本发明涉及一种表面粗糙度测量仪 当前，提高表面粗糙度测量仪的精度，已越来越显示其必要性，在此种仪器内，一个与待测工件表面相接触的接触元件的微小位移被探测而转变为一个电信号，并以一予定的方式处理该信号，便能测得该工件的表面粗糙度。
用上述类型的测量仪时，作为对探测到的电信号的一种处理方法，迄今广泛采用的一种模拟式处理方法是直接对由位移产生的模拟输出信号进行积分。然而，随着近年来电子技术方面的进步，现已提出一种数字式方法，该方法通过模-数转换将模拟输出信号变换为数字信号并对其进行数字处理。
总的说来，当采用数字式方法时，便提出一个与测量精度有关的被测数据取样次数问题。例如，当测量一个予定长度时，若取样次数取得少，那么两次取样的间隔时间较长，因而降低了测量精度。当取样次数增加时，就可获得较高的测量精度。然而，取样次数的增加要求测量仪器具有较高的响应速度，因此这样做必然受到经济上的限制。
在这种情况下，为减轻用于该电路的费用，现已提出这样一种方法：根据工件的测量长度（L），在恒定取样情况下，探针相对于工件地速度随着过程速度而变。但是采用这种方法时，每单位长度取样的次数会随着测量长度（L）的增加而减少，因此该法有测量长度越长，测量精度就越低的缺点，而且，要精确地改变探针相对于测量长度（L）的速度是极其困难的。
因此，现已研制出的本发明目的在于消除上述先有技术的缺点：为表面粗糙度测量仪具有极好的精度和经济效益并具有高度的实用性提供了保证。
为此目的，本发明的结构特征在于：在一个表面粗糙度测量仪内，包括一个测量仪主体;一个探头;该探头包括一个通过主体可旋转地支撑在其一端的测量臂，而在其上配置一个接触元件，该元件与旋转轴相距一个予定的距离;一个位移探测器，用于检测代表测量臂的旋转位移的电信号;和一个信号处理部件，用于以一予定的方式处理来自位移探测器的输出信号，从而测得被测工件的表面粗糙度-该工件与接触元件接触或相对于接触元件移动，本发明采用如下配置：位移探测器是一种模拟信号输出型探测器;并配有一个模/数（A/I）转换器而将所得到的模拟输出信号转换为数字信号;该数字输出信号由一个运算电路以一予定方法进行处理-通过该运算电路，当任何设定的测量长度以取样次数N划分即该长度被2n等分时，计算待测工件的表面粗糙度;配备一个定时电路用于取样控制：在每次取样时，使A/D转换器将模拟输出信号转换为数字信号。
现对附图简要说明如下：
图1是表示该表面粗糙度测量仪的截面图;
图2是表示电路配置的方框图;
图3是表示一种模拟开关型可变电阻器的方框图;
图4是表示不同于前述电路配置的另一种电路结构的方框图;
图5至图7表示表面粗糙度
图8表示不同于上述电路配置的又一种电路结构的方框图;
图9和图10表示表面粗糙度;
图11表示不同于上述电路配置的另一种电路结构的方框图;
现将本发明的最佳实施例说明如下：
图1表示该实例的表面粗糙度测量仪的一个截面。图1中，探头B是可摇动地、为测量仪的主体A通过一可动轴2所支撑，可动轴2确保了探头相对于主体A在旋转和垂直方向上位置可调，以便调节支撑部件4，-其外表面是由外壳3覆盖，以适合工件的尺寸，外形等情况，而且可动轴2安装到主体A是可拆卸的，这样，为使探头B适应工件的外形等等情况，可更换新的探头B。另一方面，一个棒状测量臂5是通过绞丝弹簧6，可摇动地装在支撑部件4的下表面。
测量臂5是由第一臂7和第二臂8构成，第一臂7借助于支撑部件4并通过绞丝组簧6，摆动式地支撑在其中央部分，而第二臂8与第一臂7的一端相连，在第一臂7上，摆动支点位置等距的两处，装有介质体9和10，也就是说介质体9和10处在绞丝组簧6的两边，而且测量臂5在由弹簧片制成的压缩弹簧11的驱动下，是旋转地偏向顺时针方向，压缩弹簧11的弹力可借助螺丝12来调节。
第二臂8位于保护壳13内，而整个保护壳13从外壳3的一端伸出，在第二臂8的前端部装有一个与其轴线相垂直的接触元件14。在保护壳13前端部的侧面制成一个半球形的滑槽部分15，该部分带有一个开口16以使第二臂8的接触元件14能伸到外面。由于这种结构，那么当接触元件14与放在桌子17上的元件18的待测表面相接触后又假如桌子17按附图中箭头所标方向运动时，则测量臂5就会以绞丝弹簧6为支点，按照工件18表面不平度摆动。
另一方面，在支撑部件4中，埋置一对检测线圈21和22-它们位于第一臂7的介质体9和10的对面，并与介质体9和10形成一间隙，支承部件4中位于第一臂7的另一端的对面还有一保持器25，用于保持测量臂5处于一予定的姿态。检测线圈21和22，分别通过导线23和24穿过可动轴2，被引向主件A中的一个信号处理部件C。当保持器25由来自主体A的相应信号所激励时，测量臂5适于维持在这样一种姿态：使测量臂5的另一端在对着外壳3中的突物26的方向上加力。由于这种安排，使测量臂5的接触元件14位于保护壳13内。总之，支持部件4，测量臂5，接触元件14，介质体9和10及检测线圈21和22构成了探头B。
图2表示主体A中的电路结构。图2中，两个检测线圈21和22，和一个模拟开关型可变电阻器31构成电桥电路32-作为一个模拟信号输出型位移探测器，用于检测代表测量臂5的转动位移的电信号，同时该电桥电路32的输入和输出线被连到信号处理部件C。如图3所示，模拟开关型可变电阻器31是由多个电阻器331至336一个个地依次串联，而模拟开关341至346又分别并联在331-336上而成，而且这些模拟开关341-366由控制部件35控制。由于这一安排，我们可予先设置：当测量臂5处于一定姿态时，在两个检测线圈21和22之间连接点上的一个输出信号S1的相位与电阻器333和334之间连接点上的一个输出信号S2的相位相反。结果，当测量臂5，由于工件18的表面不平而从所设置的状态移位时，对应检测线圈21和22的电感量，由于介质体9，10和检测线圈21，22之间的间隙变化，而发生改变，从而使这两个电感量的变化值作为通过电桥电路32输出的被测值。
从电桥电路32来的输出，即两个检测线圈21，22的连接点上的输出信号S1和在电阻器333，334之间连接点上的输出信号S2，二个信号分别通过电阻器36和37而合成一个信号输入至运算放大器38;然后运算放大器的输出信号又传送至A/D转变器39。此时，当输出信号S1和输出信号S2相位相反，则两个信号S1和S2互相抵消，以致使运算放大器38的输出变成零。
A/D转换器39，将来自运算放大器38的输出信号转换为数字信号，而每一次的转换命令脉冲由定时电路40给出，定时电路40适用于计入来自一个时钟脉冲发生器41的时钟脉冲，并且每当其计入数达到对应于测量长度L1-L3的一个计数时，便对A/D转换器39发出转换命令脉冲，测量长度L1-L3是由用于设置测量长度的设定装置42设定的。这里，多种测量长度的不同计数值都由设置测量长度的设定装置42设定，三种类型的测量长度（如日本工业标准JIS提出的L1＝0.25mm，L2＝0.8mm和L3＝2.5mm）是分别根据取样数N来等分的。此外，取样次数N是这样予设的：当表面粗糙度是根据最大高度（Rmax）法来测量时，取样数是1024即210;当表面粗糙度是根据中心线平均粗糙度法（Ra）来测量时，取样数是512即29。用这种配置，对由设定装置42设置的任何测量长度，通过被取样数N等分而得到的数字信号N，从A/D转换器39被送到运算电路43。
运算电路43，按照最大高度（Rmax）运算命令或中心线平常粗糙度（Ra）运算命令，计算来自A/D转换器39的数字信号，并通过打印机45记录该结果。如果从A/D转换器39来的数字信号超过一个予定的极限高度值时，一例如超出打印机45的刻度值时，则由报警设备46发出警报。就最大高度（Rmax）法来说，则借助于最大值与最小值之差超过由A/D转换器39给定的数值N时可得到这一反应再者，就中心线平均粗糙度（Ra）法而言，答案可通过下式获得：
y＝∫l0｜f（x）｜dx
因此，根据这个实施例，各测量长度被予定的取样数N所等分，在取样时得到的信号被转换为数字信号而工件的表面粗糙度是基于数字信号而得到的，以使不管测量长度如何，都能得到恒定的取样次数而且在测量仪和工件间没有相对运动的速度变化，从而能避免由取样次数减少所引起的测量精度下降问题。
附带说，在最大高度（Rmax）法中，最大高度0.38um是取的实际值-这是当测量长度L1＝0.25mm，L2＝0.8mm和L3＝2.5mm（如JIS所规定的），按取样数N＝16000，被等分时得到的实际值。下表表示，当取样次数N变为8000，4000，2000和1000时，最大高度对该实测值的有效精度。另外补充一下，试验构件用的是由东京工业技术中心（TOKyO Industrial Technology Center）生产的待研磨件。
根据此表，可了解到对每个测量长度的最大高度对实测值的有效精度，即当取样数N＝10000时，最大高度随着取样数N的减少而增加。然而，甚至当测量长度L1＝0.25mm同时取样数N＝1000时，在L1＝0.25mm时，实测值是0.38um。因此，误差为0.38um×0.058＝0.022um，-从实用精度来看，该误差已不成为问题。此外，根据中心线平均粗糙度（Ra）法，答案由下式得到：
y＝∫Lo｜f（x）｜dx
因此，取样次数N可以更小些，唯一的条件是取样数N＝500或更高一些，显然，这一条件是满足的。所以，就最大高度（Rmax）法来说，当取样数N取为1024或更高，就中心线平均粗糙度（Ra）法来说，取样数取为512或更高，则就实用观点考虑，精度已不成问题。
此外，由设定装置42设置的测量长度L1，L2和L3，每一个均是被自动地设定，等分，因而不必再调节相对运动的速度。
再者，取样数N被取为2n，因而运算可通过移位法来完成，以致可缩短运算周期，简化程序同时可简化硬件的结构。这样既提高了经济效益又降低了存贮容量，以致减少了功率损耗，尤其能使该种测量仪适于制成内部备有电池的便携型测量仪。
此外，在上面的说明中：运算结果由打印机记录，并在超过予定值时发出报警，不过，还可采用如图4所示的电路结构。在图4中，运算电路43使打印机45连续地记录来自A/D转换器39的数字信号，按照最小二乘方，以数字信号为依据，寻找一根中值线，并使存储器50去储存该中值线的倾角。顺便说一下，若根据最小线得到的中值线是
y＝A+Bx……（1）则
A =Σi = 1nyin- B ·Σi = 1nxin……(2)]]>
B =Σi = 1nxi · yi -Σi = 1nxin·Σi = 1nyiΣi = 1n(xi2) -(Σi = 1nxi )2n……(3)]]>
其中n是取样总数，xi和yi是取样时间NO。i时的坐标值。因此，中直线的倾斜角可借助方程（3）求得。
另一方面，从A/D转换器39来的数字信号除了被送到运算电路43外，还被送到报警装置46和增益控制电路51。当来自A/D转换器39的数字输出信号超过高度极值时-例如该值超出打印机45的刻度，增益控制电路47，根据贮存在存贮器44中的中值线的倾斜角，控制A/D转换器39的增益，即，根据工件18和接触元件14对运动参考线之间的一个相对倾角。随着这种安排，例如，当工件18和接触元件14对运动参考线之间的相对倾角为零时，则测量值如图5所示，而当被测得值由于相对运动时的倾角而超出刻度时-如图6所示，则随即将进行如图7所示的校正。
就上述布局来说，中值线是基于来自A/D转换器39的数字信号借助最小二乘法找到的，中值线的倾角，即，工件18和接触元件14相对于运动的参考线之间的倾角被存储，而且，当数字信号超过予设的极值时，则A/D转换器39的增益，根据该相对倾角而受到控制，以使在测量表面粗糙度过程中，可获得没有超出刻度的并具有适当精度的测量。再说，当测值超出刻度时，如上所述，增益受到控制-为下步测量做好准备，因而不必要控制工件，测量就能很快完成。
此外，储存在存贮器50中的中值倾角可被送到控制部件35，作为一个命令值如图8所示。在此情况下，控制部件35在一个方向上控制模拟开关341-346：在此方向上，可抵消作为命令值给出的倾角，并控制电阻器331-336的值连续可变，从而自动地校正被测得的值。例如，当被测值超出刻度-如图9所示时，随后的测量工作就是如图10所示的校正。
根据这一方法，测量仪的增益不受控制，以使测量精度不降低，这是此法的一个优点。
此外，在探头更换型表面粗糙度测量仪中，如图11所示，对不同的探头B，识别标记54部分是不同的，与探头B的识别标记54相关的各探头B的特征被存贮在存贮器内，器件55位于信号处理部件C内，用于每当更换新的探头B时，读出探头B的识别标记54，以使在运算电路43中所予设的常数，可根据读出的识别标记相关的特征值而被更新。
在此情况下，每更换一次探头，利用校正电路52，自动地更新运算电路43中的常数K。也就是说，探头B被换成一个新的以后，当探头B的识别标记54被读出器件55所读出时，校正电路52便根据跟存贮器53读出的识别标记相关的特征值来更新运算电路43里的常数K。在存贮器53里，有予先存贮的、对应于待更换探头的各识别标记54的特征值。例如，予先存贮测量臂5的转动位移值，输出信号的特性曲线和各探头B的特性曲线。就这种结构来说，在任一种探头B可靠连到主体A以后，当该探头B的识别标记54由读出器件55读出时，与上述识别标记54有关的特征值从存贮器53读出。然后，校正电路52根据从存贮器53所读出的特征值，更新运算电路43中的常数K。总之，在此后的运算期间，这样更新的常数被用作一个校正值。
就上述的结构来说，可提供如下优点：消除了每更新一次新探头时与信号处理部件C不匹配的问题（recessity of matching）
附带说明，测量长度不必限于上述实施例中的三种类型（L1＝0.25mm，L2＝0.3mm，L3＝2.5mm），但至少这三种由JIS所规定的测量长度，可作研究之用。
此外，作为位移探测器，除了上面实施例中所描述的桥式电路32的结构外，任何一种能用模拟信号检测代表测量臂5的旋转位移的探测器，例如象差动变压器一类，均可为我们所采用。
而且，说到工件18和接触元件14间的相对运动，可与上述实施例相反-使接触元件14相对待测工件18运动。在此情况中，可采用这样一种布局：它们之间的相对运动值是由一个编码器或类似装置检测，该类装置代替了来自时钟脉冲发生器41的时钟脉冲，而这个编码器的输出被送入时间电路40，在该电路内，按测量长度对编码器的输出计数，由此产生转换命令脉冲。就这一布局而言，其优点在于：即使它们之间的相对运动速度是变化的，但每单位长度的脉冲数是不变的。
正如上面已谈到的，按照本发明，不论测量长度如何，取样数能达到恒定，而且测量仪器和工件之间的相对运动速度不变，因此本发明能提供测量精度极高而又廉价的表面粗糙度测量仪。
本发明的工业实用性在于：根据本发明的表面粗糙度测量仪，通常可用于测量待测工件的表面外形的领域内。