周 勇，李建軍，趙天明，王震宏，唐勝江

(中國工程物理研究院 材料研究所，四川 綿陽 621700)

1 引 言

表面粗糙度是描述表面微觀輪廓基本特點(diǎn),評價(jià)產(chǎn)品表面質(zhì)量最常用的參數(shù)之一[1]。在機(jī)械加工、薄膜制備、微納機(jī)電系統(tǒng)、光學(xué)精密加工等領(lǐng)域中，表面粗糙度是評價(jià)產(chǎn)品性能的重要指標(biāo)之一。表面粗糙度與加工零部件的摩擦磨損性能、耐腐蝕性能、結(jié)合密封性、抗疲勞能力等存在必然聯(lián)系，進(jìn)而對零件和制造設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生重要影響[2～4]。表面粗糙度也是開展功能結(jié)構(gòu)部件微觀表面形貌評價(jià)與表征的重要參數(shù)[5,6]。

表面粗糙度的測量研究一直受到國內(nèi)外研究學(xué)者和工程技術(shù)人員的重視。徐建強(qiáng)等[7]基于光散射理論設(shè)計(jì)了一種光纖傳感器可用于表面粗糙度的快速測量；陳晨等[8]基于激光散斑角度相關(guān)法設(shè)計(jì)了表面粗糙度測量系統(tǒng)，具有較好的測量準(zhǔn)確度；吳璀罡等[9]開發(fā)了一套基于激光雙焦干涉原理的超光滑表面粗糙度測量系統(tǒng)，縱向分辨力達(dá)到0.1 nm；Ichiko Misumi等[10]基于AFM測量原理搭建了一套超高精度粗糙度測量系統(tǒng)，并做了不確定度分析。

然而，目前在表面粗糙度和微觀輪廓的測量工業(yè)應(yīng)用中，常見使用的是寶石觸針接觸式輪廓儀和掃描白光干涉輪廓儀等精密設(shè)備。這兩種精密儀器對使用環(huán)境和條件要求較為嚴(yán)格，不適合用于要求高檢測效率和在線測量的工業(yè)現(xiàn)場[11]。

三坐標(biāo)測量機(jī)是加工現(xiàn)場最常用的高精度產(chǎn)品尺寸及形位公差檢測設(shè)備，其具有通用性強(qiáng)，精確可靠等優(yōu)點(diǎn)[12,13]。本文面向一種特殊材料異型結(jié)構(gòu)零件內(nèi)曲面的表面粗糙度測量要求，提出一種基于高精度光譜共焦位移傳感技術(shù)的表面粗糙度集成在線測量方法[14]，利用工業(yè)現(xiàn)場常用的三坐標(biāo)測量機(jī)平臺執(zhí)行輪廓掃描，并記錄測量掃描位置實(shí)時(shí)空間橫坐標(biāo)，根據(jù)空間坐標(biāo)關(guān)系，將測量掃描區(qū)域的微觀高度信息和掃描采樣點(diǎn)組織映射為微觀輪廓，經(jīng)高斯濾波處理和評價(jià)從而得到測量對象的表面粗糙度信息[15,16]。

2 測量系統(tǒng)及原理

2.1 測量系統(tǒng)

在線集成表面粗糙度測量系統(tǒng)是以一臺三坐標(biāo)測量機(jī)(CMM)為平臺構(gòu)建，其結(jié)構(gòu)由光學(xué)探頭、白光光源、微型光譜儀、光纖、測量工裝、上位機(jī)控制平臺等部分組成，見圖1。其中，以光學(xué)探頭、白光光源、微型光譜儀、光纖等為主要元件組成光譜共焦位移傳感系統(tǒng)，控制器型號為PRECITEC CHRocodile SE，測量量程300 μm，橫向分辨率為4.5 μm，縱向位移測量精度達(dá)nm級，較好地滿足表面粗糙度測量對光探針尺寸和精度的要求。坐標(biāo)測量平臺利用其高精度和穩(wěn)定的三維空間運(yùn)動(dòng)定位能力以及方便在線部署的特點(diǎn)，作為表面粗糙度測量的掃描運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器。

圖1 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Measurement system structure diagram

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和坐標(biāo)測量機(jī)測量臂末端接口形式，將光學(xué)探頭通過轉(zhuǎn)接緊固件可靠固定在測量臂末端，如圖2所示。

圖2 安裝示意圖Fig.2 Installation diagram

2.2 測量原理和流程

圖3為光譜共焦位移傳感器原理圖。

圖3 光譜共焦位移傳感原理圖Fig.3 Schematic diagram of chromatic spectrum confocal shift sensing

通過特殊光學(xué)設(shè)計(jì)形成的透鏡組將白光光源發(fā)出的多色平行光進(jìn)行光譜分光,形成一系列波長不同的單色光,同時(shí)再將其同軸聚焦,由此在有效量程范圍內(nèi)形成了一個(gè)焦點(diǎn)組,每一個(gè)焦點(diǎn)的單色光波長都對應(yīng)著一個(gè)軸向位置。測量時(shí)通過光譜儀分析光譜峰值結(jié)合峰值提取算法從而確定被測點(diǎn)的高度位置信息。

表面粗糙度測量方法具體流程如下：

(1) 待測工件定位。將待測工件平穩(wěn)置于坐標(biāo)測量機(jī)測量平臺上，調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)紅寶石測針測量其空間位置和姿態(tài)，為按測量工藝要求確定測量位置提供數(shù)據(jù)。

(2) 輪廓掃描。測量機(jī)測量臂更換掛載光譜共焦傳感器的光學(xué)探頭，驅(qū)動(dòng)探頭運(yùn)動(dòng)至工件測量位置，調(diào)整光源光強(qiáng)、光譜儀曝光時(shí)間和采集頻率等參數(shù)以保證傳感器處于較好的工作狀態(tài)，編輯掃描步距、速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)后啟動(dòng)輪廓掃描測量，并在上位機(jī)上同步記錄掃描過程中的橫向坐標(biāo)和傳感器高度信息，映射成為測量區(qū)域的二維微觀輪廓。

(3) 表面粗糙度計(jì)算與評價(jià)。將掃描獲取的二維微觀輪廓數(shù)據(jù)輸入到輪廓處理算法內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，按照有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)選擇合適的截止波長，按高斯輪廓濾波方法對原始輪廓進(jìn)行濾波處理，得到其表面粗糙度輪廓，并計(jì)算出粗糙度輪廓的評價(jià)中線，再按照表面粗糙度的相關(guān)評價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方法得出測量結(jié)果，最后得到被測工件的表面粗糙度信息。

3 硬件控制與輪廓處理環(huán)境的建立

3.1 測量系統(tǒng)硬件控制架構(gòu)

對工件微觀輪廓的掃描和表面粗糙度測量，需在同一平臺上協(xié)調(diào)控制掃描執(zhí)行器和位移傳感器?；赨SB和Ethernet通訊接口和協(xié)議，在上位機(jī)LabVIEW開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行了測頭傳感器和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的通訊、控制、調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)流傳輸?shù)裙δ艿亩伍_發(fā)，形成了較為完善的測量系統(tǒng)硬件通訊控制架構(gòu)，主體系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖4所示[6]。

圖4 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.4 System control structure diagram

為了方便使用和測量，為控制系統(tǒng)開發(fā)了人機(jī)交互較為便捷的界面窗口，見圖5，可方便的調(diào)控傳感器相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，并預(yù)覽掃描過程中的輪廓信息。還可以預(yù)設(shè)和編輯掃描運(yùn)動(dòng)策略，調(diào)整存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的名稱等功能，并額外的增加了光譜信號展示、集成輪廓濾波與評價(jià)方法等功能，可以實(shí)現(xiàn)掃描測量后及時(shí)的數(shù)據(jù)輸出。

圖5 表面粗糙度測量系統(tǒng)控制前面板Fig.5 Measurement system control front panel

3.2 高斯輪廓處理方法

表面輪廓示意圖如圖6所示，傳感器除了采集表面粗糙度信息之外，還將采集波紋度，幾何形狀等信息。輪廓濾波處理是指將輪廓信息分為不同頻率成分[7]。

圖6 表面輪廓示意圖Fig.6 surface profile diagram

通過國際通用的高斯評定算法進(jìn)行輪廓濾波，即設(shè)定合適的截止波長將測量輪廓數(shù)據(jù)與高斯權(quán)函數(shù)進(jìn)行卷積濾波，在國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11562中規(guī)定，高斯權(quán)函數(shù)h(x)定義如[8]：

(1)

式中：λc表示截止波長;α=0.469 7是一常量;x表示測量點(diǎn)位置。

表面輪廓為z(x)，則通過一次卷積運(yùn)算可以將表面輪廓z(x)分離為低頻基準(zhǔn)信號ω(x)和高頻粗糙度信號r(x)兩部分：

(2)

r(x)=z(x)-ω(x)

(3)

當(dāng)以滿足采樣定理的等距離采樣間隔Δx離散采樣時(shí)，xi=(i-1)Δx(1≤i≤n，n為采樣點(diǎn)數(shù))，則離散化的低頻基準(zhǔn)信號ω(xi)的計(jì)算公式為

(4)

式中：m為高斯權(quán)函數(shù)的半窗寬；i=m，m+1,…，n-m。

由式(3)和式(4)可得，離散高頻粗糙度信號r(xi)的計(jì)算公式為

r(xi)=z(xi)-ω(xi)

(5)

在輪廓處理算法中增加了整體輪廓預(yù)覽、波紋度分析和數(shù)據(jù)整體等功能模塊，其算法設(shè)計(jì)流程如圖7所示,圖7中的相關(guān)參數(shù)在GB/T3505中已作了明確定義。

圖7 輪廓處理方法流程Fig.7 Profile processing flow chart

利用LabVIEW與Matlab的混合編程模塊，將高斯輪廓濾波及評價(jià)方法集成到了LabVIEW程序面板中，使用時(shí)調(diào)整濾波參數(shù)可及時(shí)調(diào)用濾波和評價(jià)算法實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。

4 實(shí) 驗(yàn)

為驗(yàn)證表面粗糙度測量系統(tǒng)測量的有效性，對標(biāo)準(zhǔn)臺階樣品、標(biāo)準(zhǔn)表面粗糙度樣塊測試實(shí)驗(yàn)和某異形車削零件曲面輪廓表面粗糙度的測量實(shí)驗(yàn)。

4.1 標(biāo)準(zhǔn)臺階測試實(shí)驗(yàn)

測試所用的標(biāo)準(zhǔn)樣品上刻有兩個(gè)測試臺階位置，其標(biāo)稱高度分別為9.3 μm和9.4 μm。利用搭建的測量系統(tǒng)沿臺階垂直方向?qū)υ摌影暹M(jìn)行掃描，對測量采集的數(shù)據(jù)輪廓進(jìn)行校平、最小二乘擬合等處理，計(jì)算得兩處臺階位置高度差分別為9.27 μm、9.36 μm，臺階輪廓如圖8所示。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)臺階的掃描輪廓Fig.8 Scanning profile of the standard steps

4.2 表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)樣塊測試實(shí)驗(yàn)

測試選用的為三角波紋理表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)樣塊，附DKD檢定證書，其表面粗糙度算術(shù)平均偏差Ra的標(biāo)定值為0.37 μm。采用構(gòu)建的集成表面粗糙度測量系統(tǒng)對標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測量驗(yàn)證測試。在標(biāo)準(zhǔn)樣塊刻線處選取3個(gè)不同測試位置,每個(gè)測試位置重復(fù)測量3次，見圖9。

圖9 測量位置示意圖Fig.9 Schematic diagram of measuring position

利用高斯濾波方法對原始輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行表面粗糙輪廓濾波處理，并基于最小二乘中線分析計(jì)算其表面粗糙度算術(shù)評價(jià)偏差Ra值，9次測量結(jié)果見表1所示。

表1 表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)樣塊Ra值測試結(jié)果Tab.1 The measuring results of roughness standard sample

輪廓計(jì)算處理過程中，位置Ⅱ的原始輪廓和濾波處理后的表面粗糙度輪廓如圖10所示。

圖10 位置Ⅱ的原始輪廓和表面粗糙度輪廓Fig.10 The primary profile and roughness profile of positionⅡ

為進(jìn)一步測試系統(tǒng)測量表面粗糙度的重復(fù)性能，對上述樣塊的位置Ⅱ測量區(qū)域進(jìn)行了20次重復(fù)測量，測量結(jié)果見表2。

表2 表面粗糙度重復(fù)測試結(jié)果Tab.2 The repeated measuring results of roughness μm

4.3 曲面輪廓測量樣品測量實(shí)驗(yàn)

如圖2所示的工件的內(nèi)球曲面為其工作面，設(shè)計(jì)球徑為180 mm，采用車削加工成型，其加工和檢測工藝上要求在其內(nèi)球曲面不同的角度位置上檢測型面表面粗糙度情況。

在零件內(nèi)球曲面輪廓的回轉(zhuǎn)母線上回避頂點(diǎn)標(biāo)記3段不同角度的測量位置，利用表面粗糙度測量系統(tǒng)在各測量位置上重復(fù)掃描測量2次，經(jīng)輪廓濾波評價(jià)后得到的測量結(jié)果如表3所示。

表3 零件樣品Ra值測試結(jié)果Tab.3 The measuring results of part sample Ra

圖11所示是位置Ⅱ的原始輪廓和濾波處理后的表面粗糙度輪廓。從圖11可以看出，測量結(jié)果較穩(wěn)定、可靠。

圖11 位置Ⅱ的原始輪廓與表面粗糙度輪廓Fig.11 The primary profile and roughness profile of position Ⅱ

5 結(jié) 論

本文面向一種特殊材料異型結(jié)構(gòu)零件內(nèi)曲面的表面粗糙度集成在線測量的要求，提出一種在坐標(biāo)測量平臺上集成光譜共焦傳感器的方法，設(shè)計(jì)構(gòu)建的測量系統(tǒng)，面向表面粗糙度測量的全流程建立了硬件控制與輪廓處理環(huán)境，進(jìn)行了多項(xiàng)測量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該測量系統(tǒng)具有較高的測量精度和重復(fù)性，粗糙度參數(shù)Ra的測量重復(fù)性為0.002 6 μm，通過優(yōu)化零件檢測過程，整體上縮短零件近30%的檢測時(shí)間，可用于零件生產(chǎn)加工現(xiàn)場對表面粗糙度進(jìn)行在線測量。