差不多一个世纪前测量表面粗糙度的概念开始作为停止采购商和制造商之间的争议和不确定性的一种方式。
今天，它是一个通用的标识符，被用于确认内部和法规规范的符合性，验证制造过程，并保证最终产品的性能和质量。
基于手指触摸感觉或肉眼观察表面的质量的主观判断已经被明确定义的公式和无偏的指标所取代。平均粗糙度（RA）是为这些尝试开发的第一个参数，其仍然是由于多种原因而使用的主要参考参数。
首先，平均粗糙度易于计算，甚至使用模拟方法，这在各种行业的早期实施中至关重要，也使其成为当前表征的方便和快速的技术。
其次，Ra参数是一种稳健的计算方法，可以对离群数据进行平均，并提供恒定的结果，而不考虑粗糙度模式。这是极其重要的，不仅要协助大范围的工业制造过程，而且要为过程改进提供坚实的基线。
使用RA作为符合资格的关键参数表面粗糙度依赖于所需轮廓测量的定义标准样品（标准）。这些对单线轮廓制造非常简单，并且经常用于检查粗糙度测量系统是否正确校准。
这确保了针对特定表面提供的RA值与建立的参考值相关联。这些标准还有助于实现多工业站点的共同参考，并在多计量系统中提供刀具与工具相关性。
虽然最初，这些标准是为触控笔的单线测量而设计的，但它们也可以验证非接触和联系人的剖面仪，收集正确的结果。
图1所示。平均粗糙度计算举例。图像信用：布鲁克纳米表面
本文概述了使用白光干涉测量（WLI）光学分析仪的平均粗糙度测量。除了来自ASME B46.1-2009的一些规范性标准要求，还讨论了空间过滤器，1ISO 13565-12和JIS B 0671-1。3.
除了从ISO 25178-2的全部面积测量标准的适用性和适用性的优势和领域，还涵盖了WLI选择的关键技术原因。4.
粗糙度与空间滤波
在制造中，产品通过概括为技术图纸的关键尺寸定义。粗糙度是一种特定的关键参数，其确定表面测量从指定的形式或形状偏离多少，在毫米横向范围内具有高度变化。
另一个参数，波浪，是较大的起伏地形。产品的表面是形状、形状、波纹和粗糙度的集合，所有这些都被定义为一个所需的体积。这样，粗糙度只能在选择合适的空间成分后计算，而不包括形式、形状和波纹度。
粗糙度测量总是包括去除形状的步骤，或者通过后处理(例如，高阶多项式拟合和/或空间滤波)，或者直接通过物理滑块(如一些手写分析器)。
图2。圆柱零件的粗糙度测定。图像信用：布鲁克纳米表面
首先，使用高通滤波器利用远程地形波动或等效的低空间频率，这只允许快速拓扑变化通过。
反之亦然，轮廓上的短快速变化通常表示存在噪声，这不应考虑粗糙度测量。在这些情况下，通过低通滤波器排除高空间频率。
因此，原始测量剖面要通过带通滤波器以获得更高或更低的空间限制。这些边界在ISO 4287和ASME 46.1规范中定义为λc和λs截止参数。
图3。空间滤波器定义与相关的派生参数和结果配置文件。图像信用：布鲁克纳米表面
虽然滤波是测量粗糙度的一个重要部分，但也应该考虑到滤波也会使测量的地形变形。例如，RC滤波器的传统使用是众所周知的触发边缘效应，需要在剖面的开始和结束使用排除带，以消除虚假数据。
RC滤波器也易于围绕突然高度变化扭曲地形，如峰或凹坑。因此，该过滤器主要通过更可靠的过滤器更换电流使用，如样条相位补偿和高斯滤波器。
最近，由于强大的高斯滤波器，因此越来越多的面积粗糙度的利用率引发了进一步的先进过滤器的要求，5.这是ISO 25178标准的一部分。这些过滤器提供了一个独特的好处，以避免边缘效应。
这使得粗糙度计算通过有效去除整个测量领域的波浪形，同时捕获精细的地形变化准确。
图4。绘图显示空间滤波器的优点。图像信用：布鲁克纳米表面
配置文件与区域测量
基于手写笔的简档捕获了平均粗糙度，并为近一个世纪成功评估了零件的质量。通用转动，铣削和其他CNC加工过程全部留下明确定义的方向，在粗糙度发生的情况下。
在这些情况下，垂直于主加工迹线拖动触控笔允许精确可靠地测量表面纹理。这种类型的测量现在称为1D类型，其中高度（z）表示与扫描长度（x）表示。
然而，在过去的20年里，由于对更高的制造效率以及成本和能源节约的需求，表面计量技术变得更加复杂。表面现在被设计用于特定的目的，使得粗糙度参数成为大多数精密工程零件的一个更加关键的参数。
为了提高性能，或改善使用寿命或润湿性，表面在不同方向上有纹理(例如，具有较低的摩擦系数)。这些过程中的每一个都很难用单线剖面进行评估，因此需要多站点测量和更好的统计技术。
图5。三种类型的表面显示不同的适用性的轮廓仪或区域地形测量:(A)轮廓粗糙度标准;(B)孔筒上的交叉开口纹理;(C)光学窗口上的缺陷。图像信用：布鲁克纳米表面
由于纯一维粗糙度测量中不断增长的局限性，全面积粗糙度测量，即二维测量，已经成为表征表面粗糙度最常见的手段。
这些测量值绘制垂直高度与X和Y方向的关系。第一个可用的方法也是基于手写笔分析器的功能，将许多相邻的线合并到一个区域。
这种技术的主要缺点是测量时间长，通常需要一个小时或更多的时间才能在两个方向上获得高横向分辨率，加上由于机械漂移造成的每条线之间的固有波动。
在上世纪90年代，基于干涉测量技术，许多研究小组成功地使用光学显微镜测量地形。6.这允许快速（秒到几分钟）非接触式粗糙度测量。
自那以后，面积粗糙度的测量方法不断发展，包括共聚焦，7.焦点变化，8.以及数字显微镜技术。这些方法都能捕获整个视场，并为图像中的每个像素计算出一个专用的高度位置。它们现在被称为2D (area)。
应该考虑到也有测量全体积的3D方法，包括重入面和多孔面(例如，共焦x射线断层扫描)。然而，这些方法在不同参数下优于表面粗糙度。
除了识别沿着表面的任何随机缺陷外，用2D或面积测量来捕获表面各个方向的纹理变得更加简单。
除了更代表的整体表面纹理之外，它还会收集更大的领域，这使得通过可用量的统计数据量更高。
在现代工业中，一维和二维测量方法是共存的。平均粗糙度可以很容易地通过一些标准制造过程的配置文件，留下一个单一的纹理方向。
如果纹理有两个或两个以上的方向，手写轮廓和面积测量都是有效的;用触控笔轮廓需要多线，更多的时间和更多的统计分析，以准确呈现表面。
最后，在随机和/或复杂工程纹理的情况下，光学面积测量成为正确评估表面的强制性。
白光干涉测量分析器
由于今天的大量制造的复杂性增加，非联系人分析仪广泛用于测量研发和生产环境中的粗糙度。存在各种设计变化，但它们通常共用设计具有专用刚性结构的设计，该结构充当高端目标和数码相机的平台。
他们还分享了垂直和横向分辨率是客观依赖的事实，这导致高度解决方案的常见就业，具有短暂的工作距离，以获得最佳的垂直分辨率。
基于WLI的分析仪是这种趋势的一个主要例外，其中垂直分辨率不仅与目标无关，而且它也达到了独特的子纳米级别。WLI分析器使用干涉测量目标，该目标仅在达到适当的焦点时才能通过Moiré模式显示样品表面。
图6。WLI光学实现，显示不同的Moiré模式与照明。图像信用：布鲁克纳米表面
由于白光照明的有限长度，因此可以通过在几纳米内找到最大值来易于找到焦距，因为白光照明的相干长度有限的莫尔的存在的景深而不是超过±0.5μm。
焦平面的精确测定是独立于物镜的，完全依赖moiré，即使是在低放大倍数物镜(如1倍、2.5倍或5倍)下，也能保证纳米级的精度。这种方法有多个优点:
- 在目标和表面之间的额外安全裕度以及目标具有挑战性地点的能力，加强了利用率提高
- 可以沿聚焦光束插入一面镜子，使光路偏转，以更精确地测量垂直壁面
- 由于所有目标都具有相同的垂直精度，预算分配和计量评估变得更容易
- 在不影响垂直分辨率的情况下，可以使用长工作距离的目标来访问复杂部件上的特定或凹进的位置
- 缝合可以用来将甚至更广泛的区域的高横向分辨率结合在一起
- 如果需要低横向分辨率，则低放大率下的单个采集覆盖宽范围（100毫米2），允许高通量平整度控制，或快速检测可能的缺陷
图7。WLI计量的属性。图像信用：布鲁克纳米表面
不仅是基于WLI的探查器符合条件，并被列为Areal Norm ISO 25178-204：2013的适当方法，其独特的垂直分辨率，它也被主要参考计量实验室（PTB，NIST，NPL，NPL，等人。）以校准伪影。
一些高级WLI分析器设计使用直接参考稳定的肝激光9.在此基础上进行自动和自校准。
粗糙度的计算
除了过滤，ASME B46.1，ISO 11562-1997和JIS B 0632：2001标准清楚地定义了表面轮廓的测量条件。在粗糙度计算之前，原始轮廓校正了形状。
接下来，它通过由截止λs建立的低通滤波器来获取主轮廓，P。在通过截止λc定义的进一步高通滤波器之后，计算用于去除波感粗糙度参数。
使用此粗糙度过滤器配置文件，确定所有R参数。过滤器由数学函数定义;最常校正高斯或曲序。对于周期性型材（例如，转动，铣削等），截止参数都设定为随机表面的预期平均粗糙度或峰之间的间距（见表1）。
表1。测量和空间过滤条件与预期的轮廓粗糙度。资料来源：布鲁克纳米表面
| 周期性的概要文件 |
非周期性的概要文件 |
隔断 |
截止率 |
评估长度 |
手写笔 |
间距距离
RSM（mm） |
Rz(µm) |
类风湿性关节炎(µm) |
λc(毫米) |
λs（μm） |
λc / sλ |
Lm(毫米) |
半径（μm） |
| > 0.013到0.04 |
到0.1 |
到0.02 |
0．08 |
2．5 |
30. |
0.4 |
2 |
| > 0.04到0.13 |
> 0.1至0.5 |
> 0.02到0.1 |
0.25 |
2．5 |
100. |
1.25 |
2 |
| > 0.13到0.4 |
> 0.5到10 |
> 0.1到2 |
0.8 |
2．5 |
300 |
4. |
2 ([电子邮件受保护]>3μm |
| > 0.4到1.3 |
> 10-50 |
> 2到10 |
2．5 |
8. |
300 |
12.5 |
5或2 |
| > 1.3至4.0 |
＞50 |
＞50 |
8. |
25. |
300 |
40 |
10,5或2 |
使用截止值，标准导出精确的测量行程（LT），包括通过预先和后延伸的评估长度（LM）。在高斯滤波器的实例中，预先和长度对应于λc/ 2长度，以减少扫描开始和结束的潜在机械反对的影响，除了过滤边缘效应。
对于强大的高斯滤波器和现代光学分析器，不需要这种预防措施。评估长度对应于一系列五个样本长度;本身等于λc截止值。
这些严格的条件是从完整的配置文件中收集相关信息所必需的，但也要确保不同仪器之间的无缝比较。
除了所用空间滤波器之外，平均粗糙度结果还与所选择的截止值直接相关。任何测量参数的变化相反地改变了粗糙度输出：只要不同测量系统之间的相互比较，所有滤波参数都必须相同。
图8。有关总测量长度的详细信息。图像信用：布鲁克纳米表面
ISO 25178-2是面积测量粗糙度计算的唯一标准。该规范将评估长度和截止值的选择留给运营商，但决定了原始表面的逐步滤波。由Profiler收集的原始表面数据首先获得低通滤波（数字或空间）以消除噪声和异常值。
结果就是Primary Surface值。大多数常见的空间滤波器是基于鲁棒高斯或高斯回归，这提供了一个更好的响应尖锐的过渡，几乎没有影响的边界。
使用形状移除，Primary Surface被进一步处理以创建S-F Surface值。为了去除波纹，可以使用一个额外的高通滤波器来创建一个S-L表面值。用户可以进一步裁剪边界，获取尺度有限的表面，并计算出粗糙度参数。
在这些条件下，面积粗糙度标准不区分参数:它们都被标记为S参数。然而，ISO 25178确实要求在显示参数之前列出整个后处理链，比如交叉检查控制。
技术图纸上的粗糙度规格也是如此，必须清楚地标明精确的测量条件。
图9。表面粗糙度的分步处理。图像信用：布鲁克纳米表面
用WLI测量粗糙度标准
亚微米级粗糙度和表面织构的测量是该技术的核心应用之一基于WLI的分析仪．
它的长工作距离和大视场，结合该方法独特的亚纳米垂直分辨率，使其适合于所有精密工程部件的计量，从锻造平面金属到复杂/曲面，如齿轮或孔圆柱体。
进一步以这种灵活性，WLI光学分析器计量能力能力基准以认证的粗糙度标准。三种不同制造商的九个标准（Rubert，10.哈莉，11.n12.）被调查了。
图10。在不同粗糙度标准的3D视图中呈现的地形：（a）区域;（B-C）随机剖面;（d）正弦概况。图像信用：布鲁克纳米表面
其目的是覆盖广泛的垂直和横向范围，以确定在更大量的应用中计量能力。该技术还提供了对垂直范围内线性性能的综合评估。
为了代表这种原生区域测量技术的真实情况，一个区域伪影也是评估的一部分。
图11。标称平均粗糙度与所需横向分辨率的关系图。图像信用：布鲁克纳米表面
技术考虑因素
常规的1D粗糙度标准主要用于基于触控笔的分析仪设计。在这方面，横向分辨率不能依赖于扫描长度，而是在表面特征和纵横比的深度上。
另一方面，每当使用低放大率的目的时，光学分析仪具有横向分辨率的固有变化。因此，选择一个比λs截止更好地实现横向分辨率的目标至关重要。
为了有效达到预期的横向分辨率，操作员还必须确保摄像机采样至少是光学分辨率的两倍。否则，横向分辨率受到像素尺寸的限制。
在正确选择变焦镜头和目标之后，通过缝合多个视图或单个采集来确保评估长度。在这种情况下，利用了5倍，20x，50倍和115倍的目标。
115倍的物镜对于解决最精细的图形至关重要，而较低的放大倍数(5倍)用于较粗糙的表面，这需要较少的横向分辨率和较长的评估长度。
所有数据首先经过四阶多项式去除，然后通过高斯回归带通滤波器。切断按ISO 11562-1997规范和标准证书设置选择。
最终的粗糙度提取包括将区域图像分离为一系列单线轮廓，并计算其平均粗糙度(Ra)。结果不仅显示了各剖面的平均粗糙度，而且显示了Ra值的波动，有一个标准差。
以完全静态的方式在每个粗糙度标准上重复测量30次，以解决精确度。这遵循了测量中不确定性的表达指南（胶）的建议。13.选择了overage factor k=2，代表了纯随机高斯分布的95%结果。
结果
图12显示了所有平均粗糙度结果的总结，并绘制了测量的Ra值与对数尺度下的认证值。在检验WLI光学轮廓仪的一致性和质量时，从超过1微米到低于100纳米的平均粗糙度，在20年的时间里有很大的相关性。
图12。测量的平均粗糙度由WLI与认证的名义值在对数-对数显示。图像信用：布鲁克纳米表面
对于每个结果，误差杆利用静态可重复性的±2色散表示。然而，由于平均而言，它们低于1％的结果，因此它们几乎不可见。这证明了WLI分析器的重复方式。
结果的进一步验证依赖于标准证书的置信区间和离散区间的测量之间的比较。图13显示了不同的配置，并指定是否可以根据数据结果做出决策。
图13。平均粗糙度结果评估与认证。图像信用：布鲁克纳米表面
通过WLI分析器获得的所有结果都是积极评估的，因为分散范围总是在标准的不确定性范围内。数据证明了WLI分析器测量的准确性在可用粗糙度标准的完整范围内。
有趣的是，WLI分析器在测试光谱的两个极端都提供了可靠的数据。在粗糙的一面，一个低放大率的5倍物镜可以实现精确的测量。
结合高功率照明，从光学数据中提取地形的稳健算法为测量粗糙、稳定的斜坡表面提供了良好的能力。这将WLI轮廓仪的性能扩展到几十微米的粗糙度，允许测量添加剂制造的零件。
在另一个极端，通过WLI分析器可以清楚地解决亚微米细间距，给出足够的横向分辨率。通过检查WLI分析器测量与原子力显微镜（尺寸图标，Bruker）的直接比较，可以观察到这一点。
图14。WLI光学轮廓仪与AFM的正弦标准轮廓比较。图像信用：布鲁克纳米表面
图14显示了用两种方法制作的部分轮廓之间的相关性。子纳米垂直分辨率和先进的超分辨率算法，以及高数字孔径115x目标，扩展了超出微米横向尺寸的光学分析器的传递函数。
结论
本文全面概述了表面粗糙度是如何演变为一个关键的制造参数的，从方法能力到轮廓和面积测量的规范指导。
与经认证的粗糙度标准相比，基于wli的光学轮廓仪测量实例显示出与认证值的完美相关性。WLI轮廓仪的色散范围小于1%，具有精确的平均值，能够测量20年(从3 μ m到40 nm)的平均粗糙度。
WLI分析器除了实现亚微米横向分辨率之外，还具有证明能够测量稳定粗糙的斜坡，同时保持极其精确的垂直测量。
这些因素表明，WLI分析将继续在日益严格的研发和下一代工业产品的制造要求中发挥不可或缺的部分。
致谢
由Samuel Lesko撰亚博网站下载写的材料生产，来自Bruker Nano曲面。特别感谢Reinhard Danzl和Franz Helmi从Bruker Alicona（Graz，奥地利）进行样品和评论。
参考
- https://www.asme.org.
- https://www.iso.org/standard/22279.html
- http://www.jsajis.org/index.php?main_page=product_ info&cPath = 4 &products_id = 19626
- https://www.iso.org/standard/74591.html.
- Seewig J（2005），线性和强大的高斯回归过滤器，j的phy。13：1：254-257。
- 王志强(1995)，表面微观结构的计算机干涉测量，中国机械工程，25(6):527 - 534。
- 王志强(1993)，共聚焦显微技术在表面粗糙度分析中的应用，中国机械工程，27(11):1379 - 1384。
- 力量Alicona。
- Novak E（2003），白光光学分析器，综合初级标准，XVII IMEKO世界大会。
- 鲁伯特概况粗糙标准。
- Halle概况粗糙度标准。
- NPL面积粗糙度标准。
- 测量中不确定性表达的指南
这些信息来源于布鲁克纳米表面公司提供的材料。亚博网站下载
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