CN106556371A - 表面波纹度、粗糙度在线测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面波纹度、粗糙度在线测量仪，包括测头和驱动装置，其中，所述测头为共焦位移计测头，所述驱动装置为音圈电机，所述共焦位移计通过音圈电机的驱动台驱动；还包括连接板，所述连接板将共焦位移计、音圈电机安装在生产加工设备检测工位的上面。本发明提供的表面波纹度、粗糙度在线测量仪，非接触式测量，不会对样品表面带来划伤，并且可以测量柔软或湿润样品。音圈电机的移动速度快，测量一条波纹度仅需要1s以内就可以完成，可以实现高效的在线检测。整套装置小巧可以方便的集成到各种加工产线上。另外，音圈电机驱动台比传统的丝杠或直线导轨更稳定，可以降低扫描装置对测量数据的影响。

Description

表面波纹度、粗糙度在线测量仪

技术领域

本发明涉及一种测量仪，尤其涉及一种测量电子、汽车等行业精密零部件表面的表面波纹度、粗糙度在线测量仪。

背景技术

现有技术中，对于物体表面波纹度、粗糙度的测量需分别采用两种仪器，具体采用的仪器如下所述：

波纹度检测使用的仪器为轮廓仪、圆柱仪/圆度仪，轮廓仪通过设置滤波波长来检测零件表面的微观不平度即表面粗糙度参数和波纹度，由于所开发软件的计算功能不同，不同型号、不同生产厂家的设备可以检测参数的数量不同，可以检测零件沿测头运行方向的表面粗糙度与波纹度。圆柱仪/圆度仪主要用来检测零件的形状误差，通过选取滤波器的滤波范围，可以检测圆形零件的表面波纹度。零件的波纹度对零件的在使用过程中的振动、产生的噪声、密封性能起着至关重要的影响，但目前对波纹度的参数检测方法不如表面粗糙度成熟，大多数零件只控制表面粗糙度，而为未对波纹度提出控制要求。随着我们对波纹度更深入的理解，检测波纹度的技术将更成熟，波纹度会成为衡量和判定零件质量、性能指标的一个重要参数。

上述测量仪器存在以下缺点：1.现有波纹度检测技术都是采用轮廓仪或者圆柱仪等设备接触式的缓慢扫描，设备体积庞大，扫描效率非常低，无法实现高效的非接触在线检测。2.现有波纹度检测技术的测头采用传统的接触式测头，驱动装置采用丝杠导轨，在测量的过程中因为接触和丝杠导轨的抖动问题，造成波纹度测量数据不稳定。由于现有波纹度检测技术不够成熟，评价表面情况更多用表面粗糙度。

现有技术中，粗糙度检测方法主要有以下几种：

比较法。

将表面粗糙度比较样块根据视觉和触觉与被测表面比较，判断被测表面粗糙度相当于那一数值，或测量其反射光强变化来评定表面粗糙度。样块是一套具有平面或圆柱表面的金属块，表面经磨、车、镗、铣、刨等切削加工，电铸或其他铸造工艺等加工而具有不同的表面粗糙度。有时可直接从工件中选出样品经过测量并评定合格后作为样块。

触针法。

利用针尖曲率半径为2微米左右的金刚石触针沿被测表面缓慢滑行，金刚石触针的上下位移量由电学式长度传感器转换为电信号，经放大、滤波、计算后由显示仪表指示出表面粗糙度数值，也可用记录器记录被测截面轮廓曲线。一般将仅能显示表面粗糙度数值的测量工具称为表面粗糙度测量仪，同时能记录表面轮廓曲线的称为表面粗糙度轮廓仪。这两种测量工具都有电子计算电路或电子计算机，它能自动计算出轮廓算术平均偏差Rα，微观不平度十点高度RZ，轮廓最大高度Ry和其他多种评定参数，测量效率高，适用于测量Rα为0.025～6.3微米的表面粗糙度。

光切法。

光线通过狭缝后形成的光带投射到被测表面上，以它与被测表面的交线所形成的轮廓曲线来测量表面粗糙度。由光源射出的光经聚光镜、狭缝、物镜1后，以45°的倾斜角将狭缝投影到被测表面，形成被测表面的截面轮廓图形，然后通过物镜2将此图形放大后投射到分划板上。利用测微目镜和读数鼓轮先读出h值，计算后得到H值。应用此法的表面粗糙度测量工具称为光切显微镜。它适用于测量RZ和Ry为0.8～100微米的表面粗糙度。

干涉法。

利用光波干涉原理将被测表面的形状误差以干涉条纹图形显示出来，并利用放大倍数高(可达500倍)的显微镜将这些干涉条纹的微观部分放大后进行测量，以得出被测表面粗糙度。应用此法的表面粗糙度测量工具称为干涉显微镜。这种方法适用于测量Rz和Ry为0.025～0.8微米的表面粗糙度。

利用样块根据视觉和触觉评定表面粗糙度的方法虽然简便，但会受到主观因素影响，通常不能得出正确的表面粗糙度数值。例如，触针法有以下缺陷：1、有一定测量范围局限性，比视觉发涵盖的量程要小；2、触针针尖作用于被测表面，接触力约为几毫牛到几十毫牛，而且随高度变化很大，这会划伤被测表面特别是松软的表面，所以触针法不适合软质材料表面的测量；3、由于针尖半径的限制，无法测量出超精密表面测量所关心的轮廓中的高频部分，因而机械触针法不适合超精密表面粗糙度的测量，一般只用于表面粗糙度在亚微米量级及更大的表面。光切法适用范围有局限性且需要人工取点，测量效率低。干涉法同样具有一定测量范围局限性，测量精度高，但是量程范围最小。

综上所述，针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明提出了一种表面波纹度、粗糙度在线测量仪，不仅解决了现有技术中存在的问题，而且整合为一台仪器，既能波纹度测量，又能粗糙度测量，且测量精度更高。

发明内容

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种表面波纹度、粗糙度在线测量仪，其中：包括测头和驱动装置，其中，所述测头为共焦位移计测头，所述驱动装置为音圈电机，所述共焦位移计测头通过音圈电机的驱动台驱动。

上述的表面波纹度、粗糙度在线测量仪，其中，还包括连接板，所述连接板将共焦位移计、音圈电机安装在生产加工设备检测工位的上面。

上述的表面波纹度、粗糙度在线测量仪，其中，还包括共焦位移计控制器和二次仪表，所述共焦位移计控制器与共焦位移计测头通过共焦位移计光纤相互连接，所述共焦位移计控制器与二次仪表通过共焦位移计光纤相互连接。

一种应用上述的表面波纹度、粗糙度在线测量仪测量表面波纹度的测量方法，具体为：

当样品移动到共焦位移计测头下面时，给共焦位移计控制器测量信号，音圈电机驱动台带动共焦位移计测头按照预设步长和扫描长度进行2D轮廓扫描，共焦位移计测头测量的每个高度值与音圈电机驱动台扫描过程中的每个位置值一一对应；二次仪表将此两数值一一对应绘制出被扫描物体的表面二维轮廓曲线，然后通过表面波纹度计算公式，计算出表面波纹度数值。

音圈电机设置1um以上的间隔步长，音圈电机驱动台每移动一个步长给共焦位移计控制器一个触发信号，共焦位移计每接到一个触发信号，共焦位移计反馈一个当时位置的高度值。

一种应用上述的表面波纹度、粗糙度在线测量仪测量粗糙度的测量方法，具体为：

当样品移动到共焦位移计测头下面时，使用音圈电机驱动台带动共焦位移计测头进行高度方向数据扫描测量，将音圈电机驱动台的移动坐标，按照预设的固定间距对应每个共焦位移计测量的高度值，在二次仪表上将此两数值一一对应绘制出被扫描物体的表面二维轮廓曲线，二次仪表通过表面粗糙度计算公式，计算出表面粗糙度数值。

当样品移动到共焦位移计测头下面时，给共焦位移计控制器测量信号，音圈电机驱动台带动共焦位移计测头按照预设步长和扫描长度进行2D轮廓扫描；

音圈电机设置1um以上的间隔步长，音圈电机驱动台每移动一个步长给共焦位移计的控制器一个触发信号，共焦位移计每接到一个触发信号，共焦位移计反馈一个当时位置的高度值。

本发明提供的表面波纹度、粗糙度在线测量仪，应用于表面波纹度的测量，具有如下效果：

1、非接触式测量，不会对样品表面带来划伤，并且可以测量柔软或湿润样品。

2、音圈电机的移动速度快，可以达到50mm/s以上的速度，测量一条波纹度仅需要1s以内就可以完成，可以实现高效的在线检测。

3、整套装置小巧可以方便的集成到各种加工产线上实现高精度的表面轮廓度在线测量。

4、音圈电机滑台比传统的丝杠或直线导轨更稳定，可以降低扫描装置对测量数据的影响。

本发明提供的表面波纹度、粗糙度在线测量仪，应用于粗糙度的测量，具有如下效果：

1、共焦位移传感器量程从150um到12mm，可以测量粗糙度RA0.012微米到RA6mm，测量量程范围超过现有各种技术。

2、音圈电机作为一种特殊形式的直接驱动电机，具有结构简单、体积小、高速、高加速、响应快等特性，驱动共焦位移计测头可以保证共焦位移计测头的测量最小的受驱动装置移动影响，检测速度可以达到100mm/s，测量速超过现有各种技术。

3、由于音圈电机体积小，共焦位移计体积小，整套仪器可以方便加载到加工现场，可以实现在线实时粗糙度测量，现有粗糙度测量技术只能局限在离线测量。

附图说明

图1为共焦位移计的结构示意图。

图2为本发明提供的表面波纹度、粗糙度在线测量仪的结构示意图。

图中：

1共焦位移计测头 2音圈电机 3连接板

4共焦位移计控制器 5二次仪表 6共焦位移计光纤

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

首先对本发明中相关技术术语进行解释说明：

表面波纹度：表面波纹度是间距大于表面粗糙度但小于表面几何形状误差的表面几何不平度，属于微观和宏观之间的几何误差。是磨削加工过程中主要由于机床—工件—砂轮系统的振动而在零件表面上形成的具有一定周期性的高低起伏。

表面粗糙度：表面粗糙度(surface roughness)是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度。其两波峰或两波谷之间的距离(波距)很小(在1mm以下)，它属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小，则表面越光滑。

表面粗糙度一般是由所采用的加工方法和其他因素所形成的，例如加工过程中刀具与零件表面间的摩擦、切屑分离时表面层金属的塑性变形以及工艺系统中的高频振动等。由于加工方法和工件材料的不同，被加工表面留下痕迹的深浅、疏密、形状和纹理都有差别。

表面粗糙度与机械零件的配合性质、耐磨性、疲劳强度、接触刚度、振动和噪声等有密切关系，对机械产品的使用寿命和可靠性有重要影响。一般标注采用Ra。

共焦位移计：共焦位移计是一种新型的超高精度和超高稳定性的非接触光学位移测量仪器，由光源射出一束宽光谱的复色光(呈白色)，通过色散镜头发生光谱色散，在一条轴线上形成一系列不同波长的单色光，每一个波长都对应一个到被测物体的距离值。物体表面将照射光反射回来，通过共聚焦小孔过滤，只有满足共焦条件的单色光，可以通过小孔被光谱仪感测到。通过计算被感测到的波长，换算获得距离值。

音圈电机2：音圈电机2(VoiceCoilActuator)是一种特殊形式的直接驱动电机，具有结构简单、体积小、高速、高加速、响应快等特性，其工作原理是通电线圈(导体)放在磁场内产生力，力的大小与施加在线圈上的电流成比例，基于此原理音圈电机2运动形式可以实现直线或者圆弧方向的运动。

在线测量：就是通过直接安装在生产线上的设备，利用软测量技术实时检测、实时反馈，以便更好地指导生产，减少不必要的浪费。

本发明提供的一种表面波纹度、粗糙度在线测量仪，包括测头和驱动装置，其中，所述测头为共焦位移计测头1，所述驱动装置为音圈电机2，所述共焦位移计测头1通过音圈电机2的驱动台驱动。

还包括连接板3，所述连接板3将共焦位移计测头1、音圈电机2安装在生产加工设备检测工位的上面。

还包括共焦位移计控制器4和二次仪表5，所述共焦位移计控制器4与共焦位移计测头1通过共焦位移计光纤6相互连接，所述共焦位移计控制器4与二次仪表5通过共焦位移计光纤6相互连接。

应用上述的表面波纹度、粗糙度在线测量仪测量表面波纹度的测量方法，具体为：

当样品移动到共焦位移计测头1下面时，给共焦位移计控制器4测量信号，音圈电机驱动台带动共焦位移计测头1按照预设步长和扫描长度进行2D轮廓扫描，共焦位移计测头1测量的每个高度值与音圈电机驱动台扫描过程中的每个位置值一一对应；二次仪表5将此两数值一一对应绘制出被扫描物体的表面二维轮廓曲线，然后通过表面波纹度计算公式，计算出表面波纹度数值。

音圈电机2设置1um以上的间隔步长，音圈电机驱动台每移动一个步长给共焦位移计控制器4一个触发信号，共焦位移计每接到一个触发信号，共焦位移计反馈一个当时位置的高度值。

应用上述的表面波纹度、粗糙度在线测量仪测量粗糙度的测量方法，具体为：

当样品移动到共焦位移计测头1下面时，使用音圈电机驱动台带动共焦位移计测头1进行高度方向数据扫描测量，将音圈电机驱动台的移动坐标，按照预设的固定间距对应每个共焦位移计测量的高度值，在二次仪表5上将此两数值一一对应绘制出被扫描物体的表面二维轮廓曲线，二次仪表5通过表面粗糙度计算公式，计算出表面粗糙度数值。

当样品移动到共焦位移计测头1下面时，给共焦位移计控制器4测量信号，音圈电机驱动台带动共焦位移计测头1按照预设步长和扫描长度进行2D轮廓扫描；

音圈电机2设置1um以上的间隔步长，音圈电机驱动台每移动一个步长给共焦位移计控制器4一个触发信号，共焦位移计每接到一个触发信号，共焦位移计反馈一个当时位置的高度值。

本发明提供的表面波纹度、粗糙度在线测量仪，其工作原理为：

共焦位移计实时监测量程范围内光谱峰值变化，被扫描物体表面高度变化会使共焦位移感测到光谱峰值的变化，共焦位移计通过测算光谱峰值变化值计算出实际物体表面高度的变化。

此外，作为优化实施方式为：音圈电机驱动台带动共焦位移计测头1进行表面轮廓扫描，音圈电机2可以设置1um以上的间隔步长，音圈电机滑台每移动一个步长可以给共焦位移计控制器4一个触发信号，共焦位移计具有被触发后测量功能，每接到一个触发信号，共焦位移计反馈一个当时位置的高度值。由此共焦位移计测量的每个高度值与音圈电机驱动台扫描过程中的每个位置值可以一一对应，一一对应的两列数值可以绘制成被扫描样品表面二维轮廓曲线，在轮廓曲线上的任何两个位置的对应高度值是两个位置上共焦位移计测量值的差值，宽度值是两个位置上音圈电机滑台触发步长差值。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (7)

1.一种表面波纹度、粗糙度在线测量仪，其特征在于：包括测头和驱动装置，其中，所述测头为共焦位移计测头，所述驱动装置为音圈电机，所述共焦位移计通过音圈电机驱动。

2.如权利要求1所述的表面波纹度、粗糙度在线测量仪，其特征在于：还包括连接板，所述连接板将共焦位移计、音圈电机安装在生产加工设备检测工位的上面。

3.如权利要求2所述的表面波纹度、粗糙度在线测量仪，其特征在于：还包括共焦位移计控制器和二次仪表，所述共焦位移计控制器与共焦位移计测头通过共焦位移计光纤相互连接，所述共焦位移计控制器与二次仪表通过共焦位移计光纤相互连接。

4.一种应用如权利要求3所述的表面波纹度、粗糙度在线测量仪测量表面波纹度的测量方法，其特征在于：

当样品移动到共焦位移计测头下面时，给共焦位移计控制器测量信号，音圈电机驱动台带动共焦位移计测头按照预设步长和扫描长度进行2D轮廓扫描，共焦位移计测头测量的每个高度值与音圈电机驱动台扫描过程中的每个位置值一一对应；二次仪表将此两数值一一对应绘制出被扫描物体的表面二维轮廓曲线，然后通过表面波纹度计算公式，计算出表面波纹度数值。

5.如权利要求4所述的应用表面波纹度在线测量仪的测量方法，其特征在于：音圈电机设置1um以上的间隔步长，音圈电机驱动台每移动一个步长给共焦位移计控制器一个触发信号，共焦位移计每接到一个触发信号，共焦位移计反馈一个当时位置的高度值。

6.一种应用权利要求3所述的表面波纹度、粗糙度在线测量仪测量粗糙度的测量方法，其特征在于：

当样品移动到共焦位移计测头下面时，使用音圈电机驱动台带动共焦位移计测头进行高度方向数据扫描测量，将音圈电机驱动台的移动坐标，按照预设的固定间距对应每个共焦位移计测量的高度值，在二次仪表上将此两数值一一对应绘制出被扫描物体的表面二维轮廓曲线，二次仪表通过表面粗糙度计算公式，计算出表面粗糙度数值。

7.如权利要求6所述的表面波纹度、粗糙度在线测量仪测量粗糙度的测量方法，其特征在于：

当样品移动到共焦位移计测头下面时，给共焦位移计控制器测量信号，音圈电机驱动台带动共焦位移计测头按照预设步长和扫描长度进行2D轮廓扫描；

音圈电机设置1um以上的间隔步长，音圈电机驱动台每移动一个步长给共焦位移计的控制器一个触发信号，共焦位移计每接到一个触发信号，共焦位移计反馈一个当时位置的高度值。