CN1014091B

CN1014091B - 激光扫描测粗糙度的方法及测量仪

Info

Publication number: CN1014091B
Application number: CN 88104832
Authority: CN
Inventors: 龚育良
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 1988-08-10
Filing date: 1988-08-10
Publication date: 1991-09-25
Also published as: CN1040265A

Abstract

本发明提供了一种用激光扫描和二路数据采集A/D转换和定标曲线计算机拟合的反射、散射比测量粗糙度的方法和实现该方法的粗糙度测量仪。该测量仪由激光器、光电探测器、扫描器、单板机等组成，其特征在于激光束入射到被测工件表面的入射角γ范围50-85度。光电探测器离反射点的距离d为10-300mm，扫描器由12-24面旋转多面镜、或扭动反射镜或声光偏转元件构成。其优点是结构简单、操作方便、测量速度快，只33ms就能测出几百个点的平均粗糙度。

Description

本发明是用激光扫描的方法测量粗糙度，并发明了激光扫描粗糙度测量仪。

粗糙度测量的传统方法有触针法、几何光学法（斜截面法，光学切面法），物理光学法（干涉显微镜）。

近十年来，利用激光散斑反差、散斑波长抗相关，光学傅里叶变换，反射、散射比和应用光纤传感器、光学外差原理等测量表面粗糙度的方法均有报导。关于激光扫描测量粗糙度经国际联机文献检索，查出如下三篇相关技术的文章文献号36992报导了“激光扫描粗糙度测量”（Roughnessmeasurement with a Leser Seanning analyser）是利用反射法扫描测量粗糙度，该方法由于受电源波动，激光功率不稳等环境影响，给测量带来较大误差。而我们采取反射散射比法克服了环境影响带来的误差。文献号24154则报导的是“运动的磁性记录材料表面形貌干涉测量”而本发明的反射散射比扫描测量粗糙度法的结构、操作和数据处理均简化，而且成本降低。文献号为22-0638“高速表面粗糙度测量”介绍的实际是扫描测量激光速通过工件反射形成的反射图来测量粗糙度。

表面粗糙度是表面质量的一个重要指标，对机器和仪表的配合性质、工作精度、使用寿命以及其它诸如密封，流体动力学、摩擦学、电和热的传导乃至表面的电化学性质等都有很大影响，因此用现代光学，电子学和计算机等技术对表面粗糙度进行无接触，快速直至实时测量以实现生产管理的质量保证和质量控制是一个重要的极待解决的问题，传统的触针法，光切法和光学显微镜法等测量表面粗糙度方法显然已不能满足上述要求，近十多年来，利用激光散斑反差，散斑波长抗相关，光学傅里叶变换，反射散射比和应用光纤传感器，光学外差原理等测量表面粗糙度的方法均有报导，但这些测量方法都只能测量一点（处）的粗糙度，不能测量一定加工面上的平均粗糙度，更不能对精加工表面进行质量监控。本发明实现了对不同表面粗糙度的测量，可以应用于质量监控。

本发明是应用激光扫描和二路数据采集A/D转换和定标曲线计算机拟合的反射、散射比测粗糙度。其原理是激光束以一定入射角照射到被测表面上，除一部分被吸收外，大部分被反射和散射，反射光和散射光组成与粗糙度有关的图谱，反射形成的核心光斑和散射形成的光带分别由光电转换器转换为电信号，测定反射光强和散射光强的比就可求得粗糙度

一激光束通过旋转多面镜（或摆动的反射镜）或声光器件等方法得到一快速来回移动的扫描光束，此光束照射到精加工表面上，形成的图谱也是迅速移动的，应用数据采集和计算机控制技术在扫描过程中迅速采集几百个点的反射光和散射光转换来的电信号，计算两者比的平均值，再通过定标曲线的计算机拟合，直接给出粗糙度R_a。其实现该方法的测量仪构成如下：

该测量仪由激光器〔1〕，扫描器〔2〕，直流马达〔3〕，透镜〔4〕，反光镜〔5〕，样品平台〔6〕，光电探测器〔7〕，单板机〔8〕，A/D转换和打印接口电路〔9〕，单板机电源〔10〕，变压器〔11〕，马达电源〔12〕构成。特征是激光束射到被测工件表面的入射角γ为50～85度，光电探测器（方形结构或圆形结构）离反射点的距离d为10～300mm，光电探测器D₂半高度t2为0.5～3mm，D1半高度t₁。为5～150mm，宽度S为10～150mm;光电探测器方圆形结构）D₂半高度（或半径）为0.5～3mm，D₁半高度（或半径）为5～150mm。光电探测器可以是硅光电池或光电二极管列阵。扫描器扫描宽度为10～150mm，扫描元件为12～24面旋转多面镜或扭动反射镜、声光偏转元件。扫描频率可调。

数据处理系统见图7。其中V_p为光核能量，V_B为光带能量〔13〕为前置放大器，〔14〕为多路开关，〔15〕为二级放大，〔16〕为A/b转换，〔17〕为单板机，〔18〕为打印机。

定标曲线的计算机拟合，国家标准粗糙度R_a和反射光核能量V_P，散射光带能量V_B之比R＝V_P/V_B间的关系曲线R_a～R为定标曲线。由实验测得的定标曲线，根据最小二乘法原理进行n次方多项式计算机拟合，即设R_a＝a₀+a₁R¹+a₂R²+a₃R³+…+a_nRⁿ，n＝1～5，由汇编语言拟合程序求得多项式系数a₀、a₁、a₂……a_n。其工作方式是当扫描器不工作时，测量一个点附近的粗糙度为定点测量，当扫描器工作时测量面上平均粗糙度为扫描测量。测量时在单板机控制下测量光核能量V_P，光带能量V_B，由计算机计算R＝V_P/V_B和多项式得粗糙度R_a，最后由打印机打印V_P、V_B、R和R_a。

本发明测量范围：R_a＜0.5μm，测量工件表面及加工道痕为：

平面表面：一维、二维随机加工道痕;

柱面表面：一维随机加工道痕，道痕垂直柱面母线;

凸凹球面表面：二维随机加工道痕。

本发明的优点在于测量仪结构简单、操作方便，测量粗糙度速度快，测几百个点的平均粗糙度只需33ms，而用传统方法测量几个点的粗糙度，再求平均值也比这个时间长得多得多。

下面结合附图对本发明作进一步说明

图1是本发明的一种主视图。

图2是本发明的俯视图。

激光束以一定入射角照射到被测表面上，反射形成的核心光斑和散射形式的光带分别被光电探测器D₂和D₁吸收后转换为电信号，经放大后送入A/D转换器，由单板机控制进行数据采集和A/D转换，最后由单板机进行数据处理并打印出结果。

图3是激光束入射角图。

图4是激光器和光电探测器。其中〔1〕是He-Ne激光器，γ为入射角，D₁、D₂为光电探测器，t₂为光电探测器D₂的半高度，t₁为光电探测器D₁的半高度，d为光电探测器离反射点的距离，S为光电探测器宽度。

图5是方形光电探测器示意图。

图6方园形光电探测器示意图

联接方法：测量部分（激光器、光电探测器等）和数据处理部分（单板机、A/D转换和打印接口电路、电源等）可以组装在一个机箱里，也可以分开组装成两部分。

Claims

1、一种利用激光扫描，通过测量反射光和散射光比来测定表面粗糙度的方法，其特征是：激光束射到旋转多面镜或摆动的反射镜或声光器件形成一快速回移动的扫描光束，此光束以一定角度入射到被测表面上，除一部分被吸收外，大部分被反射和散射，反射光和散射光组成与粗糙度有关的图谱，反射光形成的核心光斑和散射光形成的光带分别由光电换能器转换成电信号，由计算机控制的二路数据采集A/D转换器在扫描过程中迅速采集几百个点的反射光和散射光转换来的电信号，计算两者比的平均值，根据计算机拟合的定标曲线公式直接给出粗糙度Ra。

2、按照权利要求1所述的粗糙测量方法，其特征在于定标曲线的计算机拟合，拟合公式为R_a＝α₀+α₁R+α₂R²+……+α_nRⁿ，n＝1～5。式中R_a为粗糙度，α₀，α₁，α₂……α_n为计算机根据定标曲线拟合得到的常数。

3、一种激光扫描粗糙度测量仪，由激光器〔1〕，扫描器〔2〕，直流马达〔3〕，透镜〔4〕，反光镜〔5〕，样品平台〔6〕，光电探测器〔7〕，单板机〔8〕，A/D转换和打印接口电路〔9〕，单板机电源〔10〕，变压器〔11〕，马达电源〔12〕组成，其特征在于：激光束入射到被测工件表面的入射角γ的范围为50-85度，光电探测器离反射点的距离d为10-300mm。

4、按照权利要求3所述的粗糙度测量仪，其特征在于光电探测器是方形的，该探测器D₂的半高度t₂为0.5-3mm，D₁的半高度t₁为5-150mm，宽度S为10-150mm。

5、按照权利要求3所述的粗糙测量仪，其特征在于光电探测器是圆形的，该探测器D₂的半径t₂为0.5-3mm，D₁的半径t₁为5-150mm。