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制造业自动化 加工表面形貌测量理论、方法及评价 林 滨,黄新雁,魏 莹,王 岚 (天津大学 机械工程学院,天津 300072) 摘 要：随着精密、超精密及纳米级加工技术的发展，对工件表面的微观几何结构及表面形貌特性的检 测提出了越来越高的要求，传统的二维表面测量，评定方法发展较为成熟，但已经不能满足现 代计量技术的需要。三维的测量，评定方法则是目前国内外研究的重点。本文就表面测量方法、 理论及评价指标等进行了论述。 关键词：表面形貌；测量方法；评价；表面表征；加工 中图分类号：TP273 文献标识码：B 文章编号：1009-0134(2006)08-0014-04 0 引言 1 测量理论 表面形貌是指零件在加工过程中因诸多因素综 表面形貌评定的核心在于特征信号的无失真提 合作用而残留在零件表面的各种不同形貌和尺寸的 取和对使用性能的量化评定，国内外学者在这一方 微观几何形态。表面形貌不仅直接影响零件的耐磨 面做了大量的工作，提出了许多分离与重构的方法。 性，耐腐蚀性，密封性等，而且对零件装备后设备 随着计算机技术，机电一体化技术的发展，出现了 的整体工作性能，使用寿命，振动与噪声有很大影 最小二乘多项式拟合法，滤波法，分形法，Motif法， 响。因此如何测量，标定，评价表面形貌成为了国 功能参数集法等各种评定理论与方法，并取得了显 内外科学家们研究的重要课题。 著的进展。下面将分别进行介绍： 最早的表面测量是通过目测或用手触摸试件与 最小二乘多项式拟合法，最小二乘多项式拟合 标准样件比较来进行，20世纪20～30年代，世界上 法评定表面形貌的原理是将被测表面表示为一多项 不少工业国家开始采用三角符号的组合来表示不同 式函数，利用最小二乘原理确定多项式系数，从而 精度的加工表面。40年代后各国的二维粗糙度参数 给出评定基准。由于多项是阶次越高，运算时间越 才开始标准化，一些先进的工业国家还制造出了轮 长，且可能丢失表面粗糙度的有用信息，因此对于 廓记录仪，干涉显微镜等仪器来测量表面微观不平 一般的正态分布表面，只需采用二次多项式即可满 度，给从数值上定量评定表面粗糙度创造了条件。 足条件。但最小二乘多项式拟合是对表面低频信号 之后，随着图像分析，数据处理等相关技术的不断 的一种近似拟合，受函数形式和多项式阶次的限制， 发展，表面形貌评定方法从对单一的二维形貌误差， 拟合效果难以保证，且不适用于三维表面功能的评 表面粗糙度的分离评估，逐步发展为对三维表面功 定，对于多次加工生成的表面也很难确定合适的基 能的综合评定。由于对三维粗糙度参数的需求也越 准面。 来越迫切，世界各国对此进行了广泛的研究，但目 滤波法，滤波评定方法可在频域内直接对被测 前仍然没有统一的国际标准和国家标准。 表面原始信号进行分解，而不必将表面形貌表示为 随着国内工业化的发展，我国对表面粗糙度的 某一具体函数，它所生成的基准轮廓可连续变化， 研究和标准化也越来越被科技和工业界重视。我国 可实现与表面原始形貌的良好匹配。 等效采用国际标准化组织（ISO）有关的国际标准制 模拟滤波计算量大未能得到实际应用，而数字 订了GB3505-1983《表面粗糙度术语表面及其参数》 滤波器的传输性准确，稳定，相位不易失真，且易 其对有关表面粗糙度的表面参数等术语作了规定， 于进行编程处理。零相位滤波器最适合用于分离表 分为3个部分，共27个参数术语。1968年我国上海