【行业应用】基于激光三角法的零件表面粗糙度在线测量

2022-04-27

摘要：介绍了一种零件表面粗糙度的激光在线测量方法，该测量方法具有测量速度快且能够显示被测表面的具体形貌等优点，在测量中引入激光三角测量系统，用无衍射激光光束作光源，用高精度的摄像机作位移传感器，通过计算机数据处理得到表面粗糙度值，使表面粗糙度在线检测成为可能。


关键词：表面粗糙度；He-Ne激光器；摄像机；激光三角法

1     引言

表面粗糙度误差又称为微观几何形状误差，是机械零件的一个主要几何精度指标，它直接影响机器或仪器的使用性能和寿命。目前在生产现场主要是靠目测或触摸对比样板的办法来估计，而计量室中常用触针法(Talysurl)、光切显微镜、干涉显微镜及电动轮廓仪，由于其结构和性能所限，难以实现现场主动测量，而且工作效率不高。本文介绍的表面粗糙度激光测量即是基于激光三角测量系统，并对JSG-T型光切显微镜进行了微机化改造，在显微镜原照相机位置处改装了图像提取系统，用数字摄像头摄取图像，然后输入计算机进行数据处理，计算表面粗糙度参数，实现了图像提取及数据处理自动化。该测量方法具有在线测量、不会划伤被测件且能够显示被测表面的具体形貌等优点。

2     测量原理

系统采用激光器做光源，凸透镜、针孔及透镜组成扩束准直系统，光束充满整个锥形透镜孔径，其后形成的无衍射光束即为三角测量系统的入射光束。测量过程中，将光源（入射光线）、透镜及电荷耦合传感器固定，让被测试样沿轴线匀速转动。如图1所示，当入射光束以角照射到被测试样点时，由于试样表面有一定的粗糙度，必将发生漫反射，这时一部分反射光线经过显微镜汇聚于传感器的点。传感器将发出信号，记录此时光点的位置。若被测试样转动时，反射光线不变，电荷耦合传感器的光点也不变。当样件表面有微观不平时（见图1)，入射光束照射到B点时，反射光线通过透镜，会聚于上点。发出信号，记录此时光点的位置。通过计算机处理，可得到试样表面粗糙度值。

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图1   激光三角法原理图

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图2   激光三角法分析图

设AB=Δ,A'B'=δ,v为物镜放大倍数，则有

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整理可得

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当Δ很小时，

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有

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由于入射光束（即物平面）与水平面夹角为θ,

设微观不平深度为H，则

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当α，β，θ，l0及l0'，v均为定值时，式(3)可表示为H＝Kδ，K为定值，所以H与δ近似线性关系，δ可由摄像机测出，微观不平深度H亦可求出。

3     测量系统

测量系统如图3所示，在观察方向采用CCD摄像头，波长为632.8nm的激光从被测表面反射出来，经过显微镜在摄像头上成像，再输入图像采集卡与计算机连接，可进行图像处理，监视器可显示表面动态状况。为选择采集点提供方便，测量过程中，只需调节初始光强便可进行粗糙度值Ra的测量，不需要改变波长、入射角、焦距，保证被测试样绕轴心匀速转动，通过对瞬态图像进行图像采集，由计算机处理即可以得到Ra。因此，该方法可用于表面粗糙度的实时测量。其中，激光经显微镜后在传感器上成像，然后用图像处理软件对图像文件进行必要的处理，如锐化、增强、边缘检测和提取等，就可以得出表面粗糙度的轮廓形状，算出零件表面的微观不平深度经过显微镜后在摄像机上的成像点，得到相应的表面粗糙度曲线，从数据处理到表面粗糙度曲线是由计算机来完成的。

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图3   测量系统

4     测试精度的比较

在该系统中，选择JSG-T光切显微镜，该显微镜具有不同放大倍率的镜头，对于不同的放大镜头，需对系统进行必要的标定。图4是用标准量块形成的0.1mm的台阶在14倍光切显微镜下得到的图像，经图像处理和边界提取获得图4，上下两条线间的垂直像素点差为146个点，因此在14倍头镜下，一个像素点对应的距离为d= 1/1460mm= 0.685µm，当粗糙峰与谷之间的象素数为N时，则峰与谷之间的距离h= Nd(µm），对于其它的镜头，如30倍和60倍的只要乘上倍数的相对变化率就行。

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图4   0.1mm台阶在光切显微镜下的图像

图5为车削加工表面在20倍体视显微镜下观察到的放大表面图像，可以看到均匀的车削条纹．图6是用触针法(Talysurl)测到的表面轮廓图，图7a是用本系统得到的图像，图7b为经本系图像处理得到的轮廓图。对比图6和图7b，可以看到两种方法获得的表面形貌廓图。无论在形状和幅值上都非常相似，表1中对应的两种方法获得的粗糙度统计值也相近。


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图5   车削加工表面

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图6   触针法测得的表面轮廓图


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图7   用本系统测得的车削表面形


表1 两种测量方法获得的粗糙度值比较

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5     结语

本文介绍的测量系统，采用无衍射激光作为光源，其中心光斑小，分辨率为1µm,CCD作为一种位移传感器件，有较宽的光谱响应范围，能实时连续测量，且能够很直观的反映表面粗糙度轮廓等优点，应用计算机处理结果，更快更精确得到表面粗糙度值。随着现代制造业的迅速发展，表面粗糙度的研究已经成为近年来的热点，激光测量法因其测量速度快、测量精度高，直观地反映表面粗糙度轮廓及在线测量的特点，有很好的发展前景。

参考文献

[1]   李柱，徐振高，蒋向前．互换性与测量技术[M]．高等教育出版社，2004:217.

[2]   周莉萍，赵斌，李柱．无衍射光束在激光三角测量系统中的应用及研究[J]．激光技术，1998,22(1):22-25.

[3]   陈辽军，梁萍．光切显微镜图像提取系统的数字化改造[J]．工具技术，2003,37(9):48-50.

[4]   胡曙光．基于激光三角法的传感器设计[J]．测控技术，2006,25(6):7-8.

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