激光散射在线检测表面粗糙度地研究.pdfVIP

激光散射在线检测表面粗糙度的研究’ 王世华 (四川联合大学．成奔6】0015) 摘要车文介绍了使激光散射愿理发展运用于表面桓糙度的在线检测领域、基于投射到粗糙表 面的光束．由亍受微观形貌对光干涉和衍射因子的调制．使得豆射光束形成反射光斑为中心Ⅵ及两翼的 散射光带；采月j光功率高、寿命长、光束易于调制的半导体激光器为光源．远心光路使试件和光电接收器 对称布局的光路结构，实现对与表面粗糙度相关的散射光信．皂的拾取i高压吹气喷头和光路台并的设计 健被测表面清洁度不影响散射光的形成；实现对加工现场试忭表面的非接触在线表面糨糙麈梭捌．其刺 量效率高、结构简单、抗干扰能力强；表面粗糙度测量范围Ra从2nm到100nm．测量重复性优于2％：测 试头配置附件可实现直径不小于10ram内孔表面粗糙度的测量。该装置特别适合专用生产线上加工试 件表面粗糙座的在线检测。 关键词：赉面粗槌度光散射半导体激光器在线检测 1 前言 准确地测定加工零件的表面粗糙度一直是加工、测量和科学研究中十分重要的课题。在j{面 粗糙度测量领域中，主要使用的触针式轮廓仪．由于测量周期长、调试复杂，同时接触式测量x,ti件 表面会有不同程度的损坏，而且只能作静态测量，就仅适台计量室抽样检测。随着对产品零鄱一{质 量要求的不断提高，从对工序后产品表面质量的检查来看、一方面只能实现抽检，显然测量可’#性 低；另一方面，邵使发现不台格产品，也只能作为废品处理．昕以离线的工序后对零件表面质最钓检 测．已经远远才能满足生产实际需要，如何适应这～要求，而且合乎成本低、精度高、测量速度‘酞诟j 试方便以及对试件和测头相互位置要求不高的条件．解决这样一系列闯题具有普遍的重要{￡义 特别是对于软材料和薄壁试件．考虑到变形和无损检测等因素，更是需要一种合适的无接触在线检 测手段，以主动地保证产品质量，这一点尤其是在军工产品上有这种强烈需求。 国内外都有研究成粟报道的非接触在线检测表面粗糙度的光学方法．如光点变位法、象5#法、 临界角法、干涉法等都适合在线检测…【2j，但存在的共同问题是光路结构复杂、成本高，并l一测量 纹理方向的扫描运动，这样测量周期也就较长，同时它们对测头和试件相对位置要求很高使得调整 用难。利用光纤作为探头基于光散射原理的在线表面掇糙度检测，由于受散射角变化影响椎：℃，原 理上来讲，其测量误差较高，测量范围比较小；另一方面，光纤数值孔径较小，这样接收的散’H光信 息十分有限，都使得其应用受到极大限制。 国家标准对表面粗糙度测量的要求是要实现三维的测量．而光散射原理就正好与之吻{}．它可 实现表面的面积采样，同时所形成的散射光带光能分布和表面微观形貌高度变化有较清晰的对应 关系，光散射法测量表面粗糙度可满足快速动态，高精度、无损检测及抗干扰性强的要求。已有不 少学者提出以其作为表面粗糙度标准基本仪器改变基于传统触针式仪器的现状，从而推动晰原理、 ·删川I联{?大学霄年科学基金资助项目 ．．383，． 新仪器发展．满足生产实际的需要‘”。 2测量原理 2．I光散射机理 当一束激光投射到粗糙表面对，反射光在空间180’范围内形成以反射光斑为中心和两翼散射 光带的图样，如刖1所示。被测表面粗糙度的大小和 反射光能量角分布存在一定的关系”1。如何定量地描 述这样一种光能分布呢?设对于被测试件表面入射光 通量为奶．反射光通萤为包．刷有 中，=p面o ：武中p为试件表面反射率。 由于散射光带以中心反射光斑对称在180’{x)范 围内存在，则有： r_}2 0，之l ，(舻)·d妒 √—t／2 设光能分布的密度函数为P(9)： J9(妒)=，(∞)／‰ 围1 租糙表面光散射示意图 ，f／2 J’(P)=，(伊)／j一，／：，(f)‘d#