CN106840048B - 粗糙度测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粗糙度测量装置和方法，属于粗糙度测量领域。所述粗糙度测量装置包括：不透光箱体、激光源、光强检测单元、动力机构和信号处理单元；不透光箱体的底板用于放置待测物体，激光源设置在箱体内，且激光源的出光方向与底板垂直，光强检测单元与动力机构相连，在动力机构带动下沿预定轨道运动，预定轨道为半圆形，半圆形处在垂直于底板的平面内，半圆形的圆心为激光源发出的激光照射在底板上的光斑的中心；信号处理单元用于获取光强检测单元的检测信号，检测信号包括光强检测单元在不同角度处检测的光强，角度为光斑的中心与光强检测单元的连线与激光间的夹角；根据光强检测单元在不同角度处检测的光强确定待测物体表面的粗糙度。

Description

粗糙度测量装置和方法

技术领域

本发明涉及粗糙度测量领域，特别涉及一种粗糙度测量装置和方法。

背景技术

在机械学中，粗糙度指加工表面上具有的较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性。表面粗糙度一般是由材料本身的物理性质和所采用的面加工方法所形成的。由于材料的不同特点及加工方法的不同，造成被加工表面微观几何形状有差别。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。因此，对物体表面粗糙度的测量在机械加工中有着重要的意义。

常见的物体表面粗糙度的测量方法有比较法、印模法、触针法、干涉法、光切法等。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

现有的表面粗糙度测量方法多有各自的不足，如比较法不够准确，印模法要配合其它测量法才能起作用，触针法和光切法效率较低，干涉法装置较为复杂等。

发明内容

为了解决现有技术中各表面粗糙度测量方法存在的问题，本发明实施例提供了一种粗糙度测量装置和方法。所述技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种粗糙度测量装置，所述粗糙度测量装置包括：不透光箱体、激光源、光强检测单元、动力机构和信号处理单元；

所述不透光箱体的底板用于放置待测物体，所述激光源设置在所述箱体内，且所述激光源的出光方向与所述底板垂直，所述光强检测单元与所述动力机构相连，在所述动力机构带动下沿预定轨道运动，所述预定轨道为半圆形，所述半圆形处在垂直于所述底板的平面内，所述半圆形的圆心为所述激光源发出的激光照射在所述待测物体上的光斑的中心；

所述信号处理单元用于获取所述光强检测单元的检测信号，所述检测信号包括所述光强检测单元在不同角度处检测的光强，所述角度为所述光斑的中心与所述光强检测单元的连线与所述激光间的夹角；根据所述光强检测单元在不同角度处检测的光强确定所述待测物体表面的粗糙度；

所述信号处理单元用于采用如下公式计算所述待测物体表面的粗糙度：

其中，

σ为所述待测物体表面的粗糙度，N为所述光斑内微平面数量，所述光斑内微平面分为n组，第i组微平面的法线角为θ_i，第i组微平面中微平面的数量为n_i；

I＝SUM{I₁,I₂,…,I_n}，I_i为第i组微平面对应的散射光强，i＝1，2，……n。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述动力机构包括摇臂和电机，所述电机设置在所述底板上，所述摇臂的一端垂直连接在所述电机的输出轴的侧壁上，所述摇臂的另一端上设有所述光强检测单元。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述摇臂包括第一连接臂和第二连接臂，所述第一连接臂的一端垂直连接在所述电机的输出轴的侧壁上，所述第一连接臂的另一端与所述第二连接臂的一端垂直连接，所述第二连接臂上设置有所述光强检测单元，所述第二连接臂平行于所述底板；

或者，所述摇臂为一弧形摇臂。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述电机为步进电机。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述不透光箱体还包括顶板和侧壁，所述侧壁与所述顶板为一体化设计，所述侧壁可拆卸安装在所述底板上。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述底板、顶板和侧壁均采用黑色材料制成。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述信号处理单元包括模数转换子单元和处理子单元，所述模数转换子单元分别与所述光强检测单元及所述处理子单元连接。

第二方面，本发明实施例还提供了一种粗糙度测量方法，所述方法基于第一方面提供的粗糙度测量装置实现，所述方法包括：

获取所述光强检测单元的检测信号，所述检测信号包括所述光强检测单元在不同角度处检测的光强，所述角度为所述光斑的中心与所述光强检测单元的连线与所述激光间的夹角；

根据所述光强检测单元在不同角度处检测的光强确定所述待测物体表面的粗糙度；

所述根据所述光强检测单元在不同角度处检测的光强确定所述待测物体表面的粗糙度，包括：

采用如下公式计算所述待测物体表面的粗糙度：

其中，

σ为所述待测物体表面的粗糙度，N为所述光斑内微平面数量，所述光斑内微平面分为n组，第i组微平面的法线角为θ_i，第i组微平面中微平面的数量为n_i；

I＝SUM{I₁,I₂,…,I_n}，I_i为第i组微平面对应的散射光强，i＝1，2，……n。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明通过在不透光箱体内，采用激光对待测物体进行照射，由于待测物体存在随机分布的微平面，因而会产生散射光，不同角度的微平面产生的散射光的角度不同，同角度上的微平面数量决定这个方向上的散射光的强度，因此，根据光强检测单元在不同角度处检测的光强，即可确定待测物体表面上微平面的取向分布(也即角度分布)，本发明采用这种取向分布的一致性作为物体表面的粗糙度。上述测量方法相对于比较法精度更高，无需和其他方法配合使用，测量效率高，且装置简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种粗糙度测量装置的剖面图；

图2是本发明实施例提供的一种粗糙度测量装置的剖面图；

图3是本发明实施例提供的粗糙度测量装置的电路框图；

图4A是待测物体表面的示意图；

图4B是待测物体表面的反射示意图；

图5是本发明实施例提供的粗糙度测量方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1和图2分别是本发明实施例提供的一种粗糙度测量装置在两个不同方向上的剖面图，参见图1和图2，粗糙度测量装置包括：不透光箱体10、激光源20、光强检测单元30和动力机构40。图3是本发明实施例提供的粗糙度测量装置的电路框图，参见图3，粗糙度测量装置还包括信号处理单元50。

不透光箱体10的底板100用于放置待测物体101，激光源20设置在箱体内，且激光源20的出光方向与底板100垂直，光强检测单元30与动力机构相连，在动力机构40带动下沿预定轨道300运动，预定轨道300为半圆形，半圆形处在垂直于底板100的平面内，半圆形的圆心为激光源20发出的激光照射在底板100上的光斑的中心。光斑通常为圆形，光斑的中心即圆心。

信号处理单元50用于获取光强检测单元30的检测信号，检测信号包括光强检测单元30在不同角度处检测的光强，角度为光斑的中心与光强检测单元30的连线与激光间的夹角；根据光强检测单元30在不同角度处检测的光强确定待测物体101的表面的粗糙度。

本发明通过在不透光箱体内，采用激光对待测物体进行照射，由于待测物体存在随机分布的微平面，因而会产生散射光，不同角度的微平面产生的散射光的角度不同，同角度上的微平面数量决定这个方向上的散射光的强度，因此，根据光强检测单元在不同角度处检测的光强，即可确定待测物体表面上微平面的取向分布(也即角度分布)，本发明采用这种取向分布的一致性作为物体表面的粗糙度。上述测量方法相对于比较法精度更高，无需和其他方法配合使用，测量效率高，且装置简单。

另外，激光源取单一频率的激光源，以消除色散的不利影响。

本发明利用了光在粗糙物体表面的散射进行粗糙度的检测。如图4A所示，待测物体粗糙的表面在宏观来看是一个平面(图4A中A所示)，但在微观下是由多个微平面(图4A中B所示)组成，微平面的法线方向随机分布。待测物体的表面为粗糙反射面，单个微平面对入射光满足光线反射定律，因此入射光反射产生反射光，但多个微平面由于其各自法线的不同，光线反射的方向也不同，在宏观来看就形成了散射(多角度散射光)，如图4B所示。并且物体表面越粗糙，散射现象就越严重。

其中，光强检测单元30可以为PIN光电二极管(也称为PIN(P型层、本征层和N型层)结二极管)或者其他光强检测电路。

在本发明实施例的一种实现方式中，信号处理单元50用于采用待测物体101表面的微平面的一致性，即微平面的法线方向角标准差σ，定义该平面物体表面的粗造度。

具体地，信号处理单元50用于采用如下公式计算待测物体101的表面的粗糙度：

其中，

σ为待测物体101的表面的粗糙度，N为光斑内微平面数量，光斑内微平面按照法线方向分为n组，每组微平面产生的散射光照射到预定轨道300的同一位置，每组微平面的朝向近似相同，即其法线角近似相等，第i组微平面的法线角为θ_i，θ_i为法线与底板(或待测物体表面所处平面)的夹角，第i组微平面中微平面的数量为n_i；

第i组微平面对应的散射光的角度为2θ_i，2θ_i的取值范围为[-π/2,π/2]；

即第1组微平面对应的散射光的角度为-π/2，第n组微平面对应的散射光的角度为π/2。

第i组微平面的数量与第i组微平面对应的散射光强存在线性关系，因此可以利用光强计算σ。I＝SUM{I₁,I₂,…,I_n}，I_i为第i组微平面对应的散射光强，i＝1，2，……n。

在理想情况下，平均微平面法线角(n_i,i)呈正态分布，即待测物体表面各向同性。

如图2所示，光强检测单元30在a、b两个位置对应的θ_i不同，检测到的光强也可能不同。光强检测单元30沿着预定轨道300运动，从而能够检测到[-π/2,π/2]范围内的光强，-π/2和π/2分别对应图中c和d的位置。值得说明的是，由于待测物体101表面宏观来看可视为平面，其上光学各向同性，因此上述测量过程只考虑了其中一个面，即预定轨道300所在平面。为了进一步提高检测角度，也可以在测量过程中，以光斑中心为圆心转动待测物体101，以检测不同平面内的粗糙度，然后计算其均值。

采用上述方式计算出的粗糙度σ表示待测物体表面上微平面的取向分布，物体表面越光滑，粗糙度σ越小；物体表面越粗糙，粗糙度σ越大。

在本发明实施例中，信号处理单元50根据微平面分组数量n在检测信号中进行采样，得到I_i，i＝1，2，……n。

具体地，参见图3，在本发明实施例中，信号处理单元50包括模数转换子单元51和处理子单元52，模数转换子单元51分别与光强检测单元30及处理子单元52连接。模数转换子单元51用于对光强检测单元30的检测信号采用，采样时间由处理子单元52。处理子单元52根据光强检测单元30的运动轨迹和速度，控制模数转换子单元51每隔π/(n-1)的角度采样一次。

在本发明实施例中，处理子单元52还用于采用如下方式计算物体表面粗糙度的理论误差Δ：

进一步地，信号处理单元50还用于比较待测物体101的表面的粗糙度σ与各个标准块的表面的粗糙度的大小；选出各个标准块中表面的粗糙度与σ值最接近的标准块；确定标准块的轮廓算数平均差值Ra、微观不平度十点高度Rz、轮廓最大高度Ry和其他评定参数中的至少一种；将标准块的轮廓算数平均差值Ra、微观不平度十点高度Rz、轮廓最大高度Ry和其他评定参数中的至少一种，确定为待测物体101的Ra、Rz、Ry和其他评定参数中的至少一种。

其中，比较待测物体101的表面的粗糙度σ和标准块的表面的粗糙度均可以通过多次测试取平均值的方式完成。多次测试可以照射在待测物体101和标准块的表面的不同区域。

在一种实现方式中，信号处理单元50设置在不透光箱体10内部；在另一种实现方式中，信号处理单元50设置在不透光箱体10外部，箱体侧壁设置有接线孔，信号处理单元50通过接线孔中的连接线与光强检测单元30连接。该接线孔在穿过连接线后密封处理，避免漏光。

进一步地，该装置还包括显示器，用于显示信号处理单元50确定出的粗糙度。

在本发明实施例中，动力机构40包括电机41和摇臂42，所述电机41设置在所述底板100上，所述摇臂42的一端垂直连接在所述电机41的输出轴的侧壁上，所述摇臂42的另一端上设有所述光强检测单元30。

在一种可能的实现方式中(如图1所示)，摇臂42包括第一连接臂421和第二连接臂422，第一连接臂421的一端垂直连接在电机41的输出轴的侧壁上，第一连接臂421的另一端与第二连接臂422的一端垂直连接，第二连接臂422的另一端上设有光强检测单元，第二连接臂422平行于底板100。其中，第一连接臂421和第二连接臂422可以为圆杆或方形杆，第一连接臂421和第二连接臂422既可以采用可拆卸连接，也可以采用一体化设计。

在本发明实施例中，信号处理单元50与光强检测单元30通过连接线连接，连接线沿第二连接臂422和第一连接臂421设置，由于连接线会随着第二连接臂422和第一连接臂421转动，因而可以将连接线分为两段，通过电刷等滑动接触件连接，从而在电机转动时不发生扭曲。

进一步地，处理子单元52还与电机41电连接，用于控制电机41按设定的角速度转动。

进一步地，该装置还包括设置在底板100上的垫板102，待测物体101设置在垫板102上，从而保证第一连接臂421转动所绕的圆心与待测物体101表面对齐，使得光强检测单元30在运动轨迹上各点到光斑距离相等，避免检测距离对散射光光强的影响。

在另一种可能的实现方式中，摇臂42为一弧形摇臂。

在本发明实施例中，电机41可以为步进电机。

在本发明实施例中，不透光箱体10还包括顶板和侧壁，侧壁与顶板为一体化设计，侧壁可拆卸安装在底板100上，方便拆卸和待测物体101的装配，以及能够保证不透光。

在本发明实施例中，底板100、顶板和侧壁均采用黑色材料制成，在避免漏光的同时，防止光在不透光箱体10内来回反射。

进一步地，在本发明实施例中，不透光箱体10的形状不限于图示的长方体，还可以是圆柱体等。

图5是本发明实施例提供的一种粗糙度测量方法的流程图，该方法基于前文提供的粗糙度测量装置实现，参见图5，该方法包括：

步骤201：获取光强检测单元的检测信号，检测信号包括光强检测单元在不同角度处检测的光强，角度为光斑的中心与光强检测单元的连线与激光间的夹角。

步骤201：根据光强检测单元在不同角度处检测的光强确定待测物体表面的粗糙度。

在一种可能的实现方式中，根据光强检测单元在不同角度处检测的光强确定待测物体表面的粗糙度，包括：

采用如下公式计算待测物体表面的粗糙度：

其中，

σ为待测物体表面的粗糙度，N为光斑内微平面数量，光斑内微平面分为n组，第i组微平面的法线角为θ_i，第i组微平面中微平面的数量为n_i；

I＝SUM{I₁,I₂,…,I_n}，I_i为第i组微平面对应的散射光强，i＝1，2，……n。

该方法具体细节可以参见前文对粗糙度测量装置的描述，这里不在赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种粗糙度测量装置，其特征在于，所述粗糙度测量装置包括：不透光箱体、激光源、光强检测单元、动力机构和信号处理单元；

所述不透光箱体的底板用于放置待测物体，所述激光源设置在所述箱体内，且所述激光源的出光方向与所述底板垂直，所述光强检测单元与所述动力机构相连，在所述动力机构带动下沿预定轨道运动，所述预定轨道为半圆形，所述半圆形处在垂直于所述底板的平面内，所述半圆形的圆心为所述激光源发出的激光照射在所述待测物体上的光斑的中心；

所述信号处理单元用于获取所述光强检测单元的检测信号，所述检测信号包括所述光强检测单元在不同角度处检测的光强，所述角度为所述光斑的中心与所述光强检测单元的连线与所述激光间的夹角；根据所述光强检测单元在不同角度处检测的光强确定所述待测物体表面的粗糙度；

所述信号处理单元用于采用如下公式计算所述待测物体表面的粗糙度：

其中，

σ为所述待测物体表面的粗糙度，N为所述光斑内微平面数量，所述光斑内微平面分为n组，第i组微平面的法线角为θ_i，第i组微平面中微平面的数量为n_i；

I＝SUM{I₁,I₂,…,I_n}，I_i为第i组微平面对应的散射光强，i＝1，2，……n。

2.根据权利要求1所述的粗糙度测量装置，其特征在于，所述动力机构包括摇臂和电机，所述电机设置在所述底板上，所述摇臂的一端垂直连接在所述电机的输出轴的侧壁上，所述摇臂的另一端上设有所述光强检测单元。

3.根据权利要求2所述的粗糙度测量装置，其特征在于，所述摇臂包括第一连接臂和第二连接臂，所述第一连接臂的一端垂直连接在所述电机的输出轴的侧壁上，所述第一连接臂的另一端与所述第二连接臂的一端垂直连接，所述第二连接臂上设置有所述光强检测单元，所述第二连接臂平行于所述底板；

或者，所述摇臂为一弧形摇臂。

4.根据权利要求2所述的粗糙度测量装置，其特征在于，所述电机为步进电机。

5.根据权利要求1所述的粗糙度测量装置，其特征在于，所述不透光箱体还包括顶板和侧壁，所述侧壁与所述顶板为一体化设计，所述侧壁可拆卸安装在所述底板上。

6.根据权利要求5所述的粗糙度测量装置，其特征在于，所述底板、顶板和侧壁均采用黑色材料制成。

7.根据权利要求1所述的粗糙度测量装置，其特征在于，所述信号处理单元包括模数转换子单元和处理子单元，所述模数转换子单元分别与所述光强检测单元及所述处理子单元连接。

8.一种粗糙度测量方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1提供的粗糙度测量装置实现，所述方法包括：

获取所述光强检测单元的检测信号，所述检测信号包括所述光强检测单元在不同角度处检测的光强，所述角度为所述光斑的中心与所述光强检测单元的连线与所述激光间的夹角；

根据所述光强检测单元在不同角度处检测的光强确定所述待测物体表面的粗糙度；

所述根据所述光强检测单元在不同角度处检测的光强确定所述待测物体表面的粗糙度，包括：

采用如下公式计算所述待测物体表面的粗糙度：

其中，

σ为所述待测物体表面的粗糙度，N为所述光斑内微平面数量，所述光斑内微平面分为n组，第i组微平面的法线角为θ_i，第i组微平面中微平面的数量为n_i；

I＝SUM{I₁,I₂,…,I_n}，I_i为第i组微平面对应的散射光强，i＝1，2，……n。