CN113310439B - 一种基于白光共焦传感器的球壳类零件表面粗糙度检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于白光共焦传感器的球壳类零件表面粗糙度检测方法及系统，所述壳类零件表面粗糙度检测方法至少包括如下步骤：S1：待测工件装夹；S2：待测工件测量位置的确定；S3：调整工件的位姿；S4：调节测量传感器与被测位置点间的距离；S5：测量参数设置；S6：采集被测面形貌数据；S7：计算被测位置的粗糙度参数并输出结果；S8：测量下一个位置点，重复步骤S3至S7。本发明方法基于白光共焦传感器针对精密位移的测量时具有高精度、高稳定性、高分辨率、非接触测量、测量范围大等特点，实现球壳类工件任一型面表面粗糙度准确、高效、无损的测量。

Description

一种基于白光共焦传感器的球壳类零件表面粗糙度检测方法 及系统

技术领域

本发明属于球壳类工件表面粗糙度检测技术领域，具体涉及一种基于白光共焦传感器的球壳类零件表面粗糙度检测方法及系统。

背景技术

球壳类工件是常见的工件类型之一，在航空发动机、船舶制造业、导弹设计制造等国防科技领域具有广泛的应用。表面粗糙度，是反映零部件表面微观形貌的重要参数之一，指的是工件在机械加工过程中，因切削刀痕、切削过程中切屑分离时的塑性变形、机床的振动，以及摩擦等因素，在被加工表面产生间距很小的微观起伏，它会加剧零部件的摩擦和磨损、影响配合件的配合性质、降低零部件的抗疲劳强度和表面抗腐蚀能力等。因此，对零部件进行表面粗糙度的评定是十分必要的。

目前，测量表面粗糙度的方法主要有比对法、针描法、白光干涉法等。比对法是将被测表面和标准粗糙度样块进行比较，判断被测表面的粗糙度是否满足要求，该种方法操作简单，测量成本低，但测量结果跟操作人员经验和主观判断有关，无法给出待测工件表面粗糙度的准确测量结果。针描法是用触针或光针从工件表面经过，通过传感器将被测工件表面的几何形貌特征转换为电信号，经过信号放大转换后，由计算机处理获得被测工件的表面粗糙度值，针描法可测量工件表面粗糙度的具体数值，但属于接触式测量，容易在表面留下测量痕迹，影响表面质量，并且该种方法由于触针结构的限制，无法实现球壳类工件内型面的测量。白光干涉法是利用光波干涉原理测量表面粗糙度，通过测量干涉条纹的变形情况来表征工件表面轮廓的形貌特征，再由计算机处理计算其粗糙度值，干涉法测量精度较高，但光路系统复杂，操作复杂，容易受环境的影响，且由于传感器结构的限制，无法实现球壳类工件内型面粗糙度的测量。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种基于白光共焦传感器的球壳类零件表面粗糙度检测方法及系统，本发明方法基于白光共焦传感器针对精密位移的测量时具有高精度、高稳定性、高分辨率、非接触测量、测量范围大等特点，实现球壳类工件任一型面(内型面、外型面、端面)表面粗糙度准确、高效、无损的测量。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一方面，本发明公开了一种基于白光共焦传感器的球壳类零件表面粗糙度检测方法，所述壳类零件表面粗糙度检测方法至少包括如下步骤：S1：待测工件装夹，基于待测球壳工件的大小完成工件的装夹固定；S2：待测工件测量位置的确定，包括待测球壳工件内型面、外型面和端面测点选择确认；S3：调整工件的位姿，调整待测球壳工件的角度，使得白光共焦传感器位于被测位置点的法线方向上；S4：调节测量传感器与被测位置点间的距离；S5：测量参数设置，对测量参数截止波长、评定长度、采集频率和滤波类型进行设置，并对白光共焦传感器进行光暗校正；S6：采集被测面形貌数据，驱动白光共焦传感器在被测点处沿加工纹理的垂直方向做扫描运动，并在运动过程中采集被测位置点附近的形貌数据；S7：计算被测位置的粗糙度参数并输出结果，基于步骤S6测得的形貌数据，完成粗糙度参数Ra、Rsm和Rz的测量；S8：测量下一个位置点，重复步骤S3至S7。

根据一个优选的实施方式，所述步骤S2中，待测球壳工件内型面和外型面的测点均匀的设置于型面的母线上。

根据一个优选的实施方式，当母线长度大于200mm时，测量位置的点数应满足：

式中：N——测量位置点数；l——母线的长度，mm；

当母线长度小于等于200mm时，该母线上的测量位置点数应不少于4点。

根据一个优选的实施方式，所述步骤S2中，端面上的测点为均匀分布于端面圆环上，且测量位置的点数应满足：

式中：N——测量位置点数；S——被测工件端面的表面积，mm²。

根据一个优选的实施方式，所述步骤S4具体包括：基于白光共焦传感器的测量范围，调节传感器与被测位置点之间的距离，使该距离处于测量范围内。

根据一个优选的实施方式，所述步骤S6中，白光共焦传感器做扫描运动的长度为一个评定长度。

根据一个优选的实施方式，所述白光共焦传感器的探头结构为笔状式的白光共焦传感器。

另一方面，本发明还公开了一种基于白光共焦传感器的球壳类零件表面粗糙度检测系统，所述球壳类零件表面粗糙度检测系统包括：待测工件的装夹装置、白光共焦传感器固定及调节装置和数据处理单元，所述球壳类零件表面粗糙度检测系统按照前述球壳类零件表面粗糙度检测方法进行待测工件的表面粗糙度测量。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：

1.本发明利用了探头结构为笔状式的白光共焦传感器，在测量球壳类工件内型面的表面粗糙度时，探头可伸到内表面进行测量。因此，通过该白光共焦传感器可实现球壳类工件任一型面表面粗糙度的测量。

2.本发明利用了白光共焦传感器具有高精度、高稳定性、高分辨率、非接触测量、测量范围大等特点，可实现球壳类工件任一型面表面粗糙度的无损、非接触、高精度地测量。

附图说明

图1是本发明球壳类零件表面粗糙度检测方法的流程示意图；其中，1-立柱，2-驱动器，3-白光共焦传感器，4-被测球壳类工件，5-底座。

图2是本发明球壳类零件表面粗糙度检测系统的结构示意图；

图3是本发明待测球壳类工件的型面结构示意图；

图4是本发明待测球壳类工件的型面加工纹理示意图；

图5是本发明方法和触针法的测量结果对比示意图；

图6是半球壳工件的测量位置示意图；

图7是触针式粗糙度仪的结构示意图；

其中，11-立柱，12-驱动器，13-传感器，14-触针，15-底座，16-被测工件。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，为使本发明实施例技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。

实施例1：

参考图1至图4所示，本发明公开了一种基于白光共焦传感器的球壳类零件表面粗糙度检测方法，所述壳类零件表面粗糙度检测方法至少包括如下步骤：

步骤S1：待测工件装夹，基于待测球壳工件的大小完成工件的装夹固定。

优选地，所述步骤S1具体可以是：根据待测球壳工件的大小，选择合适的工装对该工件进行装夹，保证装夹稳定、不产生偏转和晃动。

步骤S2：待测工件测量位置的确定。包括待测球壳工件内型面、外型面和端面测点选择确认。

球壳类工件的表面粗糙度需通过内型面、外型面、端面的粗糙度进行表征，如图3所示。由于球壳类工件是通过车削加工形成，表面加工纹理为绕球心轴线回转的圆，如图4所示中的虚线。因此，在测量内或外型面的粗糙度时，只需测量型面任一母线上的粗糙度即可，测量位置点应平均分布于被测母线上。

优选地，所述步骤S2中，待测球壳工件内型面和外型面的测点均匀的设置于型面的母线上。

进一步地，当母线长度大于200mm时，测量位置的点数应满足：

式中：N——测量位置点数；l——母线的长度，mm。当母线长度小于等于200mm时，该母线上的测量位置点数应不少于4点。

优选地，所述步骤S2中，端面上的测点为均匀分布于端面圆环上，且测量位置的点数应满足：

式中：N——测量位置点数；S——被测工件端面的表面积，mm²。

从而，通过步骤S2中的测点数量设置，保证了针对待测工件的测量准确性。

步骤S3：调整工件的位姿，调整待测球壳工件的角度，使得白光共焦传感器位于被测位置点的法线方向上。从而，保证了白光共焦传感器对被测点进行准确的测面形貌扫描。

步骤S4：调节测量传感器与被测位置点间的距离。

优选地，所述步骤S4具体包括：基于白光共焦传感器的测量范围，调节传感器与被测位置点之间的距离，使该距离处于测量范围内。

进一步地，所述白光共焦传感器的探头结构为笔状式的白光共焦传感器，在测量球壳类工件内型面的表面粗糙度时，探头可伸到内表面进行测量。因此，通过该白光共焦传感器可实现球壳类工件任一型面表面粗糙度的测量。

步骤S5：测量参数设置，对测量参数截止波长、评定长度、采集频率和滤波类型进行设置；并对白光共焦传感器进行光暗校正，使其适应环境光线。

优选地，各测量参数的设置为基于GB/T 1031《产品几何技术规范(GPS).表面结构.轮廓法.表面粗糙度参数及其数值》和被测表面规定的粗糙度进行设置。

步骤S6：采集被测面形貌数据，驱动白光共焦传感器在被测点处沿加工纹理的垂直方向做扫描运动，并在运动过程中采集被测位置点附近的形貌数据；

优选地，所述步骤S6中，白光共焦传感器做扫描运动的长度为一个评定长度。

步骤S7：计算被测位置的粗糙度参数并输出结果，基于步骤S6测得的形貌数据，完成粗糙度参数Ra、Rsm和Rz的测量；

步骤S8：测量下一个位置点，重复步骤S3至S7。

实施例2

在实施例1的基础上，本发明还公开了一种基于白光共焦传感器的球壳类零件表面粗糙度检测系统，参考图2所示。

所述球壳类零件表面粗糙度检测系统包括：待测工件的装夹装置、白光共焦传感器固定及调节装置和数据处理单元。

所述球壳类零件表面粗糙度检测系统按照实施例1所述球壳类零件表面粗糙度检测方法进行待测工件的表面粗糙度测量。

具体地，白光共焦传感器的探头位于待测工件的被测位置点的法线方向上，驱动器2带动白光共焦传感器的探头沿表面加工纹理的垂直方向做匀速扫描运动，白光共焦传感器发出白光中的某一单色光在被测表面聚焦反射回光谱仪中，通过反射光波长的变化反应被测表面几何形状的变化，并转化成电信号，该信号经放大处理转化成数字信号输入计算机中。计算机软件系统对此原始轮廓数据进行数字滤波，分离出表面粗糙度数据并计算其参数，最后由计算机软件系统输出和显示结果。

参照图5，图5为用本发明的方法和触针法对直径约为Φ220mm的半球壳工件进行表面粗糙度测量的结果对比图。外型面的测量位置点如图6所示。触针法所用的粗糙度仪结构如图7所示。由于触针法仪器结构的限制无法测量半球壳工件的内型面，因此图5只对比了外型面同一位置点处的粗糙度。根据JJF1105-2018《触针式表面粗糙度测量仪校准规范》，两种方法在同一位置测量结果的差值应不超过最大允许差值±(5nm±0.1A)，A为触针法的测量结果。通过图5的比较结构，验证了本发明方法测量表面粗糙度的可行性。

本发明利用了探头结构为笔状式的白光共焦传感器，在测量球壳类工件内型面的表面粗糙度时，探头可伸到内表面进行测量。因此，通过该白光共焦传感器可实现球壳类工件任一型面表面粗糙度的测量。本发明利用了白光共焦传感器具有高精度、高稳定性、高分辨率、非接触测量、测量范围大等特点，可实现球壳类工件任一型面表面粗糙度的无损、非接触、高精度地测量。

前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。本领域技术人员可知有众多组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于白光共焦传感器的球壳类零件表面粗糙度检测方法，其特征在于，所述壳类零件表面粗糙度检测方法至少包括如下步骤：

S1：待测工件装夹，基于待测球壳工件的大小完成工件的装夹固定；

S2：待测工件测量位置的确定，包括待测球壳工件内型面、外型面和端面测点选择确认；

所述步骤S2中，待测球壳工件内型面和外型面的测点均匀的设置于型面的母线上；

当母线长度大于200mm时，测量位置的点数应满足：

式中：N——测量位置点数；l——母线的长度，mm；

当母线长度小于等于200mm时，该母线上的测量位置点数应不少于4点；

所述步骤S2中，端面上的测点为均匀分布于端面圆环上，且测量位置的点数应满足：

式中：N——测量位置点数；S——被测工件端面的表面积，mm²；

S3：调整工件的位姿，调整待测球壳工件的角度，使得白光共焦传感器位于被测位置点的法线方向上；

S4：调节测量传感器与被测位置点间的距离；

S5：测量参数设置，对测量参数截止波长、评定长度、采集频率和滤波类型进行设置，并对白光共焦传感器进行光暗校正；

S6：采集被测面形貌数据，驱动白光共焦传感器在被测点处沿加工纹理的垂直方向做扫描运动，并在运动过程中采集被测位置点附近的形貌数据；

S7：计算被测位置的粗糙度参数并输出结果，基于步骤S6测得的形貌数据，完成粗糙度参数Ra、Rsm和Rz的测量；

S8：测量下一个位置点，重复步骤S3至S7。

2.如权利要求1所述的球壳类零件表面粗糙度检测方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：基于白光共焦传感器的测量范围，调节传感器与被测位置点之间的距离，使该距离处于测量范围内。

3.如权利要求1所述的球壳类零件表面粗糙度检测方法，其特征在于，所述步骤S6中，白光共焦传感器做扫描运动的长度为一个评定长度。

4.如权利要求1所述的球壳类零件表面粗糙度检测方法，其特征在于，所述白光共焦传感器的探头结构为笔状式的白光共焦传感器。

5.一种基于白光共焦传感器的球壳类零件表面粗糙度检测系统，其特征在于，所述球壳类零件表面粗糙度检测系统包括：待测工件的装夹装置、白光共焦传感器固定及调节装置和数据处理单元，

所述球壳类零件表面粗糙度检测系统按照如权利要求1至4所示的球壳类零件表面粗糙度检测方法进行待测工件的表面粗糙度测量。

Images