CN109916330A - 一种覆切削液的工件表面微观形貌测量装置及测量方法 - Google Patents

一种覆切削液的工件表面微观形貌测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

一种覆切削液的工件表面微观形貌测量装置及测量方法，属于机械自动化技术领域，包括激光器、准直透镜、激光耦合器、透镜Ⅰ、透镜Ⅱ、透镜Ⅲ、Y形光纤、光纤耦合器、光谱仪、长波通滤波片、计算机、X轴运动台、Y轴运动台、Z轴运动台以及运动控制器，利用激光激发工件表面切削液产生荧光，通过计算机采集光谱信号，进行峰值分析，获取切削液膜采样点处的厚度，通过计算机与运动控制器交互进行工件全幅面扫描，完成整个覆切削液的工件表面微观形貌测量。本发明在工件样品表面覆切削液的状态下，无需取下工件清洗，在位对工件表面进行形貌测量，避免了传统离线测量引起二次装夹误差，为湿式切削下覆切削液工件表面形貌测量提供新的技术手段。

Description

一种覆切削液的工件表面微观形貌测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于机械自动化技术领域，特别是涉及一种覆切削液的工件表面微观形貌测量装置及测量方法。
背景技术
在高速微细铣削加工过程中，工件表面形貌的在线在位测量直接影响工件加工参数的调控以及最终的工件表面加工质量。由于目前所用的加工方式主要以湿切削为主，需要在工件加工过程中有切削液参与刀具润滑和降温，在加工后工件表面会残留切削液膜，导致在位在线检测工件表面微观形貌的困难。现有的去除切削液膜的方法有气吹、酒精擦洗、超声波清洗等，气吹法主要是利用高压空气吹走工件表面的切削液，但无法全部清除，会在工件表面残留百纳米厚度的切削液，酒精擦洗适合于溶于酒精的切削液，但也会对加工表面产生划伤，而超声波清洗需要从机床上卸下工件，不能实现在线在位形貌观测。
因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种覆切削液的工件表面微观形貌测量装置及测量方法，解决了现有湿切削下覆切削液工件表面微观形貌测量存在的问题，不需对工件表面残留的切削液进行处理，通过激光激发切削液膜产生荧光，利用光纤共焦技术，实现工件表面的微观形貌测量。
一种覆切削液的工件表面微观形貌测量装置，其特征是：包括激光器、准直透镜、激光耦合器、透镜Ⅰ、透镜Ⅱ、透镜Ⅲ、Y形光纤、光纤耦合器、光谱仪、长波通滤波片、计算机、X轴运动台、Y轴运动台、Z轴运动台以及运动控制器，
所述激光器出射光束进入准直透镜进行准直后，经激光耦合器耦合并通过Y形光纤进入光纤耦合器输出激光，激光通过由透镜Ⅰ和透镜Ⅱ组成的光纤共焦光路，聚焦于工件样品表面，样品的表面覆有切削液，切削液经激光照射激发出荧光，荧光经光纤共焦光路和光纤耦合器返回Y形光纤，经透镜Ⅲ进行聚焦，经长波通滤波片滤除激光波长后，进入光谱仪；所述光谱仪与计算机连接；所述X轴运动台与Y轴运动台连接，Y轴运动台与Z轴运动台连接，且X轴运动台、Y轴运动台以及Z轴运动台均通过连接线与运动控制器连接；所述运动控制器与计算机连接。
所述激光器为半导体激光器。
所述Y轴运动台和Z轴运动台均为运动精度为纳米分辨率的运动台。
一种覆切削液的工件表面微观形貌测量方法，其特征是：应用所述的一种覆切削液的工件表面微观形貌测量装置，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一、通过计算机向运动控制器发送运动指令信号，控制X轴运动台和Y轴运动台移动至样品的表面采样点处，控制Z轴运动台移动至初始Z向位置；
步骤二、打开激光器和光谱仪、通过计算机向运动控制器发送运动指令信号，控制Z轴运动台进行Z向扫描，计算机采集光谱仪传输的荧光光谱检测信号，并记录激光焦点到切削液表面的Z向位置和激光焦点到切削液与工件交界面的Z向位置；
步骤三、通过所述步骤二光谱仪采集的荧光光谱检测信号计算切削液厚度dm；
步骤四、通过所述步骤三获得的切削液厚度，计算实际样品表面切削液厚度dr；
步骤五、通过步骤二记录的Z向位置和步骤三计算获得的切削液厚度，计算采样点的相对高度；
步骤六、重复步骤一到步骤五，完成样品表面所有采样点的高度计算，建立样品表面的高度矩阵图；
步骤七、对步骤六获得的工件表面的高度矩阵图做插值计算，获得样品表面微观形貌图。
所述步骤四中计算实际样品(12)表面切削液厚度dr的计算方法为，
其中，n1为大气折射率，n2为切削液折射率。
所述步骤七中的插值计算法为立方插值计算方法。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：一种覆切削液的工件表面微观形貌测量装置及测量方法，针对目前的切削液绝大部分都属于有机化合物组成，在激发光作用下，会产生比激发波段较长的荧光谱，可采用光纤荧光共焦方法，利用特定波长的激光进行工件表面切削液荧光谱的激发，测定表面切削液膜的厚度，进而测定表面形貌高度，并且装置光路简单，占用空间小，在工件加工后，无需对工件表面切削液进行处理，可以实现湿切削下工件表面形貌的在位在线测量，提高加工的效率和最终的加工质量。
进一步的，本发明的有益效果在于：不需要清洗湿切削后残留在工件表面的切削液膜，避免了传统的表面切削液处理方法所产生的表面切削液残留、工件表面划伤以及不能在线在位测量问题；更适用于精密超精密湿切削加工后的工件形貌测量。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明一种覆切削液的工件表面微观形貌测量装置结构示意图。
图2A为本发明实施方式聚焦点未到达液膜表面样品采样点处沿Z向扫描产生的荧光光谱示意图。
图2B为本发明实施方式聚焦点在液膜表面样品采样点处沿Z向扫描产生的荧光光谱示意图。
图2C为本发明实施方式聚焦点液膜内部样品采样点处沿Z向扫描产生的荧光光谱示意图。
图2D为本发明实施方式聚焦点液膜与样品交界面样品采样点处沿Z向扫描产生的荧光光谱示意图。
图2E为本发明实施方式聚焦点在液膜与样品交界面下方样品采样点处沿Z向扫描产生的荧光光谱示意图。
图3为本发明实施方式切削液在364nm波段激光激发的荧光光谱示意图。
图4A为本发明实施方式样品表面测量时XY形扫描路径示意图。
图4B为本发明实施方式样品表面测量时XY形扫描路径示意图。
图5为本发明示意图一种覆切削液的工件表面微观形貌测量方法流程示意框图。
图中1-激光器、2-准直透镜、3-激光耦合器、4-透镜Ⅰ、5-透镜Ⅱ、6-透镜Ⅲ、7-Y形光纤、8-光纤耦合器、9-光谱仪、10-长波通滤波片、11-计算机、12-样品、13-X轴运动台、14-Y轴运动台、15-Z轴运动台、16-运动控制器。
具体实施方式
一种覆切削液的工件表面微观形貌测量装置，如图1所示，由激光器1、准直透镜2、激光耦合器3、透镜Ⅰ4、透镜Ⅱ5、透镜Ⅲ6、Y形光纤7、光纤耦合器8、光谱仪9、长波通滤波片10、计算机11、X轴运动台13、Y轴运动台14、Z轴运动台15、运动控制器16组成。激光器1经准直透镜2进行光束准直，经激光耦合器3耦合进入Y形光纤7，通过光纤耦合器8输出激光，然后通过透镜4、透镜5组成的光纤共焦光路，聚焦于工件样品表面；样品表面的切削液经激光激发出荧光，散射的荧光经光纤共焦光路返回Y形光纤7，经透镜6进行聚焦，经长波通滤波片10滤除激光波长后，进行光谱仪9；光谱仪9与计算机11相连，X轴运动台13、Y轴运动台14、Z轴运动台15、运动控制器16通过连接线相连，运动控制器16与计算机11相连。
本实施例中，所述激光器1为半导体激光器，输出波段为364nm，其激发的荧光光谱如图3所示。
本实施例中，所述长波通滤波片10的截止波段为370nm。
本实施例中，所述X轴运动台13、Y轴运动台14以及Z轴运动台15的运动精度10nm。
本实施例中，所述透镜Ⅱ5的数值孔径NA为0.6。
一种覆切削液的工件表面微观形貌测量方法，如图5所示，包括以下步骤，
步骤一：通过计算机11向运动控制器16下达运动指令，控制X轴运动台13、Y轴运动台14移动到样品表面的采样点处，控制Z轴运动台15移动到初始Z向位置，扫描路径如图4A和图4B所示，为其中两种路径中的一种；
步骤二：打开激光器1和光谱仪9，通过计算机11向运动控制器16下达运动指令控制Z轴运动台15进行Z向扫描，同时计算机采集光谱仪9传输的荧光光谱检测然信号，以及记录激光焦点到切削液表面的Z向位置和激光焦点到切削液-工件交界面Z向位置，如图2A～图2E所示，分别为激光聚焦点在不同位置时，采样点处沿Z向扫描所产生的荧光光谱示意图，图中λ1大于激发光波长。
步骤三、通过所述步骤二光谱仪9采集的荧光光谱检测信号计算切削液厚度dm；
步骤四、基于步骤三计算的切削液厚度dm，通过下式计算实际的样品表面切削液厚度dr。
其中,n1为大气折射率，n2为切削液折射率；
步骤五、通过步骤二记录的Z向位置和步骤三计算获得的切削液厚度，计算采样点的相对高度；
步骤六、重复步骤一到步骤五，完成样品12表面所有采样点的高度计算，建立样品12表面的高度矩阵图；
步骤七、对步骤六获得的工件表面的高度矩阵图做立方插值计算，获得光滑的工件表面微观形貌图。
所述步骤一中，控制X轴运动台移动步长1μm，Y轴运动台移动步长1μm，Z轴运动台移动步长0.1μm。

Claims (6)

1.一种覆切削液的工件表面微观形貌测量装置，其特征是：包括激光器(1)、准直透镜(2)、激光耦合器(3)、透镜Ⅰ(4)、透镜Ⅱ(5)、透镜Ⅲ(6)、Y形光纤(7)、光纤耦合器(8)、光谱仪(9)、长波通滤波片(10)、计算机(11)、X轴运动台(13)、Y轴运动台(14)、Z轴运动台(15)以及运动控制器(16)，
所述激光器(1)出射光束进入准直透镜(2)进行准直后，经激光耦合器(3)耦合并通过Y形光纤(7)进入光纤耦合器(8)输出激光，激光通过由透镜Ⅰ(4)和透镜Ⅱ(5)组成的光纤共焦光路，聚焦于工件样品(12)表面，样品(12)的表面覆有切削液，切削液经激光照射激发出荧光，荧光经光纤共焦光路和光纤耦合器(8)返回Y形光纤(7)，经透镜Ⅲ(6)进行聚焦，经长波通滤波片(10)滤除激光波长后，进入光谱仪(9)；所述光谱仪(9)与计算机(11)连接；所述X轴运动台(13)与Y轴运动台(14)连接，Y轴运动台(14)与Z轴运动台(15)连接，且X轴运动台(13)、Y轴运动台(14)以及Z轴运动台(15)均通过连接线与运动控制器(16)连接；所述运动控制器(16)与计算机(11)连接。
2.根据权利要求1所述的一种覆切削液的工件表面微观形貌测量装置，其特征是：所述激光器(1)为半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种覆切削液的工件表面微观形貌测量装置，其特征是：所述Y轴运动台(14)和Z轴运动台(15)均为运动精度为纳米分辨率的运动台。
4.一种覆切削液的工件表面微观形貌测量方法，其特征是：应用权利要求1所述的一种覆切削液的工件表面微观形貌测量装置，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一、通过计算机(11)向运动控制器(16)发送运动指令信号，控制X轴运动台(13)和Y轴运动台(14)移动至样品(12)的表面采样点处，控制Z轴运动台(15)移动至初始Z向位置；
步骤二、打开激光器(1)和光谱仪(9)、通过计算机(11)向运动控制器(16)发送运动指令信号，控制Z轴运动台(15)进行Z向扫描，计算机(11)采集光谱仪(9)传输的荧光光谱检测信号，并记录激光焦点到切削液表面的Z向位置和激光焦点到切削液与工件交界面的Z向位置；
步骤三、通过所述步骤二光谱仪(9)采集的荧光光谱检测信号计算切削液厚度dm；
步骤四、通过所述步骤三获得的切削液厚度，计算实际样品(12)表面切削液厚度dr；
步骤五、通过步骤二记录的Z向位置和步骤三计算获得的切削液厚度，计算采样点的相对高度；
步骤六、重复步骤一到步骤五，完成样品(12)表面所有采样点的高度计算，建立样品(12)表面的高度矩阵图；
步骤七、对步骤六获得的工件表面的高度矩阵图做插值计算，获得样品(12)表面微观形貌图。
5.根据权利要求4所述的一种覆切削液的工件表面微观形貌测量方法，其特征是：所述步骤四中计算实际样品(12)表面切削液厚度dr的计算方法为，
其中，n1为大气折射率，n2为切削液折射率。
6.根据权利要求4所述的一种覆切削液的工件表面微观形貌测量方法，其特征是：所述步骤七中的插值计算法为立方插值计算方法。
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