摘要:為了提高加工檢測(cè)效率，實(shí)現(xiàn)尺寸形位公差與微觀輪廓的同平臺(tái)測(cè)量，提出一種基于光譜共焦位移傳感器在現(xiàn)場(chǎng)坐標(biāo)測(cè)量平臺(tái)上集成表面粗糙度測(cè)量的方法。搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)且在Lab VIEW平臺(tái)上開發(fā)系統(tǒng)的硬件通訊控制模塊，并配套了高斯輪廓濾波處理及表面粗糙度的評(píng)價(jià)環(huán)境，建立了非接觸的表面粗糙度測(cè)量能力。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)階、表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)樣塊和曲面輪廓樣品進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該測(cè)量系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度和重復(fù)性，粗糙度參數(shù)Ｒa的測(cè)量重復(fù)性為0.0026μm，在優(yōu)化零件檢測(cè)流程和提高整體檢測(cè)效率等方面具有一定的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:計(jì)量學(xué);表面粗糙度;光譜共焦;測(cè)量控制;在線集成;輪廓濾波器

1? ? ?引言

表面粗糙度是描述表面微觀輪廓基本特點(diǎn)，評(píng)價(jià)產(chǎn)品表面質(zhì)量最常用的參數(shù)之一。在機(jī)械加工、薄膜制備、微納機(jī)電系統(tǒng)、光學(xué)精密加工等領(lǐng)域中，表面粗糙度是評(píng)價(jià)產(chǎn)品性能的重要指標(biāo)之一。表面粗糙度與加工零部件的摩擦磨損性能、耐腐蝕性能、結(jié)合密封性、抗疲勞能力等存在必然聯(lián)系，進(jìn)而對(duì)零件和制造設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生重要影響。表面粗糙度也是開展功能結(jié)構(gòu)部件微觀表面形貌評(píng)價(jià)與表征的重要參數(shù)。

然而，目前在表面粗糙度和微觀輪廓的測(cè)量工業(yè)應(yīng)用中，常見使用的是寶石觸針接觸式輪廓儀和掃描白光干涉輪廓儀等精密設(shè)備。這兩種精密儀器對(duì)使用環(huán)境和條件要求較為嚴(yán)格，不適合用于要求高檢測(cè)效率和在線測(cè)量的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是加工現(xiàn)場(chǎng)最常用的高精度產(chǎn)品尺寸及形位公差檢測(cè)設(shè)備，其具有通用性強(qiáng)，精確可靠等優(yōu)點(diǎn)。本文面向一種特殊材料異型結(jié)構(gòu)零件內(nèi)曲面的表面粗糙度測(cè)量要求，提出一種基于高精度光譜共焦位移傳感技術(shù)的表面粗糙度集成在線測(cè)量方法，利用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)平臺(tái)執(zhí)行輪廓掃描，并記錄測(cè)量掃描位置實(shí)時(shí)空間橫坐標(biāo)，根據(jù)空間坐標(biāo)關(guān)系，將測(cè)量掃描區(qū)域的微觀高度信息和掃描采樣點(diǎn)組織映射為微觀輪廓，經(jīng)高斯濾波處理和評(píng)價(jià)從而得到測(cè)量對(duì)象的表面粗糙度信息。

2? ? ?測(cè)量系統(tǒng)及原理

2.1? ?測(cè)量系統(tǒng)

在線集成表面粗糙度測(cè)量系統(tǒng)是以一臺(tái)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)為平臺(tái)構(gòu)建，其結(jié)構(gòu)由光學(xué)探頭、白光光源、微型光譜儀、光纖、測(cè)量工裝、上位機(jī)控制平臺(tái)等部分組成，見圖1。其中，以光學(xué)探頭、白光光源、微型光譜儀、光纖等為主要元件組成光譜共焦位移傳感系統(tǒng)，測(cè)量量程300μm，橫向分辨率為4.5μm，縱向位移測(cè)量精度達(dá)nm級(jí)，較好地滿足表面粗糙度測(cè)量對(duì)光探針尺寸和精度的要求。坐標(biāo)測(cè)量平臺(tái)利用其高精度和穩(wěn)定的三維空間運(yùn)動(dòng)定位能力以及方便在線部署的特點(diǎn)，作為表面粗糙度測(cè)量的掃描運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器。

圖1測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量臂末端接口形式，將光學(xué)探頭通過(guò)轉(zhuǎn)接緊固件可靠固定在測(cè)量臂末端，如圖2所示。

圖2安裝示意圖

2.? ? 2? ? ?測(cè)量原理和流程

圖3光譜共焦位移傳感原理圖

通過(guò)特殊光學(xué)設(shè)計(jì)形成的透鏡組將白光光源發(fā)出的多色平行光進(jìn)行光譜分光，形成一系列波長(zhǎng)不同的單色光，同時(shí)再將其同軸聚焦，由此在有效量程范圍內(nèi)形成了一個(gè)焦點(diǎn)組，每一個(gè)焦點(diǎn)的單色光波長(zhǎng)都對(duì)應(yīng)著一個(gè)軸向位置。測(cè)量時(shí)通過(guò)光譜儀分析光譜峰值結(jié)合峰值提取算法從而確定被測(cè)點(diǎn)的高度位置信息。

表面粗糙度測(cè)量方法具體流程如下:

(1)待測(cè)工件定位。將待測(cè)工件平穩(wěn)置于坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量平臺(tái)上，調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)紅寶石測(cè)針測(cè)量其空間位置和姿態(tài)，為按測(cè)量工藝要求確定測(cè)量位置提供數(shù)據(jù)。

(2)輪廓掃描。測(cè)量機(jī)測(cè)量臂更換掛載光譜共焦傳感器的光學(xué)探頭，驅(qū)動(dòng)探頭運(yùn)動(dòng)至工件測(cè)量位置，調(diào)整光源光強(qiáng)、光譜儀曝光時(shí)間和采集頻率等參數(shù)以保證傳感器處于較好的工作狀態(tài)，編輯掃描步距、速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)后啟動(dòng)輪廓掃描測(cè)量，并在上位機(jī)上同步記錄掃描過(guò)程中的橫向坐標(biāo)和傳感器高度信息，映射成為測(cè)量區(qū)域的二維微觀輪廓。

(3)表面粗糙度計(jì)算與評(píng)價(jià)。將掃描獲取的二維微觀輪廓數(shù)據(jù)輸入到輪廓處理算法內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，按照有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)選擇合適的截止波長(zhǎng)，按高斯輪廓濾波方法對(duì)原始輪廓進(jìn)行濾波處理，得到其表面粗糙度輪廓，并計(jì)算出粗糙度輪廓的評(píng)價(jià)中線，再按照表面粗糙度的相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方法得出測(cè)量結(jié)果，最后得到被測(cè)工件的表面粗糙度信息。

3? ? ?硬件控制與輪廓處理環(huán)境的建立

3.? ? 1? ? ?測(cè)量系統(tǒng)硬件控制架構(gòu)

對(duì)工件微觀輪廓的掃描和表面粗糙度測(cè)量，需在同一平臺(tái)上協(xié)調(diào)控制掃描執(zhí)行器和位移傳感器。

基于USB和Ethernet通訊接口和協(xié)議，在上位機(jī)LabVIEW開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行了測(cè)頭傳感器和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的通訊、控制、調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)流傳輸?shù)裙δ艿亩伍_發(fā)，形成了較為完善的測(cè)量系統(tǒng)硬件通訊控制架構(gòu)，主體系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

為了方便使用和測(cè)量，為控制系統(tǒng)開發(fā)了人機(jī)交互較為便捷的界面窗口，見圖5，可方便的調(diào)控傳感器相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，并預(yù)覽掃描過(guò)程中的輪廓信息。還可以預(yù)設(shè)和編輯掃描運(yùn)動(dòng)策略，調(diào)整存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的名稱等功能，并額外的增加了光譜信號(hào)展示、集成輪廓濾波與評(píng)價(jià)方法等功能，可以實(shí)現(xiàn)掃描測(cè)量后及時(shí)的數(shù)據(jù)輸出。

圖5表面粗糙度測(cè)量系統(tǒng)控制前面板

3.? ? 2? ? ?高斯輪廓處理方法

表面輪廓示意圖如圖6所示，傳感器除了采集表面粗糙度信息之外，還將采集波紋度，幾何形狀等信息。輪廓濾波處理是指將輪廓信息分為不同頻率成分。

圖6表面輪廓示意圖

在輪廓處理算法中增加了整體輪廓預(yù)覽、波紋度分析和數(shù)據(jù)整體等功能模塊，其算法設(shè)計(jì)流程如圖7所示，圖7中的相關(guān)參數(shù)在GB/T3505中已作了明確定義。

圖7輪廓處理方法流程

利用LabVIEW與Matlab的混合編程模塊，將高斯輪廓濾波及評(píng)價(jià)方法集成到了LabVIEW程序面板中，使用時(shí)調(diào)整濾波參數(shù)可及時(shí)調(diào)用濾波和評(píng)價(jià)算法實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。

4? ? ?實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證表面粗糙度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的有效性，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)階樣品、標(biāo)準(zhǔn)表面粗糙度樣塊測(cè)試實(shí)驗(yàn)和某異形車削零件曲面輪廓表面粗糙度的測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

4.? ? 1? ? ?標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)階測(cè)試實(shí)驗(yàn)

測(cè)試所用的標(biāo)準(zhǔn)樣品上刻有兩個(gè)測(cè)試臺(tái)階位置，其標(biāo)稱高度分別為9.3μm和9.4μm。利用搭建的測(cè)量系統(tǒng)沿臺(tái)階垂直方向?qū)υ摌影暹M(jìn)行掃描，對(duì)測(cè)量采集的數(shù)據(jù)輪廓進(jìn)行校平、最小二乘擬合等處理，計(jì)算得兩處臺(tái)階位置高度差分別為9.27μm、9.36μm，臺(tái)階輪廓如圖8所示。

圖8標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)階的掃描輪廓

4.2? ?表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)樣塊測(cè)試實(shí)驗(yàn)

測(cè)試選用的為三角波紋理表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)樣塊，附DKD檢定證書，其表面粗糙度算術(shù)平均偏差Ｒa的標(biāo)定值為0.37μm。采用構(gòu)建的集成表面粗糙度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證測(cè)試。在標(biāo)準(zhǔn)樣塊刻線處選取3個(gè)不同測(cè)試位置，每個(gè)測(cè)試位置重復(fù)測(cè)量3次，見圖9。

圖9測(cè)量位置示意圖

利用高斯濾波方法對(duì)原始輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行表面粗糙輪廓濾波處理，并基于最小二乘中線分析計(jì)算其表面粗糙度算術(shù)評(píng)價(jià)偏差Ｒa值

輪廓計(jì)算處理過(guò)程中，位置Ⅱ的原始輪廓和濾波處理后的表面粗糙度輪廓如圖10所示。

圖10位置Ⅱ的原始輪廓和表面粗糙度輪廓

4.3? ?曲面輪廓測(cè)量樣品測(cè)量實(shí)驗(yàn)

如圖2所示的工件的內(nèi)球曲面為其工作面，設(shè)計(jì)球徑為180mm，采用車削加工成型，其加工和檢測(cè)工藝上要求在其內(nèi)球曲面不同的角度位置上檢測(cè)型面表面粗糙度情況。在零件內(nèi)球曲面輪廓的回轉(zhuǎn)母線上回避頂點(diǎn)標(biāo)記3段不同角度的測(cè)量位置，利用表面粗糙度測(cè)量，圖11所示是位置Ⅱ的原始輪廓和濾波處理后的表面粗糙度輪廓。從圖11可以看出，測(cè)量結(jié)果較穩(wěn)定、可靠。

圖11位置Ⅱ的原始輪廓與表面粗糙度輪廓

5? ? ?結(jié)論

本文面向一種特殊材料異型結(jié)構(gòu)零件內(nèi)曲面的表面粗糙度集成在線測(cè)量的要求，提出一種在坐標(biāo)測(cè)量平臺(tái)上集成光譜共焦傳感器的方法，設(shè)計(jì)構(gòu)建的測(cè)量系統(tǒng)，面向表面粗糙度測(cè)量的全流程建立了硬件控制與輪廓處理環(huán)境，進(jìn)行了多項(xiàng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該測(cè)量系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度和重復(fù)性，粗糙度參數(shù)Ｒa的測(cè)量重復(fù)性為0.0026μm，通過(guò)優(yōu)化零件檢測(cè)過(guò)程，整體上縮短零件近30%的檢測(cè)時(shí)間，可用于零件生產(chǎn)加工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)表面粗糙度進(jìn)行在線測(cè)量。

論文標(biāo)題：

A Method of On-line Integration Roughness Measurement Based on Chromatic Spectrum Confocal