CN1037125C - 一种检测表面粗糙度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测表面粗糙度的方法及装置。该方法是用数字图象处理技术对一场或连续几场的光切亮带图象进行边缘检测，得到一个取样长度内以象素为单位的边缘轮廓坐标点及粗糙度多参数，根据定标进行单位转换，可得一个取样长度内的表面粗糙度多参数。使用这种方法的装置是在光切显微镜基础上通过增加图象传感器，图象采集装置，计算与控制装置等部件制作的。本发明实现了光切显微镜对表面粗糙度的多参数自动测量。

Description

一种检测表面粗糙度的方法及装置

本发明属于长度计量中的表面粗糙度测量领域，确切地说，它是一种使用光切显微镜实现多参数自动测量的技术。

在《光切显微镜和干涉显微镜》(《光切显微镜和干涉显微镜》编写组编著，机械工业出版社  1978.12)一书中公开了光切显微镜的原理、结构及测量方法。这种光切显微镜的最大优点是利用光切法非接触地直接获得被测表面的粗糙度亮带图象。理论上讲，只要能测得该粗糙度亮带图象边缘的各点坐标值，并且边缘长度达到一个取样长度，就可以按有关定义计算出粗糙度任一个参数。但实际上，目前的光切显微镜测量途径都没有很好解决取样长度内边缘点的测量问题。所以，目前的光切显微镜在正常使用条件下，不适合提供除Rz和Ry参数外的其他粗糙度参数，不能进行自动测量，这使光切显微镜的使用受到了限制；特别是由于表面粗糙度新国标(GB1031-83)中推荐优先使用Ra参数后，使现有的光切显微镜无法满足新国标要求，更加限制了这种仪器的应用。

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种能自动地检测Ra及其他所有参数(指GB1031-83所涉及到的高度评定参数及辅加评定参数)的表面粗糙度检测方法及装置。

本发明是通过下面方式实现的。

一种检测表面粗糙度的方法，它包括用光切法获得表面粗糙度的亮带图象，使其清晰地出现在检测视场中，其特征在于它还包括以下步骤：

(1)将检测视场中的亮带图象数字化成M(行)×N(列)的数字图象；

(2)对步骤(1)得到的数字图象进行边缘检测，得到一个检测视场的边缘曲线各点坐标；

(3)如果已检测到的边缘曲线长度不足被测表面所规定的取样长度，则使检测视场与粗糙度亮带图象产生一个场宽的相对移动，使检测视场中出现粗糙度亮带图象的下一部分；返回到步骤(1)，依次向下执行，直到检测的边缘曲线长度大于或等于规定的取样长度；

(4)截取取样长度内的边缘曲线坐标点，计算以象素为单位的表面粗糙度多参数值；

(5)根据定标确定的一个象素所代表的真实宽度及高度值，把步骤(4)中粗糙度值进行单位转换，得到一个取样长度内的表面粗糙度多参数。

一种实现上述检测方法的粗糙度检测装置，它包括：一个基座；一个立柱，它安装在基座上；一个横臂，它安装在立柱上，并可沿立柱上下滑动；一个粗调手轮，通过螺纹，联接在立柱上，用于控制横臂在立柱上的位置；一个锁紧旋手，用于锁紧横臂，使其不能沿立柱滑动，一个显微镜主体，与横臂相连；一个微调手轮，用于微调显微镜主体与横臂的位置；一组可换物镜组，其安装在显微镜主体的底部，并可根据不同的检测要求进行更换；一个照明灯，其安装在显微镜主体上部的照明接口里；一个照明灯亮度调整装置，其可为照明灯提供可调电源，控制照明灯的亮度。

除此之外，它还包括：

(1)  一个图象传感器，其安装在镜体上，用于把检测视场内的图象转换成视频信号；

(2)一个图象显示装置，它能把接收到的视频信号转换成相应的图象显示出来；

(3)  一个图象采集装置，其接收图象传感器的有关信号，用于把检测视场中的图象数字化成数字图象；

(4)一个带有步进电机的坐标工作台，其放置在基座上，步进电机的转动可驱动工作台位移；

(5)一个步进电机驱动装置，其为步进电机的转动提供驱动脉冲；

(6)一个具有控制及计算功能的装置，其有关信号线与图象采集装置及步进电机驱动装置相连，既可完成控制功能，又可完成计算功能。

本发明的效果是：

(1)可使光切显微镜镜体内的亮带图象在镜体外的图象显示装置上显示出来，便于观察及仪器的调整；

(2)在完成必要的调整后，本装置能够实现自动检测；

(3)可以单独或同时检测出粗糙度标准GB1031-83所涉及到的任何一个参数(如Ra，Ry，Rz，S，Sm，tp)；

(4)可以检测粗糙度标准GB1031-83未涉及到的其他粗糙度参数值；

(5)检测结果可信，重复精度高；

(6)本发明对光切显微镜的改型制造及现有光切显微镜的改造具有重大作用。

图1为本发明所涉及的检测视场及其粗糙度亮带图象

图2为本发明粗糙度检测装置示意图

图3为带步进电机的坐标工作台的一种实施例结构俯视图。

下面结合附图对本发明的最佳实施例进行详细描述。

在图1的检测视场[1]中，粗糙度亮带图象[2]是横向放置的。检测视场[1]内的图象被数字化成M(行)×N(列)的二值数字图象，对该二值数字图象进行边缘检测可得到以象素为单位的上侧边缘曲线各点坐标。若测得边缘曲线长度不足被测表面要求的取样长度，则可让粗糙度亮带图象[2]与检测视场[1]产生一个视场宽度的相对移动，使检测视场[1]中出现下段粗糙度亮带图象，继续按上述方法检测出其上侧边缘曲线各点坐标，直到所检测到的边缘曲线长度等于或超过所要求的取样长度。截取取样长度内的边缘曲线坐标点，进行数据处理，可得到以象素为单位的表面粗糙象的多个参数值。根据定标所确定的一个象素所代表的真实宽度及高度值，把上述粗糙度各个参数值进行单位转换，就得到一个取样长度内的表面粗糙度多参数。

图2给出了本发明表面粗糙度检测装置的示意图。在本实施例中，具有计算及控制功能的装置[27]采用计算机，图象显示装置[23]采用一种监视器，图象采集装置[25]使用一种实时二值图象采集板，图象传感器[24]采用一种真空管式工业摄象机，由图2可说明本装置的测量过程。

测量前，可把各个物镜组[11]装到光切显微镜主体[12]上，利用相应的定标样块对各个物镜组进行定标：用高度差已知的表面，例如单刻线样板，来确定一个象素所代表的真实高度；用有效长度足够的标准刻度尺，例如格值为0.01mm的标准刻度尺，来确定一个象素所代表的真实宽度。这样得到使用各物镜组时所对应的一个象素所代表的真实宽度及高度的定标参数值。测量时，选择与被测工件表面相适应的物镜组[11]，安装在显微镜主体[12]上，把被测工件[10]，如一个由车削得到的金属小轴，水平放置在工作台[9]上。第一步操作是必要的手工调整：调整显微镜主体[12]与带步进电机坐标工作台[9]的相对位置，使工作台[9]的X向运动与工件[10]上的亮带方向一致；松开锁紧的旋手[17]，调整工作台[9]的x、y向千分尺[21]、[7]及粗调手轮[19]，使需检测位置的粗糙度亮带图象出现在监视器[23]的屏幕上，再拧紧锁紧旋手[17]；调节微调手轮[16]，及照明灯亮度调整装置[8]的输出电压[13]，使检测视场[1]中的亮带图象上侧边缘清晰且黑白分明；再把选用物镜组所对应的定标参数值及被测工件表面所要求的取样长度值送给计算机[27]，以备计算时使用，以后各步就可在计算机[27]的控制下自动完成。第二步，计算机[27]通过信号线[26]向实时二值图象采集板[25]发出采样指令，则实时二值图象采集板[25]可把检测视场的图象信息自动数字化成二值数字图象并存储在其自身的存储区中，等采样工作完成后，计算机[27]再次通过信号线[26]向实时二值图象采集板[25]发出传输指令，把该装置[25]存储区内中的二值数字图象信息依次传入计算机[27]内的存储区。第三步，计算机[27]对自身存储区内的二值数字图象的上侧边缘进行检测，把所检测到的以象素为单位的边缘曲线坐标点依次记录下来。第四步，计算机[27]把已检测到的边缘长度与被测件[10]表面所要求的取样长度相比较：如果前者小于后者，则计算机[27]通过信号线[30]向步进电机驱动装置[3]发出控制指令，使装置[3]输出一定个数的驱动脉冲给步进电机[5]，使步进电机[5]产生一定步数的转动，从而驱动坐标工作台[9]拖动工件[10]沿x向产生相应的位移，致使粗糙度亮带图象[2]水平移过一个视场宽度，新的一场粗糙度亮带图象出现在检测视场[1]中，之后，计算机[27]返回第二步向下重复执行各步操作；如果前者大于或等于后者，则执行下面第五步的操作。第五步，计算机[27]截取被测工件[10]规定的取样长度内的边缘曲线坐标点，进行必要的数据处理及运算，得到以象素为单位的被测表面粗糙度多参数值。第六步，根据所用物镜组[11]定标时所确定的一个象素所代表的真实宽度及高度值，把第五步得到的以象素为单位的粗糙度多参数值进行单位转换，最后得到被测工件[10]在一个取样长度内的表面粗糙度多参数，该结果信息可通过信号线[28]用打印装置[29]打印输出，也可用计算机[27]的显示屏显示出来。

表1给出了本发明实施例与英产TALYSURF-6型电动机轮廓仪对同一被测工件在一个取样长度内进行检测的对比结果；

表2给出了本发明的实施例对同一被测工件在一个取样长度内进行十次重复测量的结果；

通过表1、表2也可说明本发明的效果。

表1

项目       单位    本发明       TALYSURF-6

Ra          um      3.24          3.19

Ry          um      17.5          15.8

Rz          um      15.6          不能提供

Sm          um      306.5          307

S           um      206.3          204

tp(中线处)  ％      39             43

表2

重复次数    单位    本发明Ra值

1            um        3.28

2            um        3.24

3            um        3.26

4            um        3.29

5            um        3.24

6            um        3.26

7            um        3.24

8            um        3.21

9            um        3.21

10           um        3.20

图3给出了带步进电机坐标工作台[9]一种实施例的结构俯视图。这是在公知的光切显微镜工作台结构中增加了两个支撑杆[31]，两个螺帽[33]，一块支承板[32]，一个步进电机[34]及一个小螺钉[35]。拖板[38]是固定在y向工作台上，其不能产生x向移动。两个支撑杆[31]联接在拖板[38]上，一块支承板[32]与支撑杆[31]连接在一起，一种步进角为0.9°的步进电机[34]安装在支承板[32]上，步进电机的输出轴[42]穿过支承板[32]的中心孔与x向螺旋千分尺的丝杆[40]通过小螺钉[35]联接在一起。步进电机[34]接收到驱动脉冲后，其输出轴[42]会带动丝杆[40]转动，丝杆[40]一端顶在联接在拖板[38]上的顶头[39]上，因而其会带动与丝杆相连的丝母[36]拖动x向工作台[37]沿×向运动。步进电机无驱动电流时，也可手工驱动螺旋千分尺的手柄[41]，实现×向工作台的移动。上述实施例涉及到的各技术特征发生下述变动时，不会偏离本发明的本质：

1、在图1中，检测视场[1]中的图象被数字化成M(行)×N(列)的多灰度级数字图象，例如8灰度级数字图象，64灰度级数字图象，256灰度级数字图象等等；相应地，图2中图象采集装置[25]可采用一种多灰度级图象采集板。

2、在图2中，图象传感器[24]可安装在其他位置，例如，通过目镜镜筒安装在原光切显微镜主体的目镜接口上；

3、图2中的图象传感器[24]可选用CCD面阵摄象机。

Claims (1)

1.一种检测表面粗糙度的装置，它包括：

一个基座，一个立柱，一个模臂，一个粗调手轮，一个锁紧旋手，一个光切显微镜主体，一个微调手轮，一组可换物镜组，一个照明灯及一个照明灯亮度调整装置，其特征在于，它还包括：

(1)一个图象传感器，其安装在光切显微镜主体的目镜接口上，用于把检测视场内的亮带图象转换成视频信号；

(2)一个图象显示装置，它能把接收到的视频信号转换成相应的图象显示出来；

(3)一个图象采集装置，其接收图象传感器的有关信号，用于把检测视场中的图象数字化成数字图象；

(4)一个带有步进电机的坐标工作台，其放置在基座上，步进电机的转动可驱动工作台的位移；

(5)一个步进电机驱动装置，其为步进电机的转动提供驱动脉冲；

(6)一个具有控制及计算功能的装置，其有关信号线与图象采集装置及步进电机驱动装置相连，既可完成控制功能，又可完成计算功能。