实验3 表面粗糙度和位置误差测量

实验3.1 演示实验

实验3.1.1 光切显微镜测量表面粗糙度

1 目的与要求

① 掌握用光切显微镜测量表而粗糙度的原理和方法。

② 加深理解微观不平度十点高度Rz和单峰平均间距s的实际含义。

2 测量原理

光切显微镜是利用光切法测量表而粗糙度。见图3.1，由光源1发出穿过狭缝2，形

图3.1 光切法原理 a)光切图 b)光路图 1光源 2 狭缝 3分化板 4目镜

成带状光束，经物镜组O1O2，斜向45射向工件，凹凸不平的表面上呈现出曲折光带，再以45反射，经物镜组O2O2，到达分划板3上。从目镜里看到的曲折光带，有两个边界，光带影象边界的曲折程度表示影象的峰谷高度h。h与表面凸起的实际高度h之间的关系为

h'?hM?2hM ?cos4517

''?'?

式中 M——物镜组O2O2的放大倍数。

在目镜视场里，对高度h是沿45方向测量的，设有目镜千分尺3 ，（见图3.2所示的两种结构光切显微镜）若读数的值为H，则h’与H之间的关系为：

'?'h'?Hcos45?

上二式合一后得

h?Hcos45?2M?H?iH 2M式中，令1／(2M)=i，作为目镜千分尺装在光切显微镜上使用时的分度值。此值由仪器说明书给定，可用标准刻线尺校对。

3 仪器简介

图3.3 目镜千分尺 1双表线 2 刻度筒 3可动分化板 4固定分化板 图3.1 光切法原理 a)光切图 b)光路图 1光源 2 狭缝 3分化板 4目镜 图3.2 光切显微镜 1横臂 2 手轮 3目镜千分尺 4、8、11、14螺钉 5、12物镜 6型块 7、13千分尺 9螺母10调焦环 15目镜 光切显微镜由照明管和观察管组成，故又称双管显微镜。其外形结构有两种，见图3.2。A图的两只可换物镜5和12的相对位置要调整；b图的两只物镜5和12装成一体，两光轴对台面倾斜，固定成45，两物镜焦点交于一点，使用时无需调整。

在观察管的上方装目镜千分尺3，也可装照相机。在目镜千分尺(图3.3)的视场里有两块分划板：固定分划板4上刻有8mm长的刻线尺，可动分划板3上刻有十字线和双标线。刻度筒2的圆周上刻有100条刻线。转动刻度筒一周，通过螺杆使可动分划板上双标线1相对刻线尺移动1mm。由于放大2M倍(见前述)，故目镜千分尺的分度值小于

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0.01mm，如表3-1所示。

表3-1 光切显微镜的主要技术数据

可换物镜 放大倍数 60 30 14 7

物镜组的 放大倍数 31.3 17.3 7.9 3.9 目镜视场 直径/mm 0.3 0.6 1.3 2.5 目镜千分尺 分度值/μm 0.16 0.29 0.63 1.28 测量范围 RZ/μm 0.8～1.6 1.6～6.3 6.3～20 20～63 4 操作步骤

① 准备工作

估计被测表面的Rz值，参考表3-1选择一对合适的物镜，分别安装在照明管与观察管的下方。并按表3-2选用取样长度与评定长度。

接通电源。擦净工件。将工件放在工作台上，转动工作台，使要测量的截面方向与光带方向平行，未指明截面时，一般尽可能使表面加工纹理方向与光带方向垂直。移动工作台，将工件上要测量的点移到光带处，对外圆柱表面则将最高点移到光带处。

② 粗调焦 参看图3.2，松开支臂1上锁紧螺钉8，缓慢

地旋转螺母9，使横臂带着双管一起向下移动，同时观察目镜，当视场中可看到清晰的工件表面加工痕迹时，停止移动，拧紧螺钉8 (调焦时为避免移动双管)。略微转动目镜15上的滚花环，直到视场中的十字线最清晰为止。

③ 精调焦 转动手轮2、调焦环10和调节螺钉11，使视场中光带最窄，并使一个边界最清晰。再微转手轮2，使此边界落在表面的痕迹上。此时的边界代表光切面，见图3.4。

④ 对线 松开目镜千分尺上螺钉4，转动镜架，使目镜中十字线的横线与光带方向大致平行以体现轮廓中线，此时刻线尺对光带方向倾斜45，拧紧螺钉4。

⑤ 测量微观不平度十点高度RZ 用目镜中十字线的横线瞄准轮廓，从目镜千分尺上读数，以确定轮廓高度。测量方法是：转动目镜的刻度筒，使横线与轮廓影像的清晰边界在取样长度l的范围内与五个最高点（峰）以此相切（图3.4），计下数值Hp1、

?表3.4取样长度和评定长度的选用值 Hp2、?、Hp5（见图3.5），在移动横线与同一轮廓影像的五个最低点（谷）依次相切

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（图3.4），记下数值Hv1、Hv2、?、Hv5（图3.5）。Hpi和Hvi数值是相对于一基准线（平行于轮廓中线）的高度。设中线m到基准线的高度为H，则ypi?Hpi?H，

yvi?H?Hvi，代入

图3.5表面微观轮廓的高度 51?5?Rz???ypi??yvi?

5?i?1i?1?化简得

15Rz???Hpi?Hvi?

5i?1将记下的读数代入上式即可得微观不平度十点高度Rz。

表3-2 取样长度l和评定长度la的选定值（摘自GB1031-81-83的附录B）

Rz、Ry(μm) ≥0.025～0.10 >0.10～0.50 >0.50～10.0 >10.0～50.0 >50～320 l(mm) 0.08 0.25 0.8 2.5 8.0 ln=5l(mm) 0.4 1.25 4.0 12.8 40.0 测量时，目镜视场可能小于取样长度（参见表3-1和表3-2），此时需要转动工作台上的千分尺13（图3.2），使工件平移，以便找出所选取样长度上轮廓的十点高度。

在移动工作台，测出评定长度范围内n个取样长度上的RZ值，记得所测表面的微观不平度十点高度RZ

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