CN105004286A - 一种基于激光束衍射光斑特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于激光束衍射光斑特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量方法，其步骤如下：一、将激光器预热；二、将激光器、线性衰减片、小孔光阑、透镜、CCD相机调整在同一高度；三、将工件安装在回转工作台上，打开激光器，激光器输出的激光束依次经线性衰减片和小孔光阑后照射到工件表面，转动回转工作台以调整激光束的入射角度；四、激光束在工件表面发生衍射现象，产生衍射光斑，衍射光斑按照不同级次分布开，通过透镜后，被调整为平行光束；五、CCD相机采集衍射光斑图像，得到各级衍射光斑的强度和位置关系，再利用光栅方程计算出表面三维微观形貌的大小。本发明光路系统调整简单，对测量环境要求不严格，可以在加工现场使用该方法。
Description
技术领域
本发明属于非接触光学精密测量技术领域，涉及一种通过测量超精密车削加工表面的激光束衍射光斑的衍射角度和强度进而实现对工件表面三维微观形貌特征测量的方法。
背景技术
超精密车削加工中，由于金刚石刀具、切屑与加工表面的摩擦，加工区域的塑性变形、刀具的进给运动、以及切削系统的振动等因素，会引起已加工表面上残留一定周期和高度的微观波峰和波谷，也称为表面微观相貌。
超精密车削加工表面的微观形貌对零部件的使用性能和可靠性有直接影响。为了评价表面质量，就要对表面微观形貌进行精确测量。表面微观形貌的测量，对改进加工工艺、控制加工过程和预防表面缺陷的产生，具有重要研究意义。
现有的表面微观形貌的测量方法主要包括接触式测量和非接触式测量方法。接触式测量的特点是测头要与工件表面相接触，因此可能会划伤工件；此外，这类测量方法需要逐点扫描，测量速度较慢。非接触式测量方法主要有光散射法、光触针法、干涉条纹法和散斑法等，这类方法测量范围比较小，对于评价整个待测表面而言，具有不可靠性。常用的测量仪器有白光干涉仪，它对测量环境要求严格，包括环境温度和振动特性等，无法在加工现场使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于激光束衍射光斑特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量方法，该方法基于激光束衍射光斑特性，实现对超精密车削加工表面的三维微观形貌的测量，进而为表面微观形貌的测量提供一种高精度、高效率、易操作的测量方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于激光束衍射光斑特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量方法，包括如下步骤：
步骤一：将激光器、线性衰减片、小孔光阑、透镜、CCD相机调整在同一高度，并调整透镜的焦距、CCD相机与透镜的距离，保证衍射光斑成像在CCD相机的感光元件上。
步骤二：将激光器预热30-60分钟。
步骤三：将工件安装在回转工作台上，打开激光器，激光器输出的激光束依次经线性衰减片和小孔光阑后照射到工件表面，转动回转工作台以调整激光束的入射角度，将入射角度调整为30°-60°的范围内。
步骤四：激光束在工件表面发生衍射现象，产生衍射光斑，衍射光斑按照不同级次分布开，通过透镜后，被调整为平行光束。
步骤五：CCD相机采集衍射光斑图像，得到各级衍射光斑的能量和位置关系，再利用光栅方程nλ＝d(sinα±sinβ)，其中n为光谱级次，λ为入射光波长，d为光栅常数，α为入射角，β为衍射角，计算出表面三维微观形貌的大小。
本发明与现有的测量表面三维微观形貌的方法相比，具有如下优势：
(1)本发明所述的测量方法是利用了平面反射光栅的理论，对表面微观形貌的横向周期信息和纵向高度信息都可以测量；
(2)该装置对工件表面进行非接触式测量，不会对工件表面造成破坏；
(3)将波长范围为405-650nm的激光束作为光源，它具有单色性好、相干性好、准直性好的特点，有效地保证了测量精度；
(4)本发明的测量方法，光路系统调整简单，对测量环境要求不严格，可以在加工现场使用该方法。
附图说明
图1为本发明的测量装置整体结构示意图；
图2为激光束衍射光斑的分布情况示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
如图1所示，一种基于激光束衍射光斑特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量装置，由激光器1、线性衰减片3、小孔光阑4、工件5、回转工作台6、透镜8、CCD相机9组成，激光器1输出的激光束2通过线性衰减片3，强度会减弱；然后经过小孔光阑4，小孔光阑4对激光束2进行滤波，只有强度均匀的中心区域光斑通过；被调制的激光束作为入射光照射到装卡在回转工作台6上的工件5表面，由于工件5表面具有刀具切削后残留的纹理结构，它起到衍射光栅的作用，激光束2发生衍射现象，产生衍射光斑7。衍射光斑7按照不同级次分布开，通过透镜8后，被调整为平行光束，CCD相机9采集衍射光斑图像。
利用上述装置对超精密车削加工表面三维微观形貌进行测量的方法，具体实施步骤如下：
步骤一：测量之前，先将激光器1预热30分钟，保证激光束2的强度稳定而连续。
步骤二：将激光器1、线性衰减片3、小孔光阑4、透镜8、CCD相机9调整在同一高度，并调整透镜8的焦距、CCD相机9与透镜8的距离，保证衍射光斑7成像在CCD相机9的感光元件上。
步骤三：将工件5安装在回转工作台6上，转动工作台6以调整激光束2的入射角度，将入射角度调整为30°-60°的范围内。
步骤四：计算各级次衍射光斑的衍射角度。激光束2在工件5表面发生衍射后，各级衍射光斑7会按照不同的衍射角度展开，通过透镜8后，被调整为平行光束，其中：0级衍射光斑7-3集中了激光束80-90％的能量，它在激光束的几何反射方向上，因此0级衍射光斑7-3的衍射角β0＝α；级次越高能量越弱，测量也就越困难；为了保证测量和计算的方便，并保证结果的准确性，把+1级衍射光斑7-2、-1级衍射光斑7-4、+2级衍射光斑7-1、-2级衍射光斑7-5作为被测对象。其中：
+1级衍射光斑7-2的衍射角为：L1为+1级衍射光斑7-2与0级衍射光斑7-3的距离；
-1级衍射光斑7-4的衍射角为：L-1为-1级衍射光斑7-4与0级衍射光斑7-3的距离；
+2级衍射光斑7-1的衍射角为：L2为+2级衍射光斑7-1与0级衍射光斑7-3的距离；
-2级衍射光斑7-5的衍射角为：L-2为-2级衍射光斑7-5与0级衍射光斑7-3的距离；
步骤五：为了得到各级衍射光斑的能量大小，将CCD相机9采集的衍射光斑图像转化为灰度图，从灰度图中读取各级衍射光斑能量的大小；
步骤六：利用光栅方程nλ＝d(sinα±sinβ)和矢量光学理论，计算出表面微观形貌的大小。
上述方法是通过以下测量原理实现的：激光器1输出激光束2，该激光束2具有单色性好、相干性好、准直性好的特点；激光束2的光强分布为高斯型，能量主要集中在光斑的中心位置，当激光束2通过线性衰减片3后，强度会减弱；小孔光阑4对激光束进行滤波，只有强度均匀的中心区域光斑通过；被调制的激光束2作为入射光，照射在工件5的表面上，由于工件5表面具有刀具切削后残留的纹理结构，它起到衍射光栅的作用，激光束2发生衍射现象，产生衍射光斑7。衍射光斑7按照不同级次分布开，通过透镜8后，被调整为平行光束；CCD相机9采集衍射光斑图像，得到各级衍射光斑的强度和位置关系，再利用光栅方程nλ＝d(sinα±sinβ)，其中n为光谱级次，n＝0，±1，±2，…；当衍射光线和入射光线在光栅法线同侧时，为+；当衍射光线和入射光线在光栅法线两侧时，为-；λ为入射光波长，d为光栅常数，α为入射角，β为衍射角，计算出表面三维微观形貌的大小。
Claims (9)
1.一种基于激光束衍射光斑特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量方法，其特征在于所述测量方法步骤如下：
步骤一：将激光器、线性衰减片、小孔光阑、透镜、CCD相机调整在同一高度，并调整透镜的焦距、CCD相机与透镜的距离，保证衍射光斑成像在CCD相机的感光元件上；
步骤二：将激光器预热30-60分钟；
步骤三：将工件安装在回转工作台上，打开激光器，激光器输出的激光束依次经线性衰减片和小孔光阑后照射到工件表面，转动回转工作台以调整激光束的入射角度；
步骤四：激光束在工件表面发生衍射现象，产生衍射光斑，衍射光斑按照不同级次分布开，通过透镜后，被调整为平行光束；
步骤五：CCD相机采集衍射光斑图像，得到各级衍射光斑的能量和位置关系，再利用光栅方程nλ＝d(sinα±sinβ)，其中n为光谱级次，λ为入射光波长，d为光栅常数，α为入射角，β为衍射角，计算出表面三维微观形貌的大小。
2.根据权利要求1所述的基于激光束衍射光斑特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量方法，其特征在于所述激光束的波长范围为405-650nm。
3.根据权利要求1所述的基于激光束衍射光斑特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量方法，其特征在于所述入射角度为30°-60°范围内。
4.根据权利要求1所述的基于激光束衍射光斑特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量方法，其特征在于所述激光束在工件表面发生衍射后，各级衍射光斑会按照不同的衍射角度展开，以+1级衍射光斑、-1级衍射光斑、+2级衍射光斑、-2级衍射光斑作为被测对象。
5.根据权利要求4所述的基于激光束衍射光斑特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量方法，其特征在于所述+1级衍射光斑的衍射角为：L1为+1级衍射光斑与0级衍射光斑的距离。
6.根据权利要求4所述的基于激光束衍射光斑特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量方法，其特征在于所述-1级衍射光斑的衍射角为：L-1为-1级衍射光斑与0级衍射光斑的距离。
7.根据权利要求4所述的基于激光束衍射光斑特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量方法，其特征在于所述+2级衍射光斑的衍射角为：L2为+2级衍射光斑与0级衍射光斑的距离。
8.根据权利要求4所述的基于激光束衍射光斑特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量方法，其特征在于所述-2级衍射光斑的衍射角为：L-2为-2级衍射光斑与0级衍射光斑的距离。
9.根据权利要求1所述的基于激光束衍射光斑特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量方法，其特征在于为了得到各级衍射光斑的能量大小，将CCD相机采集的衍射光斑图像转化为灰度图，从灰度图中读取各级衍射光斑能量的大小。
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