基于線光的表面粗糙度測量研究*

商執(zhí)億 王建華 尹培麗

（1.西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 西安 710021）（2.西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 西安 710048）

1 引言

表面粗糙度是評價(jià)機(jī)械加工表面質(zhì)量的重要指標(biāo)，其常規(guī)的測量方法為觸針法、光切法和干涉顯微法[1～3]。其中，觸針法是應(yīng)用最廣泛且最成熟的一種方法，具有測量范圍大、分辨率高、測量結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)，但該方法屬于接觸式測量，易劃傷被測表面[4]。光切法的測量精度較高，但該方法的測量范圍和工作距離都比較小[5]。干涉顯微法的測量精度高，且能實(shí)現(xiàn)面測量，但該方法的系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間長，對測量環(huán)境要求也高[6]。

常規(guī)的測量方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，而隨著光學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，還涌現(xiàn)出很多適用于表面粗糙度測量的方法，其中線激光法和線光譜共焦法因其非接觸、工作距離大且同屬線光測量、效率高等優(yōu)點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景[7～10]。CUI[11]推導(dǎo)了直射式和斜射式線激光法的測量模型，分析了該方法在表面粗糙度測量中應(yīng)用的可行性。張小艷[12]搭建了一套基于線激光法的表面粗糙度測量系統(tǒng)，完成了刨床樣塊的測量，結(jié)果與觸針法結(jié)果相近。周勇[13]將點(diǎn)光譜共焦傳感器集成在坐標(biāo)測量機(jī)上，完成了輪廓算數(shù)平均偏差Ra標(biāo)稱值為0.37μm的標(biāo)準(zhǔn)樣塊的表面粗糙度測量，測量重復(fù)性為0.0026μm。王文娟[14]設(shè)計(jì)了一套點(diǎn)光譜共焦測量系統(tǒng)，完成了Ra標(biāo)稱值為6.3μm的端銑樣塊的表面粗糙度測量，測量結(jié)果為6.29μm。

目前基于線激光法和光譜共焦法的粗糙度測量研究多是對單一樣塊的測量驗(yàn)證，未對不同等級粗糙度的樣塊進(jìn)行系統(tǒng)性測量，對于兩種方法的粗糙度可測精度范圍比較模糊，且光譜共焦的研究都是采用點(diǎn)光源，效率低。為此，本文提出采用線激光法和線光譜共焦法完成不同機(jī)械加工方法的不同等級粗糙度樣塊的系統(tǒng)性測量。

2 測量原理

2.1 線激光法測量原理

該方法采用光三角測量原理，如圖1所示，激光器發(fā)出的線光投射到被測工件表面上，經(jīng)反射后成像于光電探測器上，像點(diǎn)位置會(huì)隨被測表面輪廓高低變化而產(chǎn)生變化，通過測量像點(diǎn)位移x，便可計(jì)算出工件表面的輪廓信息y。

圖1 線激光法測量原理

2.2 線光譜共焦法測量原理

該方法采用光譜共焦測量原理，如圖2所示，白光光源發(fā)出的光經(jīng)狹縫1形成一條線光，經(jīng)光學(xué)組件1中的色散鏡頭后形成不同波長的單色光，每一個(gè)波長的焦點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)距離值。投射到被測表面的線光被反射后，經(jīng)光學(xué)組件2處理，通過狹縫2進(jìn)入光譜探測器中。因不同波長的單色光都有可能通過狹縫2進(jìn)入探測器中，此時(shí)采集到的光是一組模糊的光譜，但只有在被測表面上共焦的單色光擁有足夠的光強(qiáng)，在探測器中形成一個(gè)明顯的波峰。通過解析光強(qiáng)-波長-距離之間的映射關(guān)系，便可得到被測表面的高度信息。

圖2 線光譜共焦法測量原理

3 表面粗糙度高度特征參數(shù)Ra計(jì)算方法

首先采用測量系統(tǒng)采集的輪廓數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制輪廓曲線，然后通過最小二乘法擬合輪廓曲線的線性回歸中線，作為評定粗糙度參數(shù)的基準(zhǔn)線，最后計(jì)算輪廓算數(shù)平均偏差Ra。

線性回歸中線的方程為

式中：a、b為回歸系數(shù)，xi、yi為輪廓數(shù)據(jù)，n為數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。

在取樣長度范圍內(nèi)計(jì)算輪廓算數(shù)平均偏差Ra為

4 表面粗糙度的線光測量

4.1 測量方法

采用線激光法和線光譜共焦法測量不同機(jī)加樣塊的表面粗糙度。線激光法選用基恩士的測量儀，主要參數(shù)：工作距離64mm，線長16mm，縱向測量范圍14.6mm。線光譜共焦法選用FocalSpec的測量儀，主要參數(shù)：工作距離8mm，線長4.3mm，縱向測量范圍1.1mm。

被測工件選用刨床和平磨粗糙度樣塊，樣塊分4個(gè)等級，出廠測定的Ra已標(biāo)出，如圖4所示，下文采用“Ra6.3、Ra3.2、Ra1.6……”代表不同等級的樣塊。為驗(yàn)證Ra的準(zhǔn)確性，采用觸針法進(jìn)行重新測量，并以該測量結(jié)果作為參考標(biāo)準(zhǔn)值。

圖3 測量系統(tǒng)

圖4 被測工件

4.2 測量結(jié)果及分析

4.2.1 刨床樣塊表面粗糙度測量結(jié)果

刨床樣塊表面比較粗糙，且表面輪廓呈規(guī)律性波動(dòng)，輪廓曲線測量結(jié)果如圖5所示。

圖5 刨床樣塊表面輪廓曲線

從圖5看，線激光法測量的樣塊“Ra6.3”和樣塊“Ra3.2”的輪廓與標(biāo)準(zhǔn)輪廓的一致性較好，但測量的樣塊“Ra1.6”和樣塊“Ra0.8”輪廓規(guī)律性變差，且樣塊“Ra0.8”的輪廓幅值明顯增大。而線光譜共焦法的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)輪廓均保持一致。

Ra的計(jì)算結(jié)果如表1所示。線激光法測量樣塊“Ra6.3”和樣塊“Ra3.2”的誤差較小，但測量樣塊“Ra1.6”和樣塊“Ra0.8”誤差增大，相對誤差最大達(dá)到了140.96%。線光譜共焦法測量的誤差均較小，相對誤差最大為測量樣塊“Ra1.6”時(shí)的7.36%。由此推斷，線激光法只能夠準(zhǔn)確測量Ra≥3.2μm的表面粗糙度，Ra≤1.6μm無法準(zhǔn)確測量。

表1 刨床樣塊Ra計(jì)算結(jié)果

4.2.2 平磨樣塊表面粗糙度測量結(jié)果

平磨樣塊表面比較光滑，且表面輪廓波動(dòng)無規(guī)律，輪廓曲線測量結(jié)果如圖6所示。

圖6 平磨樣塊表面輪廓曲線

從圖6看，線激光法測量的輪廓與標(biāo)準(zhǔn)輪廓相差較大，特別是不同樣塊的輪廓幅值基本相同，說明線激光法已無法測量該平磨樣塊。線光譜共焦法結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)輪廓基本保持一致。

Ra的計(jì)算結(jié)果如表2所示。線激光法測量不同樣塊的誤差都比較大。線光譜共焦法測量樣塊“Ra0.8”、“Ra0.4”、“Ra0.2”的誤差較小，測量樣塊“Ra0.1”誤差增大，相對誤差為27.27%。由此推斷，線光譜共焦法能夠準(zhǔn)確測量Ra≥0.2μm的表面粗糙度，Ra≤0.1μm無法準(zhǔn)確測量。

表2 平磨樣塊Ra計(jì)算結(jié)果

綜合刨床和平磨樣塊的測量結(jié)果，線光譜共焦法的測量精度高于線激光法，主要原因是測量原理不同，線光譜共焦法主要通過光波波長計(jì)算輪廓信息，光波的波長通常在幾百納米，所以該方法分辨率可以達(dá)到亞微米級，而線激光法主要通過提取采集的光條的中心位置來計(jì)算輪廓信息，受相機(jī)分辨率、散斑噪聲等因素的影響，該方法的測量分辨率很難達(dá)到微米級。

5 結(jié)語

采用線激光法和線光譜共焦法完成了刨床樣塊和平磨樣塊的表面粗糙度測量實(shí)驗(yàn)，從測量的輪廓曲線和Ra兩方面進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：線光譜共焦法能夠準(zhǔn)確測量Ra≥0.2μm的表面粗糙度，而線激光法只能準(zhǔn)確測量Ra≥3.2μm的表面粗糙度。兩種線光方法可以應(yīng)用于不同粗糙度測量要求的場合，且單次測量可獲得一條數(shù)據(jù)點(diǎn)，測量效率高，如果配合機(jī)械運(yùn)動(dòng)，還可以實(shí)現(xiàn)三維粗糙度的快速測量，具有很大的應(yīng)用前景。