動長度停止長度停止長度濾波類型 ISO 2CR- 第1、2個取樣長度舍棄 2CR PC- 第1個和最后一個取樣長度舍棄Gaussian- 第1個半個和最后一個半個取樣長度舍棄濾波濾波 取樣長度的選取 0.8mm取樣長度取樣長度 (Cut-off)濾波濾波 取樣長度的選取濾波濾波 0.25mm取樣長度取樣長度 (Cut-off)選擇正確的取樣長度值 1.25 mm測量方向

12、測量方向濾波濾波 Recommended Cut-off (ISO 4288-1996)PeriodicProfilesNon-PeriodicProfilesCut-offSamplingLength/EvaluationLengthSpacingDistanceRSm(mm)Rz (m)Ra (m)c (mm)c (mm)/L0.013-0.04To 0.1To 0.020.080.08/0.40.04-0.130.1-0.50.02-0.10.250.25/1.250.13-0.40.5-100.1-20.80.8/40.4-1.310-502-102.52.5/12.51.3-4.05

13、01088/40取樣長度的選取 除非圖紙上另有要求，取樣長度依除非圖紙上另有要求，取樣長度依照上表選取照上表選取濾波濾波 帶寬=Lc/Ls的比值Ls濾波濾波返回目錄Lc 7. 參數參數參數參數 分析類型 粗糙度 - R前綴波紋度 - W前綴未濾波 - P前綴參數參數 參數類型 幅值參數- Z軸方向參數參數 幅值參數- Z軸方向 間距參數- X軸方向參數類型 參數參數 幅值參數- Z軸方向 間距參數- X軸方向 混合參數- X和Z軸 參數類型 參數參數 幅值參數 - Ra Ra參數參數 幅值參數 Ra的限制 RaRaRaRa參數參數 幅值參數 Rq (RMS) lr=評價長度評價長度 參數參數

14、幅值參數 Rt ln=評價長度評價長度lr=取樣長度取樣長度 參數參數 幅值參數 Rp 評價長度評價長度 參數參數 幅值參數 Rv 評價長度評價長度 參數參數 幅值參數 Rz Rz1Rz2Rz3Rz4Rz5Rz = (Rz1+Rz2+Rzn)/n參數參數 幅值參數Rz1max, Rp1max和Rv1max Rz1maxRp1maxRv1max參數參數 間距參數HSC (高點計數) lr=取樣長度取樣長度 (Cut-off)ln=評價長度評價長度 A=定義高度定義高度 B= 中線中線參數參數 間距參數HSC (高點計數)參數參數 間距參數Rpc (峰數) A=選擇的帶寬選擇的帶寬 B= 中線中線

15、參數參數 間距參數Rpc (峰數)Base Sheet SteelPainted Surface參數參數 間距參數Sm(平均寬度) lr=取樣長度取樣長度 (Cut-off) Mean Line參數參數 混合參數- Rdq (Pdq, Wdq) (坡度均方根) 參數參數 No Vibration/QuietLow Frequency RumbleHigh Frequency Scream混合參數- Rdq (Pdq, Wdq) (坡度均方根) 參數參數 該參數值越小，表面的反射率越該參數值越小，表面的反射率越高，表面外觀越好。高，表面外觀越好。該參數值越大，表面的反射率越該參數值越大，表面的反

16、射率越底，表面外觀越差。底，表面外觀越差。返回目錄混合參數- Rdq (Pdq, Wdq) (坡度均方根) 8. 承載區域承載區域 (材料比材料比)承載區域承載區域 (材料比材料比)混合參數 - Rmr 上部的表面決定磨合特性上部的表面決定磨合特性谷決定潤滑特性谷決定潤滑特性表面的基體部分決定磨損或壽命特性表面的基體部分決定磨損或壽命特性混合參數 - Rmr 研磨板研磨板承載線承載線ln=評價長度評價長度Rmr= a+b+c+d+e x100 ln承載區域承載區域 (材料比材料比) 材料比率曲線(Rmr) 0100 %tp(%)p高度高度在在P高度時的高度時的Tp (%)承載區域承載區域 (材

17、料比材料比) 0100 %tp(%)p高度高度在在P高度時的高度時的Tp (%)材料比率曲線(Rmr)承載區域承載區域 (材料比材料比) 材料比率曲線(Rmr)0p高度高度在在P高度時的高度時的Tp (%)tp(%)100 %承載區域承載區域 (材料比材料比)幅值分布曲線 0p高度高度峰的個數峰的個數承載區域承載區域 (材料比材料比)更進一步的信息與材料比率曲線相關的參數-Rsk (非對稱性) Surface with Random Amplitude Distribution- Zero Skew隨機分布的表面隨機分布的表面- 零非對稱零非對稱承載區域承載區域 (材料比材料比)與材料比率曲線

18、相關的參數-Rsk (非對稱性)表面峰占多數表面峰占多數- 正非對稱正非對稱承載區域承載區域 (材料比材料比) 與材料比率曲線相關的參數-Rsk (非對稱性)表面谷占多數表面谷占多數- 負非對稱負非對稱承載區域承載區域 (材料比材料比) 與材料比率曲線相關的參數-Rku(峭度) Rku3返回目錄承載區域承載區域 (材料比材料比) 9. Rk 參數參數參數參數 Rk 參數表面交互作用表面交互作用材料比率曲線(Rmr) 0100 %tp(%)承載區域承載區域 (材料比材料比) 材料比率曲線材料比率曲線傾斜的圖形傾斜的圖形 參數參數 中線中線 未濾波的圖形未濾波的圖形Rk 參數參數參數 中線中線 谷

19、擬制后的未濾波圖形谷擬制后的未濾波圖形 谷去除并保存在內存中谷去除并保存在內存中Rk 參數參數參數 最終的濾波之后的粗糙度曲線最終的濾波之后的粗糙度曲線Rk參數參數參數 100 %0tp(%)40 %RdcRk 參數參數參數 100 %0tp(%)Rdc40 %ABDEFCRk 參數參數參數 C100 %0tp(%)Rdc40 %ABDEFRkD1Mr2Mr1Rk 參數參數參數 tp(%)C100 %0Rdc40 %ABDEFRkD1Mr2Mr1Area 1ECRpkArea 2EDRvkRk 參數參數參數 100 %0tp(%)40 %RkMr2Mr1RpkRvkRk 參數參數參數 Rk 相

20、關的參數 Rk-核心粗糙度深度核心粗糙度深度 Rpk-峰高度 Rvk-谷高度 Mr1-峰的百分比 Mr2-谷的百分比 A1-峰的面積 A2-谷的面積返回目錄10. 形狀測量形狀測量最小二乘直線 形狀測量形狀測量 形狀測量形狀測量 直線度 (最小二乘直線) 形狀測量形狀測量 直線度 (最小區域直線)形狀測量形狀測量最小二乘圓弧R=最小二乘圓弧半徑最小二乘圓弧半徑r-r=最小二乘圓弧最小二乘圓弧 rr形狀測量形狀測量 最小二乘圓弧 半徑測量t=34.501656mmr=110mml=80mmt= 弦高弦高r= 最小二乘半徑最小二乘半徑l= 測量長度測量長度/2r-t形狀測量形狀測量 最小二乘圓弧

21、半徑測量t=1.833462mmr=110mml=20mmr-tt= 弦高弦高r= 最小二乘半徑最小二乘半徑l= 測量長度測量長度/2形狀測量形狀測量 最小二乘圓弧 半徑測量t=1.833962mmr=109.9705mml=20mm返回目錄t= 弦高弦高r= 最小二乘半徑最小二乘半徑l= 測量長度測量長度/211. 標定方法標定方法標定方法標定方法 球標定 測量方向測量方向軟件校正軟件校正弧形誤差dZdX測量方向測量方向軟件校正軟件校正 測頭針尖誤差測量方向測量方向測頭針尖中心的軌跡測頭針尖中心的軌跡標定方法標定方法 Ra和Rz粗糙度樣板標定方法標定方法 Ra和Rz粗糙度樣板標定方法標定方法

22、 測量方向測量方向2.5m臺階高度臺階高度 三線(臺階高度)規范標定方法標定方法三線(臺階高度)規范A=中線中線B=標定高度標定高度標定方法標定方法三線(臺階高度)規范A=調平的表面調平的表面B=PtC=未調平的表面未調平的表面返回目錄更進一步信息Conics & AsphericsConics and Aspherics Conic Sections Conic Constants Ellipse: K0Conics and Aspherics Z2 + X2 = 1 R22 R12 Z2 + X2 = 1 R2 R2 Z2 + X2 = 1 R22 R12 Conic Consta

23、nts Hyperbola: K -1 Parabola: K= -1 Conics and Aspherics Z2 + X2 = 1 R22 R12 Z = (Ax)2What is an Aspheric? Conventional Spherical LensConics and Aspherics What is an Aspheric? Aspheric LensConics and Aspherics Reasons for using an Aspheric Reduces Spherical Aberration Ability to Produce Vari-focal L

24、enses Reduction in Lens Size and Weight Greater Design Freedom Conics and Aspherics How is an Asphere constructed? Basic Conic Section (Sphere) Z Axis X Axis Conics and Aspherics Z2 + X2 = 1R2 R2 How is an Asphere constructed? Aspheric Polynomial CurveZ=a8|x|8 Basic Conic Section (Sphere) Z Axis X A

25、xis Conics and Aspherics How is an Asphere constructed? Aspheric ProfileAspheric Polynomial CurveBasic Conic Section (Sphere) Z Axis X Axis A B C Conics and Aspherics How is an Asphere constructed? Aspheric ProfileAspheric Polynomial CurveBasic Conic Section (Sphere) Z Axis X Axis A B C Aspheric Pro

26、fileAspheric Polynomial CurvesBasic Conic Section Conics and Aspherics Standard Equation for An Aspheric Surface cx2+a1|x| +a2| x|2 + a3| x|3 +a20 | x|20Z(x)= 1+ 1-(K+1) c2x2Where: X is the Radial distance from the Aspheric Axis Z is the corresponding vertical distance a is the indexed Polynomial Co

27、efficient C is the reciprocal of the Base Radius K is the Conic Constant of the Surface Conics and Aspherics Base Radius of Curvature Conics and Aspherics How Do We Measure an Aspheric Surface? Optical FlatAspheric AxisConics and Aspherics How Do We Analyse an Aspheric Surface? Aspheric DataRadius=4

28、0.0mmK= -1A4= 5.3188e-007A6=5.5231e-009A8=-1.6774e-011A10=-6.3352e-014Conics and Aspherics Aspheric Form FitX Axis Z Axis ABAspheric AxisConics and Aspherics Residual Error after Aspheric Form Removal +Z Axis -Z Axis -X Axis +X Axis AAspheric AxisAspheric AxisConics and Aspherics How Do We Analyse a

29、n Aspheric Surface? Conics and Aspherics Aspheric ParametersConics and Aspherics Aspherics-Further Analysis Convex Component-Concave Residual Form Error-Increase Base RadiusConics and Aspherics Convex Component-Convex Residual Form Error-Decrease Base RadiusConics and Aspherics Aspherics-Further Ana

30、lysis Smallest Rt Value Achieved-True Shape & Base RadiusConics and Aspherics Back to Contents PageAspherics-Further Analysis 3D (Areal) Measurement3D Measurement Advantages of 3D (Areal) over 2D Good Visualisation of the Surface More Statistically Stable Better at Detecting & Analysing Defe

31、cts Many Methods of Representing the Data 3D Measurement Disadvantages of 3D (Areal) Longer measurement cycles Measurement Produces Large Data Files Mainly Restricted to R & D Sometimes Visually Subjective 3D Measurement Contact Measurement Method Y Axis Incremental MovementTraverse Direction3D

32、Measurement Non-Contact Measurement Method Y Axis Incremental MovementMeasurement Axis (X) Laser CCD Detector 3D Measurement Critical Dimensions for 3D Measurement Profile 1Profile 2Z1Z2XZY3D Measurement Data Analysis 3D Measurement Levelling the Data 3D Measurement Form Removal Cylinder Liner- No F

33、orm RemovedCylinder Liner- Form Removed3D Measurement Viewing 3D Data Meshed Axonometric View3D Measurement Viewing 3D Data Photo Simulation ViewPseudo- Colour View3D Measurement Viewing 3D Data Continuous Axonometric ViewContour View3D Measurement 3D Filtering 0.8mm0.8mm 0.8mm Gaussian Filter Cut-o

34、ff Lost Top, Bottom Left & RightSampling Area3D Measurement 3D Parameter Types Amplitude Spatial Hybrid Functional 3D Measurement 3D Amplitude Parameters- Prefix: S Sa =arithmetic mean of the deviations from the mean plane Sq =RMS of the mean of the deviations from the mean plane St =total peak

35、to valley over the sample area Sp =height of the highest peak to mean plane Sv =depth of the deepest valley to mean plane 3D Measurement 3D Spatial Parameters SPc =peak count between two selectable planes Sds =density of summits contained in a sampling area Std =texture direction of the surface3D Me

36、asurement 3D Hybrid Parameters Sq =RMS slope of the surface Ssc =mean summit curvature of the surface Sdr =developed interfacial area ratio of the surface3D Measurement 3D Functional Parameters Stp=surface bearing area ratio Sbi =surface bearing index Sci =core fluid retention index Svi =valley flui

37、d retention index3D Measurement Volume/Defect Analysis 3D Measurement Step Height Analysis Drawing IndicationDrawing IndicationConventional Surface Texture Symbol Graphical Symbols for Surface Texture 6.8Requirement for Surface Texture1Requirement for Surface Texture, Material Removal Required2Requi

38、rement for Surface Texture, Material Removal Not Permitted3 Graphical Symbols for Surface Texture Drawing Indication Graphical Symbols for Surface Texture Drawing Indication(d) (e) 3 (c) Turned(a) 0.0025-0.8/Rz 6.8(b) 0.0025-0.8/Ra 2.2Click Here for Further Information Graphical Symbols for Surface

39、Texture Drawing Indication Fe/Ni 15p cr 0.0025-0.8/Rz 6.8Drawing IndicationBi-Lateral Tolerancing Graphical Symbols for Surface Texture U Ra 0.9L Ra 0.3Drawing Indication The 16% Rule (Default Rule) No more than 16% of the measured values for an upper limit should exceed the specified value No more

40、than 16% of the measured values for a lower limit should be less than the specified valueDrawing Indication The MAX Rule RzMAX 0.9EndBack to Contents PageTerminology Frequency ResponseABCDSurface ProfileTraverse Length in 1 Second0.01mm0.02mm0.01mm0.01mm1mm/100 peaks1mm/50 peaks0.5mm/50 peaks2mm/200

41、 peaksElectrical Waveform100 Hz50 Hz50 Hz200 HzClick Here to ReturnStyli - Critical FeaturesShank ClearanceEffective LengthShank LengthPivot PointReproducing the Surface Back to Contents PageClick Here to ReturnHow Do We Measure Surface Finish? Phase Grating Interferometric (PGI)TransducerHow Do We Measure Surface Finish? Non Contact InstrumentsLaser TriangulationCCD ReceptorSurface ALaser Surface BZHow Do We Measure Surface Finish? Atomic Force MicroscopeStylus TipSpri