專利名稱：一種磁輥表面粗糙度測量系統(tǒng)的制作方法
一種磁輥表面粗糙度測量系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面粗糙度測量方法，具體設(shè)計(jì)一種基于激光散射光強(qiáng)二維分布 統(tǒng)計(jì)的磁輥表面粗糙度無損非接觸式的高精度測量方法
背景技術(shù)：
打印機(jī)、復(fù)印機(jī)所用硒鼓磁輥的表面粗糙度對設(shè)備打印質(zhì)量有直接影響，磁輥使 用前均需對此指標(biāo)進(jìn)行抽樣測量。目前常采用的表面粗糙度方法主要分為接觸測量和非接 觸測量兩大類。接觸測量指探測器同被測物體相接觸從而獲得被測物體外觀形貌的測量方法，具 有精度高、測量結(jié)果穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但是對磁輥表面會造成沾染、損傷或造成磁輥蠕變，也不 能進(jìn)行在線檢測，無法滿足自動化水平要求。非接觸測量中主要有激光三角法、激光散射法等。激光三角法指由激光發(fā)生器發(fā)出的激光經(jīng)光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)照射到物體表面形成光 點(diǎn)并發(fā)生反射，反射光隨被測物體表面的起伏變化在CCD上的不同位置成像，通過檢測光 點(diǎn)在CCD上的位置，經(jīng)幾何變換可以得到光點(diǎn)相對測量基面的起伏變化信息，具有測量精 度高的優(yōu)點(diǎn)，但測量成本也較高，中小型企業(yè)難以承受。激光散射法指用激光作光源，在入射光方向以外，通過檢測散射光強(qiáng)度、頻移及其 角度依賴等而得到測量基面的起伏變化的方法的統(tǒng)稱。目前多以散射光能量的一維分布與 粗糙度參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系來進(jìn)行檢測，丟失了粗糙表面引起的二維散射信息，沒有涉及散射 光強(qiáng)二維分布與粗糙度的關(guān)系，也沒有涉及散射光分布與表面形貌、起伏分布和聚集態(tài)結(jié) 構(gòu)的關(guān)系。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明改進(jìn)了傳統(tǒng)粗糙度激光散射測量方法，根據(jù)激光在隨機(jī)表面散射特征，提 出了一種基于激光散射光強(qiáng)二維分布統(tǒng)計(jì)的磁輥表面粗糙度測量系統(tǒng)，針對散射光二維分 布引入了三個特征值能量分布徑向均值艮，角向方差Da，以及分布縱橫比4，得到散射光 的能量二維分布情況，既可測量表面粗糙度的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，又可反映表面紋理的形貌特征，為 實(shí)現(xiàn)更為精確的快速非接觸表面粗糙度測量提供了一種可行的方法。具體結(jié)構(gòu)如下基于激光散射二維分布統(tǒng)計(jì)的磁輥表面粗糙度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光學(xué)系統(tǒng)、 磁輥傳動系統(tǒng)、光學(xué)部件控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)位于磁輥傳動系統(tǒng)上 方，并受光學(xué)部件控制系統(tǒng)控制，光學(xué)系統(tǒng)形成的包含被測磁輥表面形貌信息的光信號被 數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)采集處理，從而對磁輥表面粗糙度情況進(jìn)行測量并做出判斷。光學(xué)系統(tǒng)的功能是使激光器發(fā)射的激光通過一系列光學(xué)元器件照射被測磁輥表 面，形成包含被測磁輥表面形貌信息的反射和散射光信號。該系統(tǒng)包括半導(dǎo)體激光器、斬 波器、半反半透鏡、凸透鏡、成像屏、面陣CCD (Charge CoupledDevice，電荷耦合器件)攝像 頭。半導(dǎo)體激光器激光發(fā)射方向與水平面垂直，該半導(dǎo)體激光器下設(shè)置一斬波器，該斬波器與水平面平行，該斬波器下設(shè)置一半反半透鏡，該半反半透鏡與水平面成45°角，該半反半 透鏡下設(shè)置一凸透鏡，該凸透鏡主軸與水平面垂直，該凸透鏡光心通過由半導(dǎo)體激光器所 發(fā)射激光光束的光路中心，在垂直于水平面并與前述半反半透鏡成45°處設(shè)置一成像屏， 該成像屏用以接收半反半透鏡所反射的光線所成的像。面陣CCD攝像頭位于成像屏正后 方，用以拍攝成像屏上所成的像。磁輥傳動系統(tǒng)的功能是固定被測磁輥并使其繞軸向勻速轉(zhuǎn)動，同時，通過調(diào)節(jié)高 度，使被測磁輥表面上緣與光學(xué)系統(tǒng)中的凸透鏡焦平面相切。該系統(tǒng)包括傳動裝置、支架、 齒輪端護(hù)套、可調(diào)節(jié)水平臺、導(dǎo)電端護(hù)套。支架樹立于可調(diào)節(jié)水平臺的兩側(cè)，其對應(yīng)位置分 別安裝有齒輪端護(hù)套和導(dǎo)電端護(hù)套，兩護(hù)套在同一水平線上，用來嵌套護(hù)套的兩端。傳動裝 置和齒輪端護(hù)套連接，用來帶動護(hù)套轉(zhuǎn)動。通過齒輪端護(hù)套同傳動裝置相連接并受其控制， 被測磁輥隨之圍繞軸向勻速轉(zhuǎn)動，通過調(diào)整支架高度，使磁輥表面上緣與光學(xué)系統(tǒng)中的凸 透鏡焦平面相切，且磁輥軸向在光學(xué)部件控制系統(tǒng)的運(yùn)動平面內(nèi)。數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)由圖像采集卡、計(jì)算機(jī)組成，圖像采集卡與計(jì)算機(jī)相互連接， 因而可以通過計(jì)算機(jī)內(nèi)的程序處理圖像采集卡采集到的信號。具體功能是采集光學(xué)系統(tǒng) 面陣CCD攝像頭拍攝的視頻信號，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后經(jīng)計(jì)算機(jī)處理得到散射光的能量 二維分布情況。光學(xué)系統(tǒng)成像屏上所成的像被面陣CCD攝像頭實(shí)時采集并生成視頻信號， 經(jīng)圖像采集卡轉(zhuǎn)為數(shù)字信號后輸入計(jì)算機(jī)，利用所建數(shù)學(xué)模型對采集到的信號進(jìn)行處理， 得出能量分布徑向均值艮，角向方差Da，以及分布縱橫比I，得到散射光的能量二維分布情 況，與計(jì)算機(jī)預(yù)先采集錄入的磁輥標(biāo)準(zhǔn)件粗糙度特征量表征參數(shù)數(shù)據(jù)庫值進(jìn)行比對，可對 被測磁輥粗糙度情況進(jìn)行判斷，并將判斷結(jié)果通過計(jì)算機(jī)顯示器顯示出來。此外，還可利 用圖像處理技術(shù)對不合格的被測磁輥測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，產(chǎn)生反映磁輥表面紋理形貌的圖 樣，為不合格磁輥下一步的重新噴砂再處理提供直觀的參考依據(jù)。本發(fā)明具有成本低、精度高、速度快、自動化程度高、可在線測量、無損非接觸式測 量等優(yōu)點(diǎn)，而且經(jīng)過改造，可用于測量多種工件表面的粗糙度，具有極大的普適性。

圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖示說明1.光學(xué)系統(tǒng)；2.半導(dǎo)體激光器；3.斬波器；4.半反半透鏡；5.凸透鏡； 6.成像屏；7.面陣CCD (Charge Coupled Device,電荷耦合器件)攝像頭；8.光學(xué)部件控制 系統(tǒng)；9.傳動裝置；10、15.支架；11.齒輪端護(hù)套；12.被測磁輥；13.可調(diào)節(jié)水平臺；14.導(dǎo) 電端護(hù)套；16.圖像采集卡；17.計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖就本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行說明。如圖1所示被測磁輥(12)水平放置在由支架(10、15)、齒輪端護(hù)套(11)、導(dǎo)電端 護(hù)套(14)組成的可調(diào)節(jié)水平臺(13)上，通過齒輪端護(hù)套(11)同傳動裝置(9)相連接并受 其控制，被測磁輥(12)圍繞軸向勻速轉(zhuǎn)動，通過調(diào)整支架高度，使被測磁輥(12)表面上緣 與光學(xué)系統(tǒng)(1)中的凸透鏡(5)焦平面相切。光學(xué)系統(tǒng)(1)中的半導(dǎo)體激光器(2)發(fā)出一 束激光，經(jīng)過斬波器(3)，通過水平面成45°角放置的半反半透鏡(4)，再經(jīng)凸透鏡(5)聚焦到被測磁輥(12)的表面。反射散射光再經(jīng)過凸透鏡(5)變成平行光，被半反半透鏡(4)反 射后，在成像屏(6)上成像。與此同時，光學(xué)部件控制系統(tǒng)(8)控制光學(xué)系統(tǒng)(1)延磁輥軸 向勻速移動，同時傳動裝置(9)控制磁輥(12)圍繞軸向勻速轉(zhuǎn)動。在此過程中，成像屏(6) 上所成的像被面陣CCD攝像頭(7)實(shí)時采集并生成視頻信號，經(jīng)圖像采集卡(16)轉(zhuǎn)為數(shù)字 信號后輸入計(jì)算機(jī)(17)，利用所建數(shù)學(xué)模型對采集到的信號進(jìn)行處理，得出能量分布徑向 均值艮，角向方差Da，以及分布縱橫比I，得到散射光的能量二維分布情況，與計(jì)算機(jī)(17) 預(yù)先采集錄入的磁輥標(biāo)準(zhǔn)件粗糙度特征量表征參數(shù)數(shù)據(jù)庫值進(jìn)行比對，可對被測磁輥粗糙 度情況進(jìn)行判斷，并將判斷結(jié)果通過計(jì)算機(jī)顯示器顯示出來。此外，還可利用圖像處理技術(shù) 對不合格的被測磁輥測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，產(chǎn)生反映磁輥表面紋理形貌的圖樣，為不合格磁 輥下一步的重新噴砂再處理提供直觀的參考依據(jù)。以下就測量原理進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。為了獲得更為精確的散射光的二維能量分布情況，本發(fā)明在光強(qiáng)分布上采用二維 分布統(tǒng)計(jì)，并引入三個特征量能量分布徑向均值E,，角向方差Da，以及分布縱橫比A,，以這 三個特征量表征二維散射光分布，由此得到二維散射測量方法。先確定光能量分布的中心點(diǎn)，無論徑向分布還是角向分布都以這一點(diǎn)為參考點(diǎn)。 對光強(qiáng)分布函數(shù)進(jìn)行歸一化，該歸一化函數(shù)就是能量分布隨機(jī)變量的聯(lián)合概率密度函數(shù)。 設(shè)信息采集系統(tǒng)采集到的原圖像函數(shù)為I (X，y)，對其進(jìn)行歸一化，得到光能量分布密度 光強(qiáng)分布的中心點(diǎn)為(Ex，Ey) 其中 相類地，有 在確定了參考原點(diǎn)后，就可以進(jìn)一步計(jì)算激光能量分布徑向均值艮和角向方差D, 以及分布縱橫比K參數(shù)。
為提高計(jì)算速度，縱橫比算法采用閾值最大最小比方法，即式(Eq-8)中(xt，yt)與 (xp, yp)分別代表區(qū)某一能量密度閾值。參數(shù)艮反映散射光能徑向分布的離散程度，它與表面不平高度相對應(yīng)；參數(shù)Da同 樣反映光能角向分布離散程度，它既與表面粗糙度有關(guān)又與表面形貌有關(guān)；4反映光能分 布的二維差異，它表明了微觀形貌的一致性，K越大，則表面在入射光斑尺度上垂直于最大 散射方向具有刨削紋理，I越接近于1，則表明在入射光斑尺度上表面的各向同性越好。因 此，這三個參數(shù)相結(jié)合就可以在測量不同表面粗糙度的統(tǒng)計(jì)值的同時，反映出粗糙表面的 形貌特征。實(shí)際應(yīng)用中，可對合格的各型號磁輥進(jìn)行測量，將所測艮、Da和kr參數(shù)值建立標(biāo)準(zhǔn) 數(shù)據(jù)庫作為參照，建立被測與數(shù)據(jù)庫參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)基于散射光強(qiáng)二維分布統(tǒng) 計(jì)的磁輥表面粗糙度測量。
權(quán)利要求
一種磁輥表面粗糙度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)部件控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括磁輥傳動系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)位于磁輥傳動系統(tǒng)上方，并受光學(xué)部件控制系統(tǒng)控制，光學(xué)系統(tǒng)形成的包含被測磁輥表面形貌信息的光信號恰好被數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)采集處理。
2.如權(quán)利要求1所述的磁輥表面粗糙度測量系統(tǒng)，其特征在于磁輥傳動系統(tǒng)包括傳 動裝置、支架、齒輪端護(hù)套、可調(diào)節(jié)水平臺、導(dǎo)電端護(hù)套，支架樹立于可調(diào)節(jié)水平臺的兩側(cè)， 其對應(yīng)位置分別安裝有齒輪端護(hù)套和導(dǎo)電端護(hù)套，兩護(hù)套在同一水平線上，傳動裝置和齒 輪端護(hù)套連接，用來帶動齒輪端護(hù)套轉(zhuǎn)動。
3.如權(quán)利要求1所述的磁輥表面粗糙度測量系統(tǒng)，其特征在于光學(xué)系統(tǒng)包括半導(dǎo)體 激光器、斬波器、半反半透鏡、凸透鏡、成像屏、面陣(XD(Charge Coupled Device，電荷耦合 器件)攝像頭，半導(dǎo)體激光器激光發(fā)射方向與水平面垂直，該半導(dǎo)體激光器下設(shè)置一斬波 器，該斬波器與水平面平行，該斬波器下設(shè)置一與水平面成45°角的半反半透鏡，半反半透 鏡下設(shè)置一與水平面垂直的凸透鏡，該凸透鏡光心通過由半導(dǎo)體激光器所發(fā)射激光光束的 光路中心，在垂直于水平面并與前述半反半透鏡成45°處設(shè)置一成像屏，面陣(XD攝像頭 位于成像屏正后方。全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁輥表面粗糙度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)部件控制系統(tǒng)、磁輥傳動系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射的激光聚焦到被測磁輥表面，反射散射光所成的像被面陣CCD采集，經(jīng)數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，得到能量分布徑向均值Er，角向方差Da以及分布縱橫比Ar三個特征參量，從而得到散射光的能量二維分布情況，進(jìn)而可對被測磁輥粗糙度情況進(jìn)行測量判斷。
文檔編號G01B11/30GK101865680SQ201010181650
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月25日
發(fā)明者馬克辛 申請人:富美科技有限公司