图1白光共焦法全曲面粗糙度测量系统

该结构可固定不同曲面类零件并使其绕 Y 轴旋转，驱动采集模块包括驱动器、传感器和联接件，可调节传感器聚焦，驱动器驱动传感器作直线扫描运动并采集数据，模块固定在初聚焦结构上，计算机软件系统可实现测量系统的多种功能。

4.2测量原理和流程

白光共焦法全曲面粗糙度测量原理是通过调整工件位置和聚焦结构，使传感器在测量范围内某一位置时，只有某一波长的光聚焦在被测表面上，该波长的光由于满足共焦条件，可以从被测表面反射回光纤耦合器并进入光谱仪，而其他波长的光在被测表面处于离焦状态，反射回的光在光源处的分布远大于光纤纤芯直径，所以大部分光线无法进入光谱仪。通过光谱仪解码得到光强最大处的波长值，从而测得传感器与被测表面之间的距离，得到被测表面的高度信息，经过软件系统对该高度信息进行处理即可得到被测表面的粗糙度数据。

具体测量流程如下：

（1）首先通过工件装夹和旋转结构固定工件；

（2）根据测量需求，旋转工件，使被测表面位置垂直于传感器；

（3）待工件到达测量位置后，通过传感器初聚焦结构调节传感器的垂直位置，满足初聚焦要求；

（4）初聚焦后，对白光共焦传感器进行光暗校正，使其适应环境光线，随后调节联接件，使传感器微聚焦；

（5）微聚焦后，设置测量参数：截止波长、评定长度、采集频率、滤波类型等，启动测量软件；

（6）驱动器带动传感器沿被测表面作匀速扫描运动，扫描运动长度为一个评定长度，传感器在扫描过程中采集被测表面的形貌数据，并经过软件系统处理分析，计算出粗糙度参数：Ra、Rsm、Rz等；

（7）待测量下一位置时，调节工件的被测位置，重复步骤2至6，即可完成该位置的测量。

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实验验证

5.1 实验内容

参照JJF 1105-2018《触针式表面粗糙度测量仪校准规范》中的实验方法和要求，基于一组标准多刻线样板对测量系统开展了示值误差、示值重复性、示值稳定性的考核实验；基于曲面类样品考察了测量系统对全曲面粗糙度的测量能力。

5.2 基于标准多刻线样板的测量实验

5.2.1示值误差

测量一组标准多刻线样板的Ra值，该组样板经过专业机构中国计量科学研究院检定，并附检定证书，该组样板的检定值分别为：Ra 0.403μm、Ra 0.8μm、Ra 1.58μm、Ra 3.18μm。

在样板工作区域内的三个不同位置各测3次，取9次平均值按式（1）计算系统的示值误差Δ。依据JJF 1105-2018《触针式表面粗糙度测量仪校准规范》，该示值误差应不超过最大允许误差：±（0.005＋0.1A），A为样板粗糙度参数Ra的检定值。

根据测量结果绘制误差分析图，得出测量系统的示值误差均在最大允许误差范围内。

5.2.2 示值重复性

测量一检定值为Ra 0.8μm的标准样板，在样板某一固定位置重复测量4次，取最大值与最小值之差的二分之一对测量平均值的百分比为示值重复性。依据JJF 1105-2018《触针式表面粗糙度测量仪校准规范》，示值重复性应不大于3%，测量结果见下表所示，示值重复性满足要求。

5.2.3 示值稳定性

测量一检定值为Ra 0.8μm的标准样板，在样板某一固定位置每隔1h测量1次，共测5次。测量结果中最大值与最小值之差为示值稳定性。依据JJF 1105-2018《触针式表面粗糙度测量仪校准规范》，该示值稳定性应不超过±（0.005+0.1A），A为标准样板Ra的检定值。结果见下表所示，示值稳定性满足要求。

5.3 基于曲面类样品的测量实验

基于本测量系统和经过上级计量机构校准的触针式粗糙度仪，分别对曲面类样品的同一位置进行粗糙度测量。测量位置点如下图所示。测量结果见下表所示，得出二者间差值较小，满足使用要求。

图2测量位置点

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结语

本文针对曲面类零件全曲面粗糙度测量的要求，提出一种白光共焦法全曲面粗糙度检测技术。设计构建了测量系统，开展了多项考核验证实验。实验结果表明白光共焦法全曲面粗糙度测量系统具有较高的示值准确性、示值重复性、示值稳定性，以及具备对曲面类零件进行全曲面粗糙度测量的能力。

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