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        精密加工表面粗糙度測(cè)量數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)方法的研究

        2009-04-09 03:17:18沈向東
        新媒體研究 2009年5期

        沈向東

        [摘要]隨著零件制造工藝水平和對(duì)零件表面加工質(zhì)量要求的提高,精密、超精密加工技術(shù)被廣泛用于制造過程。這種超精密加工或微細(xì)加工使零件的加工精度達(dá)到了0.3μm以下,表面粗糙度Ra值<0.03μm,從而使以傳統(tǒng)目測(cè)方法對(duì)這樣的表面進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)已無法實(shí)現(xiàn),取而代之的是一種全新的測(cè)量方法和分析處理手段。圍繞這一課題,研究開發(fā)出零件表面檢測(cè)系統(tǒng),旨在對(duì)超精密加工零件的表面質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)、分析與評(píng)價(jià)。

        [關(guān)鍵詞]表面粗糙度 超精密加工 零件表面檢測(cè)系統(tǒng) 表面質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)

        中圖分類號(hào):TH13文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)0310114-02

        一、問題的提出

        隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,特別是高新科技的發(fā)展,要求超精密加工的機(jī)電產(chǎn)品元器件越來越多,不僅有傳統(tǒng)的光學(xué)零件、塊規(guī)等,而且還有大規(guī)模集成電路芯片、計(jì)算機(jī)磁盤和光盤、復(fù)印機(jī)磁鼓、激光反射鏡、導(dǎo)航陀螺儀、真空無潤(rùn)滑軸承以及高新科技產(chǎn)品中的精密零部件等。這些超精細(xì)加工出來的零件精度已達(dá)到了0.3μm以下,表面粗糙度Ra值<0.03μm,從而使傳統(tǒng)目測(cè)零件表面質(zhì)量的方式已無法實(shí)現(xiàn)對(duì)這樣的表面進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)。研究和開發(fā)以計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)和計(jì)算機(jī)輔助檢驗(yàn)(CAI)為手段的零件表面質(zhì)量控制技術(shù),已經(jīng)成為超精密加工技術(shù)中的一個(gè)重要的課題。本文應(yīng)用超精密加工零件表面粗糙度的計(jì)算機(jī)輔助檢驗(yàn)測(cè)試技術(shù),提出一種實(shí)用、可視化、三維立體化的表面檢測(cè)系統(tǒng),旨在以快速、準(zhǔn)確地對(duì)超精細(xì)加工的零件表面進(jìn)行檢測(cè)、分析和處理,從而為質(zhì)量評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

        二、零件表面檢測(cè)系統(tǒng)模型

        零件表面檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試和檢驗(yàn)技術(shù)研制與開發(fā),并以MATLAB為軟件平臺(tái),由計(jì)算機(jī)、激光測(cè)量?jī)x等在線檢測(cè)表面粗糙度的相關(guān)硬件和軟件實(shí)現(xiàn),包括計(jì)算機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換板(A/D板)、激光傳感器測(cè)量系統(tǒng)(激光頭及激光控制器)和相應(yīng)軟件。其系統(tǒng)構(gòu)成模型框圖見圖1。

        被測(cè)零件表面輪廓圖見圖2。且定義X方向?yàn)楸砻婕y路方向,Y是截面方向,Z是測(cè)量方向。利用激光測(cè)量?jī)x按粗糙度要求檢測(cè)的區(qū)域(<1mm)規(guī)定,對(duì)其進(jìn)行二維方向掃描。所得的模擬數(shù)據(jù)經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器,得到一組數(shù)字化數(shù)據(jù)。為使數(shù)字化的數(shù)據(jù)不失真,則在離散處理時(shí),將表面的長(zhǎng)(x)和寬(y)方向按μm級(jí)進(jìn)行離散,而高度(z)按1X10-3μm級(jí)進(jìn)行離散。將這些數(shù)字化數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī),并用一個(gè)三維數(shù)組N(x,y,z)進(jìn)行保存,以備數(shù)據(jù)處理。

        四、數(shù)據(jù)處理流程

        應(yīng)用MATLAB軟件包對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和可視化操作,其流程為:

        1.模擬輸出零件被測(cè)表面的三維立體圖,其高度方向因放大了一千倍,而使表面的狀態(tài)峰谷高度差加大顯示,可以清晰地看出零件表面的紋路方向,便于選擇分析截面(一般而言所選的截面當(dāng)與表面紋路相垂直時(shí),峰谷值差最大);

        2.根據(jù)粗糙度的定義,對(duì)表面進(jìn)行最大峰(谷)值進(jìn)行遍歷,確定出最具代表性的截面(截面的方位由最大峰(谷)值出現(xiàn)的方向確定),并用圖象表現(xiàn)其零件截面輪廓曲線;

        3.在所選定的截面上,為獲取粗糙度的數(shù)值,用最小二乘正交多項(xiàng)式作為曲面表面粗糙度評(píng)定最佳擬合的數(shù)學(xué)模型,通過數(shù)字濾波分離出表面粗糙度輪廓,得到零件表面粗糙度輪廓曲線;

        4.對(duì)零件表面粗糙度輪廓曲線按進(jìn)行計(jì)算,得到表面粗糙度值

        5.對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),檢驗(yàn)是否達(dá)到質(zhì)量要求。

        五、檢測(cè)實(shí)例

        應(yīng)用本系統(tǒng)對(duì)一個(gè)經(jīng)精密加工的零件進(jìn)行表面粗糙度檢驗(yàn),按其流程作如下介紹。

        1.繪制被測(cè)零件三維立體表面圖

        在MATLAB中,調(diào)用圖形數(shù)據(jù)文件N(x,y,z),分解成相互關(guān)聯(lián)的x,y,z坐標(biāo)值,然后調(diào)用繪制三維曲面圖形命令:

        surf(x,y,z);

        即可繪制出如圖1所示的被測(cè)零件三維立體表面圖。

        由圖3可以清晰的看到加工紋路方向,從而可按紋路垂直方向確定表面分析截面。

        2.繪制零件截面輪廓曲線圖(圖4、圖5)

        3.用最小二乘法計(jì)算擬合曲線,其擬合曲線用均值方程表示,即

        (1)平行于截面輪廓曲線的擬合方程:

        (2)垂直于截面輪廓曲線的擬合方程:

        4.繪制表面粗糙度輪廓曲線(圖6、圖7)

        5.計(jì)算粗糙度值Ra(x),Ra(y),進(jìn)行評(píng)價(jià)

        由圖6可計(jì)算Ra(x),由圖7可計(jì)算Ra(y)。然后根據(jù)要求達(dá)到的表面粗糙度等級(jí),對(duì)該零件表面進(jìn)行評(píng)價(jià)。同時(shí),可以看出,垂直于零件表面紋路方向計(jì)算所得到的粗糙度值Ra(y)要比平行于紋路方向所得到的粗糙度值Ra(x)大,因此Ra(y)可以作為零件表面粗糙度評(píng)價(jià)的依據(jù)。

        六、結(jié)論

        應(yīng)用零件表面檢測(cè)系統(tǒng)可以方便地對(duì)零件進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試,數(shù)據(jù)處理快速準(zhǔn)確??梢暬膱D形顯示,使處理過程更加人性化和形象化,可完全替代傳統(tǒng)目測(cè)零件表面質(zhì)量的方式對(duì)零件表面進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)價(jià),因而不失為一種全新的、以表面測(cè)量與檢測(cè)分析處理為手段的、對(duì)超精密加工零件表面進(jìn)行有效質(zhì)量控制的技術(shù)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]王隆太主編,先進(jìn)制造技術(shù),北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

        [2]于萬成主編,質(zhì)量控制與檢測(cè)技術(shù),北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

        [3]于萬波編著,基于MATLAB的圖像處理,北京:清華大學(xué)出版社,2008.

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