粗糙度測量裝置和方法與流程

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本發(fā)明涉及粗糙度測量領域，特別涉及一種粗糙度測量裝置和方法。

背景技術：

在機械學中，粗糙度指加工表面上具有的較小間距和峰谷所組成的微觀幾何形狀特性。表面粗糙度一般是由材料本身的物理性質和所采用的面加工方法所形成的。由于材料的不同特點及加工方法的不同，造成被加工表面微觀幾何形狀有差別。表面粗糙度與機械零件的配合性質、耐磨性、疲勞強度、接觸剛度、振動和噪聲等有密切關系，對機械產品的使用壽命和可靠性有重要影響。因此，對物體表面粗糙度的測量在機械加工中有著重要的意義。

常見的物體表面粗糙度的測量方法有比較法、印模法、觸針法、干涉法、光切法等。

在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術至少存在以下問題：

現(xiàn)有的表面粗糙度測量方法多有各自的不足，如比較法不夠準確，印模法要配合其它測量法才能起作用，觸針法和光切法效率較低，干涉法裝置較為復雜等。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術中各表面粗糙度測量方法存在的問題，本發(fā)明實施例提供了一種粗糙度測量裝置和方法。所述技術方案如下：

第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種粗糙度測量裝置，所述粗糙度測量裝置包括：不透光箱體、激光源、光強檢測單元、動力機構和信號處理單元；

所述不透光箱體的底板用于放置待測物體，所述激光源設置在所述箱體內，且所述激光源的出光方向與所述底板垂直，所述光強檢測單元與所述動力機構相連，在所述動力機構帶動下沿預定軌道運動，所述預定軌道為半圓形，所述半圓形處在垂直于所述底板的平面內，所述半圓形的圓心為所述激光源發(fā)出的激光照射在所述待測物體上的光斑的中心；

所述信號處理單元用于獲取所述光強檢測單元的檢測信號，所述檢測信號包括所述光強檢測單元在不同角度處檢測的光強，所述角度為所述光斑的中心與所述光強檢測單元的連線與所述激光間的夾角；根據(jù)所述光強檢測單元在不同角度處檢測的光強確定所述待測物體表面的粗糙度。

在本發(fā)明實施例的一種實現(xiàn)方式中，所述信號處理單元用于采用如下公式計算所述待測物體表面的粗糙度：

其中，

σ為所述待測物體表面的粗糙度，N為所述光斑內微平面數(shù)量，所述光斑內微平面分為n組，第i組微平面的法線角為θ_i，第i組微平面中微平面的數(shù)量為n_i；

I＝SUM{I₁,I₂,…,I_n}，I_i為第i組微平面對應的散射光強，i＝1，2，……n。

在本發(fā)明實施例的另一種實現(xiàn)方式中，所述動力機構包括搖臂和電機，所述電機設置在所述底板上，所述搖臂的一端垂直連接在所述電機的輸出軸的側壁上，所述搖臂的另一端上設有所述光強檢測單元。

在本發(fā)明實施例的另一種實現(xiàn)方式中，所述搖臂包括第一連接臂和第二連接臂，所述第一連接臂的一端垂直連接在所述電機的輸出軸的側壁上，所述第一連接臂的另一端與所述第二連接臂的一端垂直連接，所述第二連接臂上設置有所述光強檢測單元，所述第二連接臂平行于所述底板；

或者，所述搖臂為一弧形搖臂。

在本發(fā)明實施例的另一種實現(xiàn)方式中，所述電機為步進電機。

在本發(fā)明實施例的另一種實現(xiàn)方式中，所述不透光箱體還包括頂板和側壁，所述側壁與所述頂板為一體化設計，所述側壁可拆卸安裝在所述底板上。

在本發(fā)明實施例的另一種實現(xiàn)方式中，所述底板、頂板和側壁均采用黑色材料制成。

在本發(fā)明實施例的另一種實現(xiàn)方式中，所述信號處理單元包括模數(shù)轉換子單元和處理子單元，所述模數(shù)轉換子單元分別與所述光強檢測單元及所述處理子單元連接。

第二方面，本發(fā)明實施例還提供了一種粗糙度測量方法，所述方法基于第一方面提供的粗糙度測量裝置實現(xiàn)，所述方法包括：

獲取所述光強檢測單元的檢測信號，所述檢測信號包括所述光強檢測單元在不同角度處檢測的光強，所述角度為所述光斑的中心與所述光強檢測單元的連線與所述激光間的夾角；

根據(jù)所述光強檢測單元在不同角度處檢測的光強確定所述待測物體表面的粗糙度。

在本發(fā)明實施例的一種實現(xiàn)方式中，所述根據(jù)所述光強檢測單元在不同角度處檢測的光強確定所述待測物體表面的粗糙度，包括：

采用如下公式計算所述待測物體表面的粗糙度：

其中，

I＝SUM{I₁,I₂,…,I_n}，I_i為第i組微平面對應的散射光強，i＝1，2，……n。

本發(fā)明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是：

本發(fā)明通過在不透光箱體內，采用激光對待測物體進行照射，由于待測物體存在隨機分布的微平面，因而會產生散射光，不同角度的微平面產生的散射光的角度不同，同角度上的微平面數(shù)量決定這個方向上的散射光的強度，因此，根據(jù)光強檢測單元在不同角度處檢測的光強，即可確定待測物體表面上微平面的取向分布(也即角度分布)，本發(fā)明采用這種取向分布的一致性作為物體表面的粗糙度。上述測量方法相對于比較法精度更高，無需和其他方法配合使用，測量效率高，且裝置簡單。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實施例提供的一種粗糙度測量裝置的剖面圖；

圖2是本發(fā)明實施例提供的一種粗糙度測量裝置的剖面圖；

圖3是本發(fā)明實施例提供的粗糙度測量裝置的電路框圖；

圖4A是待測物體表面的示意圖；

圖4B是待測物體表面的反射示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例提供的粗糙度測量方法的流程圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。

圖1和圖2分別是本發(fā)明實施例提供的一種粗糙度測量裝置在兩個不同方向上的剖面圖，參見圖1和圖2，粗糙度測量裝置包括：不透光箱體10、激光源20、光強檢測單元30和動力機構40。圖3是本發(fā)明實施例提供的粗糙度測量裝置的電路框圖，參見圖3，粗糙度測量裝置還包括信號處理單元50。

不透光箱體10的底板100用于放置待測物體101，激光源20設置在箱體內，且激光源20的出光方向與底板100垂直，光強檢測單元30與動力機構相連，在動力機構40帶動下沿預定軌道300運動，預定軌道300為半圓形，半圓形處在垂直于底板100的平面內，半圓形的圓心為激光源20發(fā)出的激光照射在底板100上的光斑的中心。光斑通常為圓形，光斑的中心即圓心。

信號處理單元50用于獲取光強檢測單元30的檢測信號，檢測信號包括光強檢測單元30在不同角度處檢測的光強，角度為光斑的中心與光強檢測單元30的連線與激光間的夾角；根據(jù)光強檢測單元30在不同角度處檢測的光強確定待測物體101的表面的粗糙度。

另外，激光源取單一頻率的激光源，以消除色散的不利影響。

本發(fā)明利用了光在粗糙物體表面的散射進行粗糙度的檢測。如圖4A所示，待測物體粗糙的表面在宏觀來看是一個平面(圖4A中A所示)，但在微觀下是由多個微平面(圖4A中B所示)組成，微平面的法線方向隨機分布。待測物體的表面為粗糙反射面，單個微平面對入射光滿足光線反射定律，因此入射光反射產生反射光，但多個微平面由于其各自法線的不同，光線反射的方向也不同，在宏觀來看就形成了散射(多角度散射光)，如圖4B所示。并且物體表面越粗糙，散射現(xiàn)象就越嚴重。

其中，光強檢測單元30可以為PIN光電二極管(也稱為PIN(P型層、本征層和N型層)結二極管)或者其他光強檢測電路。

在本發(fā)明實施例的一種實現(xiàn)方式中，信號處理單元50用于采用待測物體101表面的微平面的一致性，即微平面的法線方向角標準差σ，定義該平面物體表面的粗造度。

具體地，信號處理單元50用于采用如下公式計算待測物體101的表面的粗糙度：

其中，

σ為待測物體101的表面的粗糙度，N為光斑內微平面數(shù)量，光斑內微平面按照法線方向分為n組，每組微平面產生的散射光照射到預定軌道300的同一位置，每組微平面的朝向近似相同，即其法線角近似相等，第i組微平面的法線角為θ_i，θ_i為法線與底板(或待測物體表面所處平面)的夾角，第i組微平面中微平面的數(shù)量為n_i；

第i組微平面對應的散射光的角度為2θ_i，2θ_i的取值范圍為[-π/2,π/2]；

即第1組微平面對應的散射光的角度為-π/2，第n組微平面對應的散射光的角度為π/2。

第i組微平面的數(shù)量與第i組微平面對應的散射光強存在線性關系，因此可以利用光強計算σ。I＝SUM{I₁,I₂,…,I_n}，I_i為第i組微平面對應的散射光強，i＝1，2，……n。

在理想情況下，平均微平面法線角(n_i,i)呈正態(tài)分布，即待測物體表面各向同性。

如圖2所示，光強檢測單元30在a、b兩個位置對應的θ_i不同，檢測到的光強也可能不同。光強檢測單元30沿著預定軌道300運動，從而能夠檢測到[-π/2,π/2]范圍內的光強，-π/2和π/2分別對應圖中c和d的位置。值得說明的是，由于待測物體101表面宏觀來看可視為平面，其上光學各向同性，因此上述測量過程只考慮了其中一個面，即預定軌道300所在平面。為了進一步提高檢測角度，也可以在測量過程中，以光斑中心為圓心轉動待測物體101，以檢測不同平面內的粗糙度，然后計算其均值。

采用上述方式計算出的粗糙度σ表示待測物體表面上微平面的取向分布，物體表面越光滑，粗糙度σ越??；物體表面越粗糙，粗糙度σ越大。

在本發(fā)明實施例中，信號處理單元50根據(jù)微平面分組數(shù)量n在檢測信號中進行采樣，得到I_i，i＝1，2，……n。

具體地，參見圖3，在本發(fā)明實施例中，信號處理單元50包括模數(shù)轉換子單元51和處理子單元52，模數(shù)轉換子單元51分別與光強檢測單元30及處理子單元52連接。模數(shù)轉換子單元51用于對光強檢測單元30的檢測信號采用，采樣時間由處理子單元52。處理子單元52根據(jù)光強檢測單元30的運動軌跡和速度，控制模數(shù)轉換子單元51每隔π/(n-1)的角度采樣一次。

在本發(fā)明實施例中，處理子單元52還用于采用如下方式計算物體表面粗糙度的理論誤差Δ：

進一步地，信號處理單元50還用于比較待測物體101的表面的粗糙度σ與各個標準塊的表面的粗糙度的大?。贿x出各個標準塊中表面的粗糙度與σ值最接近的標準塊；確定標準塊的輪廓算數(shù)平均差值Ra、微觀不平度十點高度Rz、輪廓最大高度Ry和其他評定參數(shù)中的至少一種；將標準塊的輪廓算數(shù)平均差值Ra、微觀不平度十點高度Rz、輪廓最大高度Ry和其他評定參數(shù)中的至少一種，確定為待測物體101的Ra、Rz、Ry和其他評定參數(shù)中的至少一種。

其中，比較待測物體101的表面的粗糙度σ和標準塊的表面的粗糙度均可以通過多次測試取平均值的方式完成。多次測試可以照射在待測物體101和標準塊的表面的不同區(qū)域。

在一種實現(xiàn)方式中，信號處理單元50設置在不透光箱體10內部；在另一種實現(xiàn)方式中，信號處理單元50設置在不透光箱體10外部，箱體側壁設置有接線孔，信號處理單元50通過接線孔中的連接線與光強檢測單元30連接。該接線孔在穿過連接線后密封處理，避免漏光。

進一步地，該裝置還包括顯示器，用于顯示信號處理單元50確定出的粗糙度。

在本發(fā)明實施例中，動力機構40包括電機41和搖臂42，所述電機41設置在所述底板100上，所述搖臂42的一端垂直連接在所述電機41的輸出軸的側壁上，所述搖臂42的另一端上設有所述光強檢測單元30。

在一種可能的實現(xiàn)方式中(如圖1所示)，搖臂42包括第一連接臂421和第二連接臂422，第一連接臂421的一端垂直連接在電機41的輸出軸的側壁上，第一連接臂421的另一端與第二連接臂422的一端垂直連接，第二連接臂422的另一端上設有光強檢測單元，第二連接臂422平行于底板100。其中，第一連接臂421和第二連接臂422可以為圓桿或方形桿，第一連接臂421和第二連接臂422既可以采用可拆卸連接，也可以采用一體化設計。

在本發(fā)明實施例中，信號處理單元50與光強檢測單元30通過連接線連接，連接線沿第二連接臂422和第一連接臂421設置，由于連接線會隨著第二連接臂422和第一連接臂421轉動，因而可以將連接線分為兩段，通過電刷等滑動接觸件連接，從而在電機轉動時不發(fā)生扭曲。

進一步地，處理子單元52還與電機41電連接，用于控制電機41按設定的角速度轉動。

進一步地，該裝置還包括設置在底板100上的墊板102，待測物體101設置在墊板102上，從而保證第一連接臂421轉動所繞的圓心與待測物體101表面對齊，使得光強檢測單元30在運動軌跡上各點到光斑距離相等，避免檢測距離對散射光光強的影響。

在另一種可能的實現(xiàn)方式中，搖臂42為一弧形搖臂。

在本發(fā)明實施例中，電機41可以為步進電機。

在本發(fā)明實施例中，不透光箱體10還包括頂板和側壁，側壁與頂板為一體化設計，側壁可拆卸安裝在底板100上，方便拆卸和待測物體101的裝配，以及能夠保證不透光。

在本發(fā)明實施例中，底板100、頂板和側壁均采用黑色材料制成，在避免漏光的同時，防止光在不透光箱體10內來回反射。

進一步地，在本發(fā)明實施例中，不透光箱體10的形狀不限于圖示的長方體，還可以是圓柱體等。

圖5是本發(fā)明實施例提供的一種粗糙度測量方法的流程圖，該方法基于前文提供的粗糙度測量裝置實現(xiàn)，參見圖5，該方法包括：

步驟201：獲取光強檢測單元的檢測信號，檢測信號包括光強檢測單元在不同角度處檢測的光強，角度為光斑的中心與光強檢測單元的連線與激光間的夾角。

步驟201：根據(jù)光強檢測單元在不同角度處檢測的光強確定待測物體表面的粗糙度。

在一種可能的實現(xiàn)方式中，根據(jù)光強檢測單元在不同角度處檢測的光強確定待測物體表面的粗糙度，包括：