智能型表面粗糙度在线检测系统的研制.doc

智能型表面粗糙度在线检测系统的研制
可行性研究报告
一、立项的背景和意义
表面粗糙度是机械加工中描述表面微观几何形貌最常用的参数，是精密计量、机器和仪器零件加工的一项重要指标，它反映的是机械零件表面的微观几何形状误差，对工件的使用寿命和工作性能有着直接而重要的影响，在机械、电子、光学领域中起着重要作用。在工业中准确、完整地测量表面粗糙度是保证产品质量的重要条件。目前，工件表面粗糙度仍然采用离线测量的方法，由于不能及时发现加工过程中表面粗糙度的恶化，经常会导致废品出现，这已成为阻碍机械加工高度自动化、智能化的瓶颈。合理的评价表面粗糙度，对于产品质量的评定、机械性能的分析和加工条件的改善都具有重要的意义，研究并测试表面粗糙度是生产加工领域一个很重要的研究方向。对工件表面粗糙度进行客观、科学的检测和评定，已成为加工领域中的一个重要课题。
工件表面粗糙度的测量，主要采用基于接触式的触针法和基于非接触式的光学方法。触针法是将一个很尖的触针垂直安置在被测表面上作横向移动，触针随着被测表面轮廓形状作垂直起伏运动，可得到工作表面粗糙度参数值，这种仪器存在着无法克服的缺点：（1）不适于那些易磨损刚性强度高的表面；（2）所测出的表面轮廓信息及触针圆心的移动轨迹，理论上只有当触针的尖端圆半径等于零时，触针的运动才能正确的反映被测表面的实际轮廓曲线，无法达到实时在线的测量；（3）因为存在运动和信号的同步问题，只能对静止的表面进行测量；（4）测量力的大小需要严格控制,既要保证触针与表面始终保持接触，同时又应尽可能小的划伤表面和磨损触针；（5）只能实现表面一维的测量，无法实现全场粗糙度的测量。
表面粗糙度的光学测量方法是可以实现在线测量最好方法，国内外已经对光学方法做了大量的报道，但目前还存在着电路复杂、表面易被污染、仪器价格高、不能实现远程监控等缺点，特别是几乎报道的所有方法都是基于逐点测量的, 只能实现表面一维测量，这在实际应用中显然会降低工作效率，并就整个待测表面而言具有某种不可靠性，无法实现全场粗糙度的测量。现代科技和生产的许多领域对表面的质量提出了更高的要求；一方面现有的常规检测方法不能满足测量精度的要求, 特别是纳米技术的出现相应地提高了对表面粗糙度测量精度的要求；另一方面, 复杂立体形状加工技术的发展也对表面粗糙度测量的发展提出了新的要求。在工业生产的许多领域中，为了节省能源和材料、避免或减少零件在加工过程中的废品率、监测加工过程、提高产品质量等，都要求不能损坏被检表面，并且实时监测表面质量，这就需要有能够实现在线自动测量的测量方法。但目前工件表面粗糙度的在线自动检测方法目前还处于实验研究和开发阶段。
因此研制出能满足生产现场需要、价格低廉、使用方便的表面粗糙度测量，实现表面粗糙度的快速、高精度、在线自动全场测量，具有重要意义。
二、国内外研究现状和发展趋势；
目前在生产现场主要是靠目测或触摸对比样板的办法来估计，而计量室中常用触针法及电动轮廓仪。目前, 国内外在使用的粗糙度测量仪器中使用触针式电动轮廓仪的用户占90 % 以上。但它们一般都很贵, 多用于计量室作为表面质量分析研究之用, 在生产现场上很少使用，并且测量结果易受探针针头直径和形状的影响，而且容易损坏被测表面,不适用于在线测量。而使用的参数轮廓仪大多是从国外进口的, 虽然可达到自动化、信息化、准确性等要求, 但体积庞大, 不仅不适应加工现场的使用, 而且价格昂贵, 小型企业无法承受。现在绝大部分使用的几种轮廓仪也远远不能满足粗糙度测量的要求。
光学测量方法是基于光学原理制成的各种传感器，通过非接触式检测，比较准确地将工件表面微观几何形状转化为电信号，因而是实现表面粗糙非接触在线测量的主要途径。近代光学、电子学和计算机科学及其相关技术的发展，为实现表面粗糙度的非接触检测，智能检测和在线检测提供了必要的理论基础和技术条件。目前表面粗糙度光学测量方法很多，根据测量原理主要包括干涉测量法，聚焦测量法，散射测量法等。（1）干涉测量法是将光波干涉条纹通过附加的装置和数据处理来测量粗糙度，具有测量速度快、测量精度和自动化程度高等优点。但存在如下缺点：，体积大成本高；，干涉条纹将相互重叠而不能分辨；。目前很难应用于快速的在线表面测量。（2）聚焦法即光学探针法，探针的种类很多，但本质上都是以一个聚焦光点入射到被测表面上模拟机械触针进行测量，焦点就相当于探针，由于表面粗糙度的存在，光电探测器上的信号就发生变化。用聚焦测量法得到的表面轮廓和触针法获得的轮廓一样，可用来计算表面粗糙的参数。该技术具有灵敏度高，制成的测量仪器体积小等优点，但是易受震动