【技术文章】创视智能光谱共焦技术——实现非接触式粗糙度测量

既然谈到粗糙度这个词，就有人好奇了，什么是粗糙度呢，我们为什么要测量粗糙度呢，表面粗糙度对我们所生产的工件右有什么影响呢，又是怎么去计算粗糙度的呢，有如何测量我们工件表面的粗糙度，有哪些方法可以测量。接下来我们带着疑问，一起看一下下面这篇文章。

“表面粗糙度”（surface roughness）用来表示通过机械加工或铸、锻、冲压、热轧、冷轧等方式在工件表面上形成一系列具有很小间距的微小峰以及峰谷，然而这些都是微观几何形状误差。表面粗糙度（微观几何形状误差）应与表面形状误差（宏观几何形状误差）和表面波度区分开：通常两峰之间的波距小于1mm的属于表面粗糙度，在1~10mm之间的属于表面波纹度，大于10mm的属于宏观形状误差。零件的表面粗糙度对零件的功能要求、美观程度、摩擦磨损、配合性质、耐磨性、耐腐蚀性、疲劳强度及结合密封性都有重大影响。

图1 表面粗糙度（微观几何形状误差）

零件往往在加工过程中，由于CNC机床或铸、锻、冲压等加工方式都存在一定程度上的缺陷，比如机械加工的刀具偏转和振动，都会给工件带来不规则性的影响，这些不规则性会影响零件的不同方面，如果粗糙度水平未达到所需水平，可能会导致装配、腐蚀、磨损、外观和许多其他问题。研究表面，材料的表面特性对机械性能有很大的影响，而随着机械零件的性能要求和加工工艺的提升，零件表面的粗糙度情况也变得尤其重要，其表面粗糙度检测是评定零件表面质量的一项技术指标。

工件经切削加工或其他方法所形成的表面，由于加工中的材料塑性变形、机械振动、摩擦等原因，总是存在着几何形状误差。由于加工方法和工件材料的不同，被加工表面留下痕迹的深浅、疏密、形状和纹理都有差别。（如下图）

表面粗糙度对零件的影响主要体现在七个方面，分别是耐磨性，配合稳定性，疲劳强度，腐蚀性，密封性，接触刚度以及测量精度。具体影响如下：

➤ 影响耐磨性。零件表面越粗糙，配合表面间的有效接触面积越小，压强越大，摩擦阻力越大，磨损就越快。因此，合理的提高零件表面粗糙度，即可减少磨损，提高零件耐磨性，延长其使用寿命。但对于有相对运动的接触表面并不是表面越精细越好，因为随着表面粗糙度的提高，不仅增加制造成本，而且由于表面过于光滑，会使金属分子的吸附力加大，接触表面间的润滑油层会被破坏，形成干摩擦，使金属表面加剧磨擦磨损；

➤ 影响配合的稳定性。对间隙配合来说，表面越粗糙，就越易磨损，使工作过程中间隙逐渐增大；对过盈配合来说，由于装配时将微观凸峰挤平，减小了实际有效过盈，降低了连接强度；

➤ 影响疲劳强度。粗糙零件的表面存在较大的波峰波谷，它们像尖角、缺口和裂纹一样，对应力集中很敏感，从而影响零件的疲劳强度；

➤ 影响耐腐蚀性。粗糙的零件表面，易使腐蚀性气体或液体通过表面的微观凹谷渗入到金属内层，造成表面腐蚀；

➤ 影响密封性。对于静力密封，粗糙的表面之间无法严密地贴合，气体或液体通过接触面间的缝隙渗漏。对于动力密封，需要加适当的润滑油，表面加工粗糙会影响密封性，但过于精细的表面，会使附着在波峰上的油分子受压后被排开，从而破坏油膜，因此表面粗糙度参数不能过低也不能过高；

➤ 影响接触刚度。接触刚度是零件结合面在外力作用下，抵抗接触变形的能力。机器的刚度在很大程度上取决于各零件之间的接触刚度；

➤ 影响测量精度。零件被测表面和测量工具测量面的表面粗糙度都会直接影响测量的精度，尤其是在精密测量时。测量面的表面越粗糙，测量误差就越大。

此外，表面粗糙度对零件的镀涂层、导热性和接触电阻、反射能力和辐射性能、液体和气体流动的阻力、导体表面电流的流通等都会有不同程度的影响。

工业中使用的一些常见的表面粗糙度符号包括：

➤ RA（平均粗糙度高度）：表示表面的平均粗糙度高度；

➤ Rz（最大粗糙度高度）：表示表面的最大粗糙度高度；

➤ RMS（均方根粗糙度）：表示粗糙度轮廓与平均线的平均偏差；

➤ CLA（中心线平均粗糙度）：表示表面中心线的平均粗糙度高度；

➤ AA（算术平均粗糙度）：表示表面的平均粗糙度高度。

表面粗糙度的符号通常都是以微米（um）为单位测量，少数部分的符号以微英寸（uin）为单位测量，除了这些符号之外，各行各业还提供了更加详细的表面粗糙度规范，例如：ISO 1302和JIS B 0601。

➤ R符号：用于表征某条直线上的轮廓（如：某直线ȴ上的轮廓）；

➤ S符号：用于表征某个表面上的轮廓（如：某区域ɑ上的轮廓）。

图5 轮廓各项参数示意图

➤ 最大轮廓峰高（Rp）：最大轮廓峰高是在取样长度Lr内，被评定轮廓在单个取样长度Lr内据X轴的高度Z（x）最大轮廓峰高的距离差；

➤ 最大轮廓谷深（Rv）：最大轮廓谷深是在取样长度Lr内，被评定轮廓在单个取样长度Lr内据X轴的高度Z（x）最大轮廓谷深的距离差；

➤ 轮廓的最大高度R（z）（二维），S（z）（三维）：轮廓的最大高度是在取样长度Lr内，被评定轮廓在单个取样长度内距X轴的高度Z（x）最大轮廓峰高和最大轮廓谷深之和；

注：此处的R（z）为2000年标准中规定的R（z），与GB/T 3505—1983中的R（z）“不平度十点高度”含义不同，需注意区分。

➤ 轮廓单元的平均线高度（Rc）：最大轮廓峰高是在取样长度Lr内，被评定轮廓在单个取样长度内每个最大轮廓峰高和最大轮廓谷深之和高度Z（x）绝对值的算数平均值。用公式表示为：

➤ 轮廓总高度（Rt）：轮廓总高度是在取样产长度Lr内，被评定轮廓在X轴的最大峰高于最下峰谷之间的高度差。Rt是根据评定长度而不是取样长度（区别于Rz）上定义的，因此Rt≥Rz对任何轮廓来讲都成立；

➤ 轮廓的算数平均偏差（Ra）：轮廓算术平均偏差是在取样产长度Lr内，被评定轮廓在单个取样长度内任何一位置X轴的高度Z（x）绝对值的算数平均值。用公式表示为：

我们常见的粗糙度表示方式一般以Ra‘XX’um来表示粗糙度，以微米（um）为单位测量。而Ra与表面光洁度（SF）的等级存在一定对应关系如下表所示。

图6 轮廓的算数平均偏差（Ra）

➤ 轮廓的均方根偏差（Rq）：轮廓的均方根偏差是在取样长度Lr内，被评定轮廓在单个取样长度内纵坐标Z（x）的均方根。用公式表示为：

➤ 轮廓的偏斜度（Rsk）：轮廓的偏斜度是在取样长度Lr内，被评定轮廓在单个取样长度内纵坐标Z（x）三次方的平均值分别与Rq的三次方的比值。用公式表示为：

Rsk是纵坐标值概率密度函数的不对称性的测定。Rsk受离散的峰或离散的谷的影响很大。

➤ 轮廓的陡度（Rkv）：轮廓的偏斜度是在取样长度Lr内，被评定轮廓在单个取样长度内纵坐标Z（x）四次方的平均值分别与Rq的四次方的比值。用公式表示为：

Rkv是纵坐标值概率密度函数锐度的测定。

➤ 接触式测量法：触针的顶端直接接触到样本表面的方式。触针安装在检测器的顶端，对样本表面进行追踪，发生上下运动以供电子检测。电子信号经过放大和数字转换处理后被记录。

图8 表面粗糙度数据采集

优点：清晰的波形轮廓、能够进行长距离的测量。

缺点：接触针的磨损、测量压力会引起样本表面的划伤、不能测量有粘性的样本、无法测量小于触针顶端半径的凹槽、测量需要较长时间、定位和辨认细微测量位置有困难、检测器的追踪需要切割和处理样本。

➤ 非接触式测量法：光谱共聚焦位移传感器，苏州创视智能技术有限公司是一家专业从事精密检测系统，精密测量传感器研发，生产，销售及服务的技术研发的企业。目前，公司已累计申请各类知识产权数十项，获得CE、ROHS、1SO9001等多项认证，创视智能将持续坚持技术创新，快速响应客户应用需求，以精密测量核心技术能力，助力中国智能制造升级。

而由苏州创视智能技术有限公司自主研发的光谱共聚焦技术在位移测量领域具有很多应用场景，例如在3C电子领域中测量手机边框尺寸测量，PCB透明涂层厚度测量，点胶引导，胶水高度，厚度测量；在汽车制造领域中测量挡风玻璃厚度曲率测量，传动装置振动测量，刹车片翘楚测量；在半导体领域中测量晶圆厚度，高度，翘曲度等以及自动对焦高度测量，溅射靶材料厚度测量等应用。

图9 光谱在各行业中的应用

➤ 光谱共聚焦技术原理：白色点光源通过色散共焦探头后照射到目标上，光源中不同波长成分形成纵向分布 S'；目标上的光点通过共轴光路返回后通过小孔光阑，接入到光谱仪中。当与目标的距离产生变化时，聚焦的光线的波长也会随之变化，在光谱仪中产生不同的光谱分布。

图10 光谱共聚焦技术原理

电路板上的光源驱动发射电信号驱动白光光源发出光线，通过色散共焦镜头后照射在目标物上，这时的光线按照不同波长纵向聚焦在不同的高度位置上，这些光线通过共轴光路返回时通过一个小孔光阑，接入到光谱仪中，光谱仪接受光谱解析波长进行光电信号处理，将光信号处理为电信号，再通过算法将电信号解析为距离数据，最后通过接口输出测算结果。

图11 产品分解

光谱仪信号：当样本移动时，在被测量的范围内，不同距离下的回光在光谱仪的波长和重心发生了变化。共焦系统实际上对所有空间都是“盲的”的除了明显聚焦的点S‘。由位于S‘旁边、下方或上方的点所发射的光不能到达位于S’的过滤针孔后面的探测器”。这一特性适用于散射样品和镜面（抛光）样品。

在彩色光系统中，任何给定点的图像位置取决于入射光的波长。轴向色差技术是折射光学系统的一种物理属性，在所有类型的玻璃上都能观察到。它是由光谱色散（折射率对波长的依赖）引起的。

在大多数情况下，光学设计人员会努力消除通常被认为是折射光学系统几何误差的轴向色差。然而，在一些非常特殊的应用中，色差控制量的存在可能非常有用，通过仔细选择玻璃的类型和光学系统中所有表面的半径大小，可以获得可控制的色度。

图12 轴向色差技术

对于透明的薄膜样品，我们不仅实现单层可测，如今经过不断技术积累和突破，更是实现了多层薄膜厚度共同测量。到目前为止，所需的计算能力超过了我们传感器内部处理单元的计算能力。然而，这个操作可以在主机PC上执行，使用我们的“ConfocalStudio”软件。该软件可以同时测量多达5层。

图13 透明样品的示意图以及原始图像波峰位置

图14 粗糙度标准块测量示意图

表2 为测量粗糙度标准块数值

结果表明采用光谱共焦探头扫描测量结果与量块的粗糙度变化基本一致，测得的粗糙度Ra值普遍比标称值略高，部分是因为扫描台本身存在数百nm量级的振动，引入了额外的噪声；部分是因为量块本身是作为粗糙度的对比工具，其真实的粗糙度数据和标称值之间也并非完全一致。可以采用跳动更小的运动平台实现更加准确的测量，并且用多种测量手段进行测量性能的横向对比。