毛化表面的三維表面形貌在線測量儀*

辛　洪　常素萍　謝鐵邦

(華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074)

0　引言

鋼板的毛化[1]能夠改善冷軋鋼板的沖壓成形性、涂敷性和光亮度等性能，因此汽車車身、家電外殼等普遍采用毛化鋼板。目前冷軋鋼板的毛化技術(shù)主要有激光毛化、噴丸毛化和電火花毛化等，鋼板的毛化表面受到冷軋輥的毛化、冷軋工藝過程的影響[2-3]，因此控制冷軋輥和冷軋鋼板的表面形貌有利于提高毛化鋼板的生產(chǎn)質(zhì)量和改進(jìn)工藝過程。

工程表面形貌的測量主要采用觸針式表面形貌測量儀，有電感式、激光干涉和光柵干涉式。電感式表面形貌測量儀是基于電感原理，測量范圍只有±300μm；激光干涉和光柵干涉式利用干涉原理，測量范圍可達(dá)幾毫米，甚至幾十毫米，測量分辨力可達(dá)納米，是目前應(yīng)用較廣的測量儀器[4-6]。這些表面形貌測量儀可用來測量軋制工藝完成后的鋼板的表面，可測量得到二維和三維的形貌；而軋輥的測量則多是用手持式粗糙度測量儀，只能測量得到簡單二維粗糙度參數(shù)的評定值。由于毛化表面的形貌比較復(fù)雜，要從毛化結(jié)構(gòu)的形狀、高度和分布等多方面分析評定[7]，來控制鋼板的使用性能和工藝過程。因此需要便攜式的大范圍大量程高精度的表面形貌測量儀，能夠在線測量鋼板和軋輥的三維表面形貌。

本文根據(jù)毛化鋼板和軋輥的表面形貌特點(diǎn)，研制出一臺便攜式、多功能的三維表面形貌測量儀，可進(jìn)行在線測量鋼板和冷軋輥的毛化表面形貌，進(jìn)行毛化形貌的分析和評定。

1　儀器總體結(jié)構(gòu)

便攜式三維表面形貌儀器包括觸針式測量傳感器、光學(xué)測量系統(tǒng)，X-Y二維驅(qū)動機(jī)構(gòu)、控制電路和軟件，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。觸針式測量傳感器基于激光干涉原理，能夠測量毛化表面形貌，進(jìn)行表面特征的分析和評定。光學(xué)測量系統(tǒng)可得到被測表面的顯微圖像，用于分析毛化結(jié)構(gòu)的分布規(guī)律。X-Y二維驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用共基面結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)大面積高精度的測量。

圖1　儀器總體結(jié)構(gòu)示意圖

計(jì)算機(jī)根據(jù)測量要求發(fā)送控制信號到控制箱，控制箱產(chǎn)生脈沖信號來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)使工作臺帶動傳感器作二維掃描運(yùn)動。工件表面的形貌會引起傳感器光信號的變化，激光干涉?zhèn)鞲衅鞯墓庑盘栍蓹z測頭轉(zhuǎn)換為電信號，送入控制箱進(jìn)行調(diào)整，然后傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到位移值。在進(jìn)行完接觸式測量以后，可以將傳感器替換為物鏡與CCD，用來采集圖像信號，傳給計(jì)算機(jī)來顯示圖像。最后計(jì)算機(jī)根據(jù)采集得到的表面三維形貌計(jì)算相應(yīng)參數(shù)。

2　測量傳感器

測量傳感器基于邁克爾遜干涉測長原理，如圖2所示。

圖2　傳感器原理示意圖

激光器發(fā)射的光束經(jīng)過反射鏡入射到分光鏡的分光面上，分光面將入射激光束分成兩束光a與b。測量光a入射到杠桿一端的角錐棱鏡，在角錐棱鏡里做了兩次反射后，反射光c按照原路返回，回到分光鏡的分光面上。參考光b同樣也經(jīng)過參考角錐棱鏡，參考反射鏡，然后原路返回，在分光鏡的分光面處與測量光匯合產(chǎn)生干涉條紋。當(dāng)觸針在毛化表面上掃描時(shí)，表面形貌會使杠桿帶動角錐棱鏡上下移動，測量光路的光程就會發(fā)生變化使干涉條紋移動。

設(shè)觸針位移值為Δx，干涉條紋由光電接收器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過電路分析和處理，單片機(jī)對干涉條紋硬件四細(xì)分進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值為N。觸針位移值Δx則為

(1)

式中，k為杠桿比；l 為激光波長；θ為兩路差分信號的相位差。

所使用激光器發(fā)出的激光波長為650nm，杠桿比例k為1:1。由式(1)知每移動一個干涉條紋，Δx變化650nm/4=162.5nm。在經(jīng)過硬件四細(xì)分后通過12位A/D采樣，分辨力可以達(dá)到大約5nm。

由于杠桿的非線性誤差和角錐棱鏡傾斜對光路帶來的誤差，杠桿只有在傾斜小角度范圍內(nèi)測量時(shí)，觸針的實(shí)際位移值才會與計(jì)算值近似相等[8]，在杠桿臂長為30mm時(shí)，觸針的測量范圍大約為±3mm。

3　二維掃描工作臺

二維掃描工作臺的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲桿、直線導(dǎo)軌、柔性聯(lián)軸器、定位軸承和定位銷組成，其實(shí)物圖如圖3所示。

1.步進(jìn)電機(jī)；2.聯(lián)軸器；3.滾珠絲桿；4.直線導(dǎo)軌；5.X向移動平臺；6.Y向移動平臺；7.手輪；8.傳感器 ；9.光電檢測頭；10.觸針

二維掃描工作臺的精度直接影響到傳感器的測量結(jié)果，為了減小二維掃描工作臺在掃描過程中兩副導(dǎo)軌因不共面而造成的誤差，采用共基面式的安裝方式來安放導(dǎo)軌，X-Y向運(yùn)動保持在同一平面上。

單一方向上的運(yùn)動由步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲桿和直線滾柱導(dǎo)軌協(xié)作完成。步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動滾柱絲桿轉(zhuǎn)動，絲桿屬于細(xì)長軸，其軸線的直線度與絲桿的形狀誤差會導(dǎo)致滾柱絲桿螺母的擺動，從而影響到掃描工作臺的直線度。為了降低其影響，滾柱絲桿螺母與直線導(dǎo)軌間的連接采用銷的連接方式。這樣掃描工作臺的直線度主要取決于直線導(dǎo)軌的直線度，它在測量中的影響可以通過濾波技術(shù)去除。

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動脈沖數(shù)為10000ppm，滾珠絲桿的螺距為2mm，因此掃描工作臺X-Y方向上的分辨力為0.2μm。毛化鋼板或軋輥的毛化點(diǎn)直徑一般為100～300μm，而毛化點(diǎn)的間距是毛化直徑的1～5倍，多數(shù)情況下會在200～1000μm之間，水平掃描的分辨力為0.2μm能夠滿足測量要求。軋輥具有一定弧度，工作臺測量范圍為30mm×30mm，工作臺在此掃描范圍內(nèi)，觸針的起伏小，測量精度高。

4　儀器控制電路

儀器的控制電路總體上分為兩大部分：測量信號的輸入與電機(jī)控制信號的輸出。為了適應(yīng)儀器便攜式的特點(diǎn)，儀器接口采用傳輸速率高，方便連接，具有即插即用特性的USB2.0接口。圖4為控制電路的總體框圖。

圖4　控制電路框圖

測量信號輸入電路主要包括干涉條紋的變向、計(jì)數(shù)與細(xì)分。干涉條紋的光強(qiáng)由四個光電二極管轉(zhuǎn)換為電信號，這種微弱的電信號里面摻雜著高頻的噪聲信號，需要用濾波器對信號進(jìn)行高頻濾波。濾波后的信號需要經(jīng)過差分變?yōu)閮陕废辔幌嗖?0°的正弦信號，在送入調(diào)理電路之前，需要用加法器來調(diào)整信號中的直流量，用放大器校正正弦信號的幅值，以保證李薩如圓的圓度并使中心保持在坐標(biāo)原點(diǎn)。

在調(diào)理電路中，將上述的兩路信號分別做整形處理與A/D轉(zhuǎn)換處理。A/D轉(zhuǎn)換后的兩路數(shù)字信號直接通過USB接口送交計(jì)算機(jī)細(xì)分，而另一方面的整形，是用比較器將兩路正弦信號整成方波信號，這兩路的方波信號相位差也是90°，這樣就可以根據(jù)兩路信號的相位變化來判斷方向，根據(jù)方波經(jīng)過的周期數(shù)來計(jì)數(shù)，然后將得到的計(jì)數(shù)結(jié)果通過USB接口送交計(jì)算機(jī)。一個計(jì)數(shù)代表著光程差為1/4個波長，光程差不足1/4波長的部分可以通過軟件細(xì)分來實(shí)現(xiàn)，再根據(jù)計(jì)算得到的光程差來推算出觸針的位移值。

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動信號是脈沖信號，計(jì)算機(jī)根據(jù)需要走的行程及速度通過USB接口發(fā)出一定頻率和數(shù)量的脈沖信號，送入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。

5　測量應(yīng)用

為了驗(yàn)證三維形貌測量儀測量精度，對中國計(jì)量院提供的Ra值為0.8的A06476標(biāo)準(zhǔn)矩形多刻線樣板進(jìn)行測量測試。圖5為測量結(jié)果，Ra=0.817μm，重復(fù)測量誤差0.017μm。

對毛化鋼板進(jìn)行了三維形貌測量試驗(yàn)， 圖6為測量出的三維形貌圖。對測量結(jié)果進(jìn)行參數(shù)評定，輪廓算術(shù)平均偏差Ra=0.752μm，微觀不平度十點(diǎn)高度Rz=4.429μm，輪廓最大高度Ry=4.564μm，輪廓微觀不平度的平均間距Sm=0.153mm，輪廓的單峰平均間距S=0.270mm。

圖5　標(biāo)準(zhǔn)多刻線樣板的測量結(jié)果

圖6　毛化鋼板測量圖

毛化軋輥與毛化鋼板的毛化點(diǎn)的排列具有紋理，一些特殊紋理通過接觸式測量不容易測準(zhǔn)，可通過圖像法來觀測，圖7是在兩倍放大的情況下觀測到的圖像，毛化點(diǎn)為橫向直線型排列的紋理，毛化點(diǎn)的密度為14.8個/mm2。

圖7　毛化鋼板放大圖像

6　結(jié)論

為了能夠更全面有效的測量毛化表面的三維形貌，本文研制了便攜式表面形貌測量儀，不僅能進(jìn)行三維表面形貌的高精度大面積的測量，還可進(jìn)行圖像分析，能夠從毛化結(jié)構(gòu)的形狀、高度和分布等多方面分析表面特性與鋼板的使用性能、工藝參數(shù)等關(guān)系，從而控制毛化鋼板的表面質(zhì)量和生產(chǎn)過程。

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