測量表面粗糙度和測量結果不確定度的研究

張欣 田勇 劉佳麗 孫權 呂紅 （天津市計量監(jiān)督檢測科學研究院 天津300192）

0 引言

表面粗糙度是評定各種機械零件表面加工質量的一個重要指標，它直接影響零部件的磨擦與磨損，從而影響機器或儀器的工作精度與零件配合性質，同時也是影響零件強度與抗腐蝕性的重要因素。因此，表面微觀幾何形狀的大小及其形狀特征，對機器或儀器零件的使用性能有很大影響。

在機械加工生產中，最簡單的評價工件表面粗糙程度的方法是比較法，即將與被評價表面具有相同加工方法的粗糙度比較樣塊進行目測比較，評定出被測表面的粗糙度等級。這種方法簡單快捷、操作性強、成本低，適用于對加工表面粗糙度要求不高，不必給出確切粗糙度參數(shù)值的場合。

而現(xiàn)代機械制造業(yè)的發(fā)展對表面粗糙度測量提出了更高的要求，各種測量方法和測量儀器也應運而生。表面粗糙度測量從最初的目測、粗糙度標準樣板比較測量等定性檢測，發(fā)展到運用光切法（光切顯微鏡）、干涉法（干涉顯微鏡）、針描法（觸針式表面粗糙度測量儀）、印模法等早期的定量檢定法測量。近幾年，隨著光電測量等新技術的發(fā)展，CCD技術、激光技術、光纖技術、光柵技術、微波技術、納米測量技術等逐步被應用于表面粗糙度的測量中。而在機械加工行業(yè)中，觸針式表面粗糙度測量儀因其測量技術成熟、操作簡單、對環(huán)境和被測表面的適應性強等特點，仍是應用最為廣泛的測量儀器。

1 測量結果不確定度評定

表面粗糙度不同于長度、角度等物理量，它表征的是被測表面的粗糙程度，是一個統(tǒng)計概念。因此，它的表征方法千差萬別，在不確定度評定的過程中，各種不確定度分量的影響也有很大不同。表面粗糙度的評定方法可分為中線制、包絡線制等；從原始輪廓得到表面粗糙度輪廓的濾波方法也分為2RC模擬濾波器、相位校正濾波器、樣條濾波器、穩(wěn)健高斯濾波器、多尺度濾波器等，其濾波特性、對各頻率的濾波效果等都有很大不同。表征表面粗糙度的參數(shù)有幾十個之多，這些參數(shù)因其定義不同，不確定度也有很大差別，如Ra等幅值參數(shù)比Rz、Rt等峰值參數(shù)的不確定度值就要小得多。Ra是國際公認的最常用的粗糙度的評定參數(shù)，它是輪廓偏離平均線的算術平均。因此，表面粗糙度測量的不確定度評定相比于其他參量要復雜得多，在做表面粗糙度測量的不確定度評定的過程中，一定要具體情況具體分析，根據實際的測量任務和測量條件來分析其不確定度來源和各不確定度分量的貢獻。

觸針式粗糙度儀是利用針掃描測量對表面輪廓進行記錄和分析計算的。觸針式粗糙度儀有許多種類，各種觸針式粗糙度儀在測量過程中，影響測量不確定度的因素也不盡相同。根據測針位移的相對基準，觸針式粗糙度儀可分為有導頭式和無導頭式。有導頭式粗糙度儀記錄的是測針相對于導頭與被測表面接觸點的位移量；無導頭式粗糙度儀記錄的是測針相對于水平導向基準（如驅動箱主軸）的位移量。下面筆者以有導頭式粗糙度儀為例，說明用觸針式粗糙度儀測量工件表面粗糙度測量結果不確定度的評定方法。

2 用有導頭傳感器測量平面的表面粗糙度的結果不確定度評定

2.1 測量任務

用觸針式表面粗糙度測量儀測量一塊經過精磨加工的平面零件。其表面粗糙度的Ra值預計為0.2 μm，評定表面粗糙度Ra值測量的不確定度。

2.2 測量原理

采用針描法測量工件表面微觀輪廓，并評定其表面粗糙度Ra值。

2.3 測量方法

用觸針式表面粗糙度測量儀測量被測零件上均勻分布的5～10個位置，將各位置上測得的Ra值求出算術平均值，作為零件被測面的表面粗糙度Ra值。

2.4 數(shù)學模型

δ＝d

式中：δ——測件測量結果，μm；

d——測量時在儀器上讀取Ra值，μm。

2.5 方差和傳播系數(shù)

其中：c（）d=1

2.6 測量不確定度來源分析一覽表（見表1）

表1 測量不確定度來源分析一覽表

2.7 測量不確定度分量計算

2.7.1 表面粗糙度測量儀引入的不確定度分量u1依據JJF 1105-2003《觸針式表面粗糙度測量儀校準規(guī)范》，表面粗糙度測量儀Ra參數(shù)測量不確定度評定結果：

2.7.2 測量重復性引入的不確定度分量u2被測工件表面粗糙度具有一定的分散性，其分散性誤差由對工件均勻分布的10個位置分別測得10次，得到平均值結果見表2。

表2 分散性誤差平均值

單次實驗室偏差：

2.8 不確定度分量匯總（見表3）

表3 不確定度分量匯總表

2.9 合成標準不確定度和擴展不確定度

合成標準不確定度為：

取包含因子k=2，于是擴展不確定度為：

測量儀器測量該樣塊的測量結果的不確定度的評估:

[1]測量不確定度評定與表示[S].JJFl059-1999.