微孔粗糙度檢測設(shè)計方案

1、選題依據(jù)（包括課題的來源、研究目的、必要性和重要性、意義以及國內(nèi)外研究的技術(shù)現(xiàn)狀分析）一課題來源、研究目的、必要性和重要性、意義 課題旨在利用現(xiàn)代先進的光電子技術(shù)測量大曲率孔內(nèi)表面的粗糙度值，具體為一種基于漫散射量大曲率表面粗糙度檢測系統(tǒng)。 課題來源、必要性、重要性在于：隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進步和發(fā)展，各種超精度加工技術(shù)的出現(xiàn)，高質(zhì)量表面加工得以實現(xiàn)，從而對表面粗糙度側(cè)量提出了越來越高的要求。而且在一些高尖端技術(shù)領(lǐng)域，產(chǎn)品越來越多的呈現(xiàn)微型化的發(fā)展趨勢，其中大曲率器件在機械、儀表、航空、電子、生物醫(yī)療和紡織工業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。隨之而來的問題是如何對大曲率內(nèi)壁的表面粗糙度的檢驗，目前的比較常用的

2、方法測量大曲率內(nèi)壁表面的粗糙度的方法按照測量原理和實現(xiàn)方式的不同，一般可分為比較測量法、機械觸針法、電子顯微鏡法、光學(xué)法及其其它一些綜合測量方法等。然而在某些領(lǐng)域，比如在航空工業(yè)上，大飛機發(fā)動機和火箭發(fā)動器噴注器小孔直徑均在5mm以下，以上方法多少受到限制，比如用機械觸針法，很難伸入大曲率孔中，而生產(chǎn)更微型的探針則成本過高等。這些大曲率孔內(nèi)壁質(zhì)量直接影響到整個產(chǎn)品的使用性能和壽命，特別是對于運轉(zhuǎn)速度快、裝配精度高、密封性要求嚴且高溫作業(yè)下的產(chǎn)品，其影響作用表現(xiàn)得更加突出。課題意義在于，對于現(xiàn)有技術(shù)不足，提出一種基于漫散射量的大曲率孔內(nèi)壁粗糙度的檢測方法，實現(xiàn)大曲率孔內(nèi)壁粗糙度測量的高效，精確的

3、測量，可有效解決大曲率孔內(nèi)壁粗糙度檢測的實際要求。解決目前FOS-RIM型光纖表面粗糙度伸入式傳感器所不能伸入的微小孔內(nèi)壁粗糙度檢測要求，并能有效的判斷大曲率孔內(nèi)壁各個位置粗糙度是否符合要求。二國內(nèi)外研究的技術(shù)現(xiàn)狀分析 多年來，大曲率孔內(nèi)壁粗糙度的測量的問題始終是實驗和理論研究的重要課題之一。特別是上世紀70年代中后期，隨著計算機應(yīng)用的逐步普及和微電子技術(shù)、現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)和激光應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，大曲率粗糙度測量技術(shù)得到了一定的發(fā)展。粗糙度的測量方法包括接觸式和非接觸式兩類，由于，曲面和孔內(nèi)表面的粗糙度測量情況比較復(fù)雜和困難，例如：內(nèi)孔，溝槽，曲面軸孔，內(nèi)齒輪等零件孔內(nèi)表面粗糙度的測量，特別是面對微

4、小孔徑時，用接觸法很難操作且精度低，人為影響大。所以，目前，大曲率孔內(nèi)表面粗糙度的檢驗方法，更多的采用非接觸類非破壞性測量，其中更趨向于其中的光學(xué)測量法。而用非接觸式的光學(xué)測量法，則因為被測目標內(nèi)部空間較小，會限制光路的設(shè)計和元器件的空間安排，實現(xiàn)起來同樣困難重重。因此，長期以來孔內(nèi)表面粗糙度的測量一直是個難題，也是迫切需要解決的一個問題。目前孔內(nèi)表面粗糙度非破壞性測量的需求越來越迫切，口益成為發(fā)展趨勢之一，國內(nèi)外在這方面的研究可謂方興未艾。 如前所述，光散射法可以實現(xiàn)非接觸式、高分辨率的測量，在孔內(nèi)表面測量中很有優(yōu)勢。國內(nèi)電子科技大學(xué)的徐彧、張濤等人率先利用光散射原理開展了孔內(nèi)表面粗糙度測量

5、的研究工作。基于光散射的孔內(nèi)表面粗糙度測量儀工作原理如圖1所示，準直后的光束經(jīng)全反射棱鏡反射到試件孔內(nèi)表面，從被測表面上反射和散射的光斑及其分布情況由光電二極管陣列接收，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?jīng)后續(xù)信號處理，即得到所需的粗糙度評定參數(shù)。 圖1 孔內(nèi)表面粗糙度測量儀的結(jié)構(gòu)框圖 儀器的測量范圍為0.0051.6um，測量相對誤差<5%，重復(fù)測量不穩(wěn)定性小于，可對多種機械加工零件的孔內(nèi)表面進行非接觸在線檢測。但是其可實現(xiàn)測量的內(nèi)孔徑在100mm左右甚至更大，并不能滿足直徑不大于5mm大曲率孔內(nèi)表面粗糙度測量。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的孫學(xué)斌針對細桿內(nèi)腔空間狹小的特殊性選擇了光散射法的測量方法。并根據(jù)B

6、eckmann等人的光散射理論模型，設(shè)計出如圖2所示小孔徑孔內(nèi)表面粗糙度測量系統(tǒng)。接收器接收經(jīng)粗糙孔內(nèi)表面調(diào)制后的散射光強，而由光散射理論模型得出其與粗糙度表示值線性關(guān)系。因此在加工方式相同的情況下，通過標定它們之間的比例系數(shù)就可以由接收的散射光強值推導(dǎo)出值。此儀器總長度為182mm，測量處最大外徑為14mm，測量范圍為11.014.7nm，經(jīng)過實驗驗證，測量結(jié)果能達到較高的精度，所以能實現(xiàn)多種零件孔內(nèi)表面粗糙度測量。但是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且要求工件要獨立測量，所以測量的孔徑必須至少大于14mm，對于大曲率并不適合。圖2測量系統(tǒng)光路設(shè)計圖 D.Lu，F(xiàn).Yuan和Z.Chen基于Beckmann的

7、散射模型，提出了一種光斜入射被測表面的孔內(nèi)表面粗糙度測量光纖傳感器，其工作原理如圖3所示，激光器5出射的激光束由光纖禍合器4禍合進入光纖3傳導(dǎo)，GRIN透鏡2對其準直后，經(jīng)反射鏡1反射以約45°入射被測表面8，散射光信號經(jīng)光纖7傳導(dǎo)，最終被光電探測器6接收。結(jié)果表明該測量方法適用于均方根粗糙度值 >200nm的光滑表面的測量。其所能測量的孔徑也受光纖傳感器探頭大小的影響，所以孔徑不能太小。但是改儀器提供了一種全新的測量方式和思維方式，基于光散射斜射入光纖傳感器粗糙度測量方式。圖3光纖傳感器工作原理示意圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的徐曉梅同樣基于光漫射模型，開發(fā)了一種深入孔內(nèi)，對孔孔內(nèi)表面

8、粗糙度進行測量的系統(tǒng)：反射式強度調(diào)制型光纖傳感器孔孔內(nèi)表面檢測系統(tǒng)。其原理如圖4所示，基本測量原理是激光器發(fā)出的光禍合連接進入光纖傳感器的輸入端，即發(fā)送光纖，而傳感器的探測端軸線垂直被測表面，這樣發(fā)送光纖出射的光即垂直入射被測表面，光線與被測表面相互作用后，返回的散射光攜帶有被測表面的輪廓信息被接收光纖接收，傳感器兩輸出端將鏡向散射信息和漫散射信息分路輸出至探測器端。光電二極管將帶有被測表面信息的光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后對電信號進行濾波放大預(yù)處理，進而通過A/D轉(zhuǎn)化，模擬擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到計算機內(nèi)，以待進一步處理。實驗驗證該系統(tǒng)可實現(xiàn)5mm以上孔孔內(nèi)表面粗糙度的非破壞性測量，有較高的

9、精度，能夠?qū)崿F(xiàn)Ra從0.04um到0.45um較大范圍內(nèi)不同直徑孔內(nèi)表面粗糙度的非破壞性測量。雖然，在孔徑測量范圍足夠小，但是，由于傳感頭設(shè)計復(fù)雜且要求高，成本高，并且檢測操作亦復(fù)雜，無法實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)，無法在線，快速檢測。圖4 孔內(nèi)表面粗糙度測量實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 除了通過光路設(shè)計實現(xiàn)孔內(nèi)表面粗糙度的測量外，非表面粗糙度測量的其它一些孔內(nèi)表面測量方法非常值得借鑒。 北京航空航天大學(xué)的張廣軍等人，針對內(nèi)部空間為520mm的工件孔內(nèi)表面，基于光學(xué)三角法測量原理，搭建了一套應(yīng)用結(jié)構(gòu)光三維視覺檢測技術(shù)的測量系統(tǒng)，對微小型構(gòu)件孔內(nèi)表面進行三維形貌檢測研究，其工作原理如圖5所示，由CCD攝像頭采集孔內(nèi)帶有

10、光條的場景成像，由此通過密集檢測被測孔內(nèi)表面的點坐標以恢復(fù)其三維形貌。實驗結(jié)果表明，該測量系統(tǒng)可以對較小工件的孔內(nèi)表面進行自動、實時的測量。但是該測量系統(tǒng)的單點坐標測量誤差在2050mm，還不能滿足表面粗糙度測量精度的要求，需要進一步提高其分辨率和測量精度。圖5 視覺傳感器測量原理示意圖 德國ISIS Sentronic GmbH公司基于譜相關(guān)干涉測量技術(shù)和光纖傳感技術(shù)己經(jīng)開發(fā)出一系列成熟地商業(yè)設(shè)備RayDex系列孔內(nèi)表面測量儀，其傳感頭最小直徑可達1 mm左右，能夠進行各種結(jié)構(gòu)孔內(nèi)表面的尺寸和表面粗糙度測量。但是這種儀器價格昂貴，在人民幣百萬元以上，且實驗條件要求很高，只適用于抽樣檢測和實驗

11、室研究用，應(yīng)用范圍受到很大限制。 綜上，光纖傳感器因具有尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活、易于小型化和集成化的特點，是解決小零件孔內(nèi)表面粗糙度非破壞性測量難題一條有效途徑。其中RIM-FOS具有具有原理簡單、設(shè)計靈活、經(jīng)濟性好、易于系統(tǒng)小型化和集成化等特點，而且己經(jīng)在表面粗糙度測量方面得到了廣泛應(yīng)用。但是，由于大曲率（如孔徑不大于5mm）孔徑小于大部分光纖傳感器探頭，且內(nèi)部空間復(fù)雜狹小，不易復(fù)雜的操作，所以，目前測量大曲率孔內(nèi)表面粗糙度的方法多為通過顯微鏡放大后目測，這種方式人為因素影響大，不適合在線、實時、快速檢測大曲率孔內(nèi)表面粗糙度。課 題 研 究 方 案(包括具體的研究目標、研究內(nèi)容和擬解決的

12、關(guān)鍵問題；擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實驗方案及可行性分析）1.具體研究目標、研究內(nèi)容：本課題是基于漫散射量大曲率孔內(nèi)表面粗糙度檢測系統(tǒng)的研究，該系統(tǒng)是集光、機、電為一體的復(fù)雜系統(tǒng)?；诠馍⑸淠Ｐ偷脑硎墙?jīng)大曲率孔內(nèi)表面調(diào)制后的激光產(chǎn)生的空間散射量與大曲率孔內(nèi)表面粗糙度相關(guān)，且呈非線性關(guān)系。本課題擬通過理論與實驗相結(jié)合的方法獲得不同加工工藝所獲得的表面粗糙度與散射光的關(guān)系模型，進而通過測量激光光源在大曲率孔內(nèi)表面的散射量及散射量與粗糙度的關(guān)系模型，實現(xiàn)毫米級大曲率孔內(nèi)表面粗糙度的快速、精確測量?；诠馍⑸浞椒ㄟM行表面粗糙度的測量，根據(jù)接收空間散射量的角度的不同，又分為以下兩類：）通過測量鏡面反

13、射方向的光強，并與入射光強進行比較來確定粗糙度數(shù)值，這種方法被稱為鏡面反射法；）測量整個散射空間的散射光強分布，通過計算整個散射空間的散射光分布或者求出散射光與入射光關(guān)系來確定表面粗糙度的數(shù)值。本課題基于第二種測量方法，目的是使得系統(tǒng)設(shè)計的光纖傳感器探頭在不伸入大曲率的條件下，測量整個散射空間的散射光強分布。從而實現(xiàn)目前測量毫米級大曲率孔內(nèi)表面粗糙度的難題。對于大曲率孔內(nèi)表面粗糙度的測量，目前擬采用比較法進行，即將未經(jīng)調(diào)制的信號和經(jīng)調(diào)制后的信號進行對比（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補償法），從而消除系統(tǒng)噪聲。對于測量系統(tǒng)，通過三自由度自動測量平臺的設(shè)計，結(jié)合微信號處理電路的研究，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的自動化采集、分析與

14、處理，最終實現(xiàn)大曲率孔內(nèi)表面粗糙度的快速、準確測量，大大提高檢測效率?；诼⑸淞康拇笄士變?nèi)表面粗糙度測量系統(tǒng)的研究內(nèi)容主要包含以下幾個方面的關(guān)鍵技術(shù)研究：1） 孔內(nèi)表面粗糙度測量系統(tǒng)總體架構(gòu)的設(shè)計與研究；2） 光纖式漫散射量傳感器結(jié)構(gòu)與測量原理的研究；3） 漫散射量微弱信號測量電路的設(shè)計與研究；4） 孔內(nèi)表面粗糙度測量系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。擬解決的關(guān)鍵問題如下： 1）系統(tǒng)總體架構(gòu)的設(shè)計與研究包括光纖傳感器端面結(jié)構(gòu)設(shè)計和三維運動工作臺的搭建； 2）光電探測系統(tǒng)的設(shè)計包括去噪、低通濾波、放大電路，用于提高信噪比； 3）開發(fā)檢測系統(tǒng)程序，能實時顯示測量結(jié)果并完成非曲線關(guān)系的擬合； 4）最后

15、的調(diào)試運行，標定，與實用化。2.擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實驗方案及可行性分析：針對毫米級大曲率孔內(nèi)表面表面粗糙度的測量，本課題擬采用的設(shè)計方案和研究方法如下。圖6、7為總體設(shè)計邏輯示意圖和總體結(jié)構(gòu)示意圖。激光發(fā)射器發(fā)射激光經(jīng)光纖耦合器耦合到RIM-FOS傳感器中出射，激光射到大曲率孔內(nèi)表面經(jīng)調(diào)制后發(fā)生光散射現(xiàn)象，再由光電探測器采集空間光散射分布信息，再由測量電路變成模擬信號電壓值，由數(shù)據(jù)采集卡采集到計算機中處理。同時計算機控制驅(qū)動器，就實現(xiàn)自動在線快速檢測大曲率孔內(nèi)表面粗糙度值。圖8為基于漫散射量的大曲率孔內(nèi)表面粗糙度的檢測系統(tǒng)的局部結(jié)構(gòu)原理圖，該系統(tǒng)集光、機、電、計算機為一體。系統(tǒng)采用兩

16、路接收端比值法，以消除部分系統(tǒng)誤差，所以特制RIM-FOS傳感器端面結(jié)構(gòu)設(shè)計采用雙束型，如圖9所示，中心出為激光發(fā)射端，一、二圈為兩接收端，夾具安裝在三維工作臺上，可實現(xiàn)任意位置定位中心光纖為發(fā)射端，發(fā)出的激光經(jīng)大曲率孔內(nèi)表面調(diào)制后，由兩圈接受光纖組接收，如圖所示，經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換成U1，U2值。圖9中選擇的光纖端面為纖芯不等式，這種形式的的三光纖傳感器不但線性范圍和線性度等特性相比光纖對傳感器可得到較好的改善，而且可有效地消除光功率波動和反射面反射率的變化等因素對測量精度的影響。圖8中，夾具可調(diào)整入射角在30°60°之間，且特制傳感器軸線與大曲率軸線在同一水平面，自聚焦棒

17、用來聚焦激光發(fā)射器發(fā)出的激光，使其更好的和入射光纖耦合，兩路接收光纖接收散射量，經(jīng)由光電探測器接收，轉(zhuǎn)換成微弱電壓值。由于光散射量傳輸?shù)恼麄€過程處于密閉空間，所以能此電壓值能完全反應(yīng)大曲率孔內(nèi)表面粗糙度值。再由放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、上位機CPU處理，完成放大、去噪、濾波處理、數(shù)據(jù)處理后，顯示單次測量結(jié)果值。與此同時上位機控制三維工作臺運行，完成對同一大曲率不同測量點的重復(fù)性測量，并獲得結(jié)果，最終處理數(shù)據(jù)，獲得最合理的粗糙度值。以此類推，就可完成所有大曲率孔內(nèi)表面粗糙度值的測量。圖 6 總體設(shè)計邏輯示意圖圖7 總體結(jié)構(gòu)示意圖圖8檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖圖9 光纖傳感器端面結(jié)構(gòu)示意圖本課題理論證明

18、可行性分析：基于漫散射量的光纖傳感器斜射入大曲率孔內(nèi)表面粗糙度的理論可行性證明：1. 兩組接收光纖（下面章節(jié)有介紹）接收的光強，照射在光電池上產(chǎn)生微電壓，再經(jīng)過光電探測器的放大和濾波產(chǎn)生相應(yīng)的電壓和（可檢測出和的值）。設(shè)定它們的比值（：兩組接收光纖接收的光強比）為，則有關(guān)系式： 。2. 而影響值的因素包括宏觀和微觀上，其表達公式為 （：宏觀光強調(diào)制函數(shù)；：微觀光強調(diào)制函數(shù)）3. 求解 宏觀光強調(diào)制函數(shù) ：由宏觀結(jié)構(gòu)分析（其中：第二組接收光纖與發(fā)射光纖的結(jié)構(gòu)光強調(diào)制函數(shù)；：第一組接收光纖與發(fā)射光纖的結(jié)構(gòu)光強調(diào)制函數(shù)。）： 由于求解過程一樣，故只用表示它們 其中 ：光纖接收有效面積； ：由（：接收

19、點與光斑中心的距離），（：接收光纖端面與散射面的距離）和（：激光入射角）三個參數(shù)決定的接收點光強表達式。4. 求解 微觀光強調(diào)制函數(shù) ： 根據(jù)B_K散射模型及原理（：接收方向的散射平均功率；：漫散射平均功率），在本專利的初始條件即激光入射角=下：和 其中： ：光滑表面的散射系數(shù)； ：粗糙度相關(guān)值； ：激光波長值； ：表面相關(guān)長度； ：散射發(fā)生處的區(qū)域矩形面積；簡化有，其中：由參數(shù)決定的系數(shù)；：由參數(shù)決定的系數(shù)。5. 將公式（3）代入公式（2）中，則，再由上述結(jié)論1和2可知，只與有關(guān)，且呈非線性關(guān)系，同時由公式（1）可知的比值只與有關(guān)，且呈非線性關(guān)系，所以，綜上， 本課題實驗步驟可以初步設(shè)定為以

20、下步驟：1）將激光發(fā)射器，光電探測器導(dǎo)通電源，預(yù)熱10-30分鐘；2）將已知大曲率內(nèi)壁粗糙度的標準樣塊放置在工作臺上，并用夾具固定，調(diào)整三維工作臺，使RIM_FOS傳感器發(fā)射激光在經(jīng)過大曲率軸線的平面上，與樣塊間距為2-4mm，并調(diào)整傳感器夾具使RIM_FOS傳感器與水平面呈45°；3）由光電傳感器采集激光經(jīng)樣品塊大曲率內(nèi)部粗糙度調(diào)制后的兩組光通量，將數(shù)據(jù)處理后保存于上位機中；4)選擇若干已知大曲率內(nèi)壁粗糙度的標準樣塊，重復(fù)步驟2）3），上位機將所得數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)兩組光電流的比值與標準樣塊大曲率內(nèi)壁的粗糙度的標定；5）將步驟2）中的樣塊換成待測樣塊，重復(fù)步驟2）3），將所得數(shù)據(jù)與步驟4）標定數(shù)據(jù)經(jīng)行對比，實現(xiàn)對待測大曲率內(nèi)部粗糙度的評定。研 究 基 礎(chǔ)(包括與本項目有關(guān)的研究工作積累和已取得的研究工作成績；課題研究現(xiàn)有的基礎(chǔ)和已具備的實驗條件，可能遇到的困難或問題和擬解決的途徑和措施等)。目前，本課題已初步完成了RIM-