表面粗糙度是描述表面微觀輪廓的基本參數(shù)，對(duì)于評(píng)價(jià)產(chǎn)品性能至關(guān)重要。在機(jī)械加工、薄膜制備、微納機(jī)電系統(tǒng)以及光學(xué)精密加工等領(lǐng)域，表面粗糙度是評(píng)價(jià)產(chǎn)品性能的重要指標(biāo)之一。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，本文提出一種基于光譜共焦位移傳感器的在線集成表面粗糙度測(cè)量方法。
一、測(cè)量系統(tǒng)及原理
該在線集成表面粗糙度測(cè)量系統(tǒng)以一臺(tái)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）為平臺(tái)，構(gòu)建了測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由光學(xué)探頭、白光光源、微型光譜儀、光纖等組成光譜共焦位移傳感系統(tǒng)，并利用工業(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。
其中，光學(xué)探頭、白光光源、微型光譜儀、光纖等元件組成了光譜共焦位移傳感系統(tǒng)，測(cè)量量程為300μm，橫向分辨率為4.5μm，縱向位移測(cè)量精度達(dá)到納米級(jí)別，較好地滿足了表面粗糙度測(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。通過特殊光學(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。
二、測(cè)量流程
表面粗糙度測(cè)量方法的具體流程如下：
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)。
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。
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。
三、硬件控制與輪廓處理環(huán)境的建立
為了實(shí)現(xiàn)工件微觀輪廓的掃描和表面粗糙度測(cè)量的協(xié)調(diào)控制，基于USB和Ethernet通訊接口和協(xié)議，在上位機(jī)LabVIEW平臺(tái)上開發(fā)了系統(tǒng)的硬件通訊控制模塊。同時(shí)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。
四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
為了驗(yàn)證該方法的可行性和有效性，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。與傳統(tǒng)的接觸式輪廓儀和掃描白光干涉輪廓儀相比，基于光譜共焦的在線集成表面粗糙度測(cè)量方法具有更高的檢測(cè)效率和更好的適應(yīng)性。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。
總之，基于光譜共焦的在線集成表面粗糙度測(cè)量方法具有非接觸、高精度、高效率等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于機(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。