[發明專利]一種在線測量工件表面粗糙度的光學測量系統及方法

在審

• 申請號: 202010095593.X
• 申請日: 2020-02-17
• 公開（公告）號: CN111336956A
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 郭瑞鵬;邊棟梁;趙敏;姚敏
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01B11/30
• 分類號: G01B11/30
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 孟紅梅

本發明提供了一種在線測量工件表面粗糙度的光學測量系統及方法，測量系統包括激光器，透明窗模擬系統，采集屏以及數據采集和處理系統。透明窗模擬系統借助透明液體沖開冷卻液，在待測工件表面上方沖出一個透明區域，使得測量激光束能夠通過冷卻液覆蓋層到達待測工件表面實現測量。測量方法為：準直激光束通過透明窗模擬系統產生的透明測量區域，以一定角度斜入射到待測工件表面；拍攝位于激光束反射方向上的采集屏上的散射圖像，提取出特征參數；利用特征參數和表面粗糙度之間的標定曲線，計算粗糙度數值。本發明通過在工件表面創造出一塊透明測量區域，可以實現冷卻液加工條件下的工件表面質量的在線檢測。

技術領域

本發明涉及一種在線測量工件表面粗糙度的光學測量系統及方法，尤其適用于冷卻液環境下金屬工件表面粗糙度的在線檢測。

背景技術

工件表面的在線檢測是指在加工工件的過程中，同時檢測工件的質量。它可以主動地檢測工件加工的質量情況并反饋給控制系統，從而形成閉環系統來控制整個加工過程，可極大地提高生產率并保證產品質量。

現代制造行業中，工件的加工通常都要在冷卻液環境下進行。目前在冷卻液條件下對工件表面的在線檢測主要有超聲波方法和光學方法。Shin Y.C.等使用聚焦超聲波束實現表面粗糙度的在線檢測。但超聲波是一種機械波，其測量分辨率不夠，而且，其測量參數為平均效應參數，不能用于高精度表面的測量。董敏等使用光纖傳感器作為激光束的載體，將光纖浸入冷卻液中完成測量。但工件的轉動及其尺寸的減小可能會引起探頭附近冷卻液的變化，從而影響測量結果。此外，還可以用壓縮空氣噴吹被測表面以消除冷卻液的影響，但該方案容易在被測表面形成霧氣。

綜上，針對冷卻液環境下對工件表面在線測量的難題，不少學者提出了一些解決方案，但是這些方案都存在著某些不足，未能完全解決該問題。尤其是在光學測量方法中，由于冷卻液的不透明性阻礙了光束的傳播，限制了光學方法在工件表面在線測量中的應用。

發明內容

發明目的：本發明的目的是針對上述現有技術存在的問題，提供一種在線測量工件表面粗糙度的光學測量系統及方法，以能夠實現冷卻液環境下加工工件表面粗糙度的光學在線測量，從而提高生產率并保證產品質量。

技術方案：本發明為實現上述目的，采用如下技術方案：

一種在線測量工件表面粗糙度的光學測量系統，包括：激光器，透明窗模擬系統，采集屏，數據采集和處理系統。其中，激光器用于發出準直激光束，透明窗模擬系統用于模擬冷卻液環境下的透明窗測量方法，包括：冷卻液儲液罐、冷卻液泵、冷卻液流量計、冷卻液接頭、冷卻液連接管、透明液體儲液罐、透明液體泵、透明液體流量計、透明液體接頭、透明液體連接管和透明窗模擬裝置，所述冷卻液儲液罐、冷卻液泵、冷卻液流量計和冷卻液接頭通過冷卻液連接管依次串聯，冷卻液接頭設置于透明窗模擬裝置的端板；透明液體儲液罐、透明液體泵、透明液體流量計和透明液體接頭通過透明液體連接管依次串聯，透明液體接頭設置于透明窗模擬裝置的底板；待測工件位于透明窗模擬裝置的底部；采集屏用于采集攜帶有金屬表面粗糙度信息的散射圖像，數據采集和處理系統用于拍攝采集屏上的散射圖像并計算得到粗糙度數值。

所述的透明窗模擬裝置由端板、側板、底板和透明頂板構成一個相對封閉的腔體，冷卻液填充在透明頂板和底板之間的空間內，通過調整冷卻液和透明液體的流量使得待測工件表面上方至透明窗模擬裝置頂板之間形成透明區域；使用后的冷卻液和透明液體從透明窗模擬裝置的出水口排出。所述的數據采集和處理系統包括：拍攝成像單元和數據處理單元，其中：拍攝成像單元用于拍攝采集屏上的散射圖像并輸出至數據處理單元；數據處理單元用于對圖像進行處理提取特征參數，得出標定曲線以及粗糙度數值。

一種在線測量工件表面粗糙度的光學測量方法，包括如下步驟：