文 献 综 述

一、研究意义

随着现代工业与科学技术的发展，对工件表面的质量提出了越来越高的要求，而表面粗糙度对产品的性能、寿命、能耗、外观等方面有着直接的影响,因此它在产品的设计、加工与检测中是一项重要参数。有些工件不仅要求测量表面峰的高度，还要求测量表面峰的体积。对于支承比而言，人们在实践中越来越感到三维空间的面积支承比，较二维空间的线支承比更有实际意义。就峰高点数而言,也希望获得三维空间的峰高点数。实践中对表面微观形貌提出的要求，有时也不是用某个参数所能代表的，这时最好是获得整个形貌图，根据图形来评定表面质量的优劣。由此可见，利用传统的方法测量表面粗糙度，有时满足不了工程实际的需要，而表面粗糙度是一种微观的形状误差，作为形状误差只有在三维空间中才能正确描述它，这就推动了表面粗糙度的测量由二维向三维方向发展，所以三维粗糙度特征参数的提取方法研究就显得非常有必要了^[1]。

二、发展现状

从近年来国内外发表的有关粗糙度方面的论文来看，数量成指数地增加。这表明表面粗糙度测量和表征技术的研究一直处于上升趋势，一方面是由于商用仪器（如： STM、AFM和光学扫描干涉仪等）的发展以及计算机运算能力、控制技术的提高^[2]；另一方面是由于尖端技术、国防工业和精密工程等对零件的表质量提出了越来越高的要求。目前对三维表面粗糙度测量和分析的研究十分活跃，STM和AFM的发明对表面的纳米尺度的形貌观察提供了可能；光学技术的研究更是引入瞩目，基于各种光学现象的测量方法日渐成熟；触针仪器为了改变自身的缺点，引入了”光针”^[3]。在三维表面的表征方面的研究也相当普遍，欧洲以英国伯明翰大学的研究人员为主，成立了一个专门工作委员会，目的是发展新的三维表面参数标准，目前讨论稿已经形成，其中包括14个数字表征参数的”最小体系”，英国伯明翰大学在欧洲共同体科技开发项目的支持下,对三维表面特征化参数作了初步的研究, 提出了一个包含14 个参数的基本参数组,涵盖了表面特征的幅值信息、水平信息、幅值与水平混合信息及功能信息四个主要方面的内容，不久将被加到在欧洲会议上所建议的三维”标准”中^[4]。

现在粗糙度测量方法很多，按传统的分类方式，表面测量又可分为接触式和非接触式。触针式仪器是典型的接触方法，而光学仪器是非接触式方法，扫描探针显微镜既是接触式又是非接触式^[5]。触针法自1927年以来就一直被采用，目前仍然被广泛地用于表面粗糙度测量，而且用它所获得的结果经常作为评价，一开始用于二维测量，近年来也被用于三维测量中，在具有同一个采样步距的平行平面内，测得许多轮廓，而所有的轮廓必须具有相同的参考基准面，以便不丢失信息，所以数据在获取过程中，不能像在二维仪器中那样被滤波，需要在获取数据以后进行数字化滤波^[6]。三维精密测量技术的重大突破是扫描探针显微镜（SPM）的发明，它可以研究从原子到微尺度的材料表面结构，这项技术包括使用尖细探针进行形貌表征的一系列仪器^[7]。在横向和垂直方向可分别获得纳米或亚纳米级的分辨力，测量范围限制在非常小而平的表面。光学方法可以实现表面形貌的非接触定量测量，主要包括光学探针法，干涉法^[8]。其它新的方法有小波变换分析、分型理论、神经网络与光学法结合等，目前先进的工业国家在这个领域的研究已达到相当高的水平^[9]。

三、研究的不足

近年三维粗糙度的测量方法得到重视，且国内外也研究了很多的方法及仪器，但是依然存在很多问题和不足，如标准中规定表面粗糙度采用”真实”表面来评定^[10]，事实上任何测量仪器都不可能得到被测试件的”真实”表面，而只能是它的近似”有效”表面^[11]。所以现在可用的所有仪器产生的表面单值记录。都是一种假象，即它们不可能”看到”再新生的或其它装饰的表面的特征^[12]。被测量表面的微观几何形貌在特定的位置，可能对应两个或更多的高度离散值^[13]。因为我们缺乏合适的仪器测量，所以遗漏了许多重要的信息^[14]。

另外在三维测量和分析中，有两个重要的方面应予以考虑。第一是对纹理的描述。目前的严格数学描述非常适合于各向同性的表面结构，但大多数加工过程产生的是各向异性表面^[15]。在实际应用中，有些各向异性表面，如成形或车削，按垂直于纹理的方向被处理为二维轮廓。更复杂的结构，诸如端铣或珩磨表面，却不太容易描述，有待于进一步解决^[16]。第二点是随机表面的峰和谷的”连接性”描述。目前的理论，以距平均中线的高度为函数，有可能预测顶点或谷的数目，以及它们的平均尺寸，但是还不容易预测顶点怎样联合在一起形成山脊，或坑如何连接来形成山谷^[17]。也就是说，我们有可能知道谷的平均面积，但却不易找到它们联合的最佳路径^[18]。根据接触理论，顶点的联合将有助于摩擦的研究，而谷的连接对于润滑和密封是有用的，这对于三维表面结构分析以及表面粗糙度和波纹度的辨识将是十分有利的^[19]。

还有一种不太好的现象，某些工作者开始研究各自的三维参数以满足某些特殊的应用，因此需尽快建立一种监督机制，规范三维表征参数^[20]。