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(kāi)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(kāi)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(jiàn)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(jiàn)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(kāi)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_(kāi)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(kāi)發(fā)了人機(jī)交互較為便捷的界面窗口，見(jiàn)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(jiàn)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