微孔粗糙度检测设计方案.doc

选题依据（包括课题的来源、研究目的、必要性和重要性、意义以及国内外研究的技术现状分析）一课题来源、研究目的、必要性和重要性、意义 课题旨在利用现代先进的光电子技术测量大曲率孔内表面的粗糙度值，具体为一种基于漫散射量大曲率表面粗糙度检测系统。 课题来源、必要性、重要性在于：随着现代科学技术的进步和发展，各种超精度加工技术的出现，高质量表面加工得以实现，从而对表面粗糙度侧量提出了越来越高的要求。而且在一些高尖端技术领域，产品越来越多的呈现微型化的发展趋势，其中大曲率器件在机械、仪表、航空、电子、生物医疗和纺织工业的应用越来越广泛。随之而来的问题是如何对大曲率内壁的表面粗糙度的检验，目前的比较常用的方法测量大曲率内壁表面的粗糙度的方法按照测量原理和实现方式的不同，一般可分为比较测量法、机械触针法、电子显微镜法、光学法及其其它一些综合测量方法等。然而在某些领域，比如在航空工业上，大飞机发动机和火箭发动器喷注器小孔直径均在5mm以下，以上方法多少受到限制，比如用机械触针法，很难伸入大曲率孔中，而生产更微型的探针则成本过高等。这些大曲率孔内壁质量直接影响到整个产品的使用性能和寿命，特别是对于运转速度快、装配精度高、密封性要求严且高温作业下的产品，其影响作用表现得更加突出。课题意义在于，对于现有技术不足，提出一种基于漫散射量的大曲率孔内壁粗糙度的检测方法，实现大曲率孔内壁粗糙度测量的高效，精确的测量，可有效解决大曲率孔内壁粗糙度检测的实际要求。解决目前FOS-RIM型光纤表面粗糙度伸入式传感器所不能伸入的微小孔内壁粗糙度检测要求，并能有效的判断大曲率孔内壁各个位置粗糙度是否符合要求。二国内外研究的技术现状分析 多年来，大曲率孔内壁粗糙度的测量的问题始终是实验和理论研究的重要课题之一。特别是上世纪70年代中后期，随着计算机应用的逐步普及和微电子技术、现代光学技术和激光应用技术的发展，大曲率粗糙度测量技术得到了一定的发展。粗糙度的测量方法包括接触式和非接触式两类，由于，曲面和孔内表面的粗糙度测量情况比较复杂和困难，例如：内孔，沟槽，曲面轴孔，内齿轮等零件孔内表面粗糙度的测量，特别是面对微小孔径时，用接触法很难操作且精度低，人为影响大。所以，目前，大曲率孔内表面粗糙度的检验方法，更多的采用非接触类非破坏性测量，其中更趋向于其中的光学测量法。而用非接触式的光学测量法，则因为被测目标内部空间较小，会限制光路的设计和元器件的空间安排，实现起来同样困难重重。因此，长期以来孔内表面粗糙度的测量一直是个难题，也是迫切需要解决的一个问题。目前孔内表面粗糙度非破坏性测量的需求越来越迫切，口益成为发展趋势之一，国内外在这方面的研究可谓方兴未艾。 如前所述，光散射法可以实现非接触式、高分辨率的测量，在孔内表面测量中很有优势。国内电子科技大学的徐彧、张涛等人率先利用光散射原理开展了孔内表面粗糙度测量的研究工作。基于光散射的孔内表面粗糙度测量仪工作原理如图1所示，准直后的光束经全反射棱镜反射到试件孔内表面，从被测表面上反射和散射的光斑及其分布情况由光电二极管阵列接收，将光信号转变为电信号，经后续信号处理，即得到所需的粗糙度评定参数。 图1 孔内表面粗糙度测量仪的结构框图 仪器的测量范围为0.0051.6um，测量相对误差200nm的光滑表面的测量。其所能测量的孔径也受光纤传感器探头大小的影响，所以孔径不能太小。但是改仪器提供了一种全新的测量方式和思维方式，基于光散射斜射入光纤传感器粗糙度测量方式。图3光纤传感器工作原理示意图 哈尔滨工业大学的徐晓梅同样基于光漫射模型，开发了一种深入孔内，对孔孔内表面粗糙度进行测量的系统：反射式强度调制型光纤传感器孔孔内表面检测系统。其原理如图4所示，基本测量原理是激光器发出的光祸合连接进入光纤传感器的输入端，即发送光纤，而传感器的探测端轴线垂直被测表面，这样发送光纤出射的光即垂直入射被测表面，光线与被测表面相互作用后，返回的散射光携带有被测表面的轮廓信息被接收光纤接收，传感器两输出端将镜向散射信息和漫散射信息分路输出至探测器端。光电二极管将带有被测表面信息的光信号转换为电压信号，然后对电信号进行滤波放大预处理，进而通过A/D转化，模拟拟信号转换为数字信号输入到计算机内，以待进一步处理。实验验证该系统可实现5mm以上孔孔内表面粗糙度的非破坏性测量，有较高的精度，能够实现Ra从0.04um到0.45um较大范围内不同直径孔内表面粗糙度的非破坏性测量。虽然，在孔径测量范围足够小，但是，由于传感头设计复杂且要求高，成本高，并且检测操作亦复杂，无法实现工业生产，无法在线，快速检测。图4 孔内表面粗糙度测量实验系统结构示意图 除了通过光路设计实现孔内表面粗糙度的测量外，非表面粗糙度测量的其它一些孔内表面测量方法非常值得借鉴。 北京航空航天大学的张广军等人，针对内部空间为520mm的工件孔内表面，基于光学三角法测量原理，搭建了一套应用结构光三维视觉检测技术的测量系统，对微小型构件孔内表面进行三维形貌检测研究，其工作原理如图5所示，由CCD摄像头采集孔内带有光条的场景成像，由此通过密集检测被测孔内表面的点坐标以恢复其三维形貌。实验结果表明，该测量系统可以对较小工件的孔内表面进行自动、实时的测量。但是该测量系统的单点坐标测量误差在2050mm，还不能满足表面粗糙度测量精度的要求，需要进一步提高其分辨率和测量精度。图5 视觉传感器测量原理示意图 德国ISIS Sentronic GmbH公司基于谱相关干涉测量技术和光纤传感技术己经开发出一系列成熟地商业设备RayDex系列孔内表面测量仪，其传感头最小直径可达1 mm左右，能够进行各种结构孔内表面的尺寸和表面粗糙度测量。但是这种仪器价格昂贵，在人民币百万元以上，且实验条件要求很高，只适用于抽样检测和实验室研究用，应用范围受到很大限制。 综上，光纤传感器因具有尺寸小、结构紧凑、操作灵活、易于小型化和集成化的特点，是解决小零件孔内表面粗糙度非破坏性测量难题一条有效途径。其中RIM-FOS具有具有原理简单、设计灵活、经济性好、易于系统小型化和集成化等特点，而且己经在表面粗糙度测量方面得到了广泛应用。但是，由于大曲率（如孔径不大于5mm）孔径小于大部分光纤传感器探头，且内部空间复杂狭小，不易复杂的操作，所以，目前测量大曲率孔内表面粗糙度的方法多为通过显微镜放大后目测，这种方式人为因素影响大，不适合在线、实时、快速检测大曲率孔内表面粗糙度。课 题 研 究 方 案(包括具体的研究目标、研究内容和拟解决的关键问题；拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析）1.具体研究目标、研究内容：本课题是基于漫散射量大曲率孔内表面粗糙度检测系统的研究，该系统是集光、机、电为一体的复杂系统。基于光散射模型的原理是经大曲率孔内表面调制后的激光产生的空间散射量与大曲率孔内表面粗糙度相关，且呈非线性关系。本课题拟通过理论与实验相结合的方法获得不同加工工艺所获得的表面粗糙度与散射光的关系模型，进而通过测量激光光源在大曲率孔内表面的散射量及散射量与粗糙度的关系模型，实现毫米级大曲率孔内表面粗糙度的快速、精确测量。基于光散射方法进行表面粗糙度的测量，根据接收空间散射量的角度的不同，又分为以下两类：）通过测量镜面反射方向的光强，并与入射光强进行比较来确定粗糙度数值，这种方法被称为镜面反射法；）测量整个散射空间的散射光强分布，通过计算整个散射空间的散射光分布或者求出散射光与入射光关系来确定表面粗糙度的数值。本课题基于第二种测量方法，目的是使得系统设计的光纤传感器探头在不伸入大曲率的条件下，测量整个散射空间的散射光强分布。从而实现目前测量毫米级大曲率孔内表面粗糙度的难题。对于大曲率孔内表面粗糙度的测量，目前拟采用比较法进行，即将未经调制的信号和经调制后的信号进行对比（如神经网络补偿法），从而消除系统噪声。对于测量系统，通过三自由度自动测量平台的设计，结合微信号处理电路的研究，实现测量数据的自动化采集、分析与处理，最终实现大曲率孔内表面粗糙度的快速、准确测量，大大提高检测效率。基于漫散射量的大曲率孔内表面粗糙度测量系统的研究内容主要包含以下几个方面的关键技术研究：1） 孔内表面粗糙度测量系统总体架构的设计与研究；2） 光纤式漫散射量传感器结构与测量原理的研究；3） 漫散射量微弱信号测量电路的设计与研究；4） 孔内表面粗糙度测量系统软硬件系统的设计与开发。拟解决的关键问题如下： 1）系统总体架构的设计与研究包括光纤传感器端面结构设计和三维运动工作台的搭建； 2）光电探测系统的设计包括去噪、低通滤波、放大电路，用于提高信噪比； 3）开发检测系统程序，能实时显示测量结果并完成非曲线关系的拟合； 4）最后的调试运行，标定，与实用化。2.拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析：针对毫米级大曲率孔内表面表面粗糙度的测量，本课题拟采用的设计方案和研究方法如下。图6、7为总体设计逻辑示意图和总体结构示意图。激光发射器发射激光经光纤耦合器耦合到RIM-FOS传感器中出射，激光射到大曲率孔内表面经调制后发生光散射现象，再由光电探测器采集空间光散射分布信息，再由测量电路变成模拟信号电压值，由数据采集卡采集到计算机中处理。同时计算机控制驱动器，就实现自动在线快速检测大曲率孔内表面粗糙度值。图8为基于漫散射量的大曲率孔内表面粗糙度的检测系统的局部结构原理图，该系统集光、机、电、计算机为一体。系统采用两路接收端比值法，以消除部分系统误差，所以特制RIM-FOS传感器端面结构设计采用双束型，如图9所示，中心出为激光发射端，一、二圈为两接收端，夹具安装在三维工作台上，可实现任意位置定位中心光纤为发射端，发出的激光经大曲率孔内表面调制后，由两圈接受光纤组接收，如图所示，经光电探测器转换成U1，U2值。图9中选择的光纤端面为纤芯不等式，这种形式的的三光纤传感器不但线性范围和线性度等特性相比光纤对传感器可得到较好的改善，而且可有效地消除光功率波动和反射面反射率的变化等因素对测量精度的影响。图8中，夹具可调整入射角在3060之间，且特制传感器轴线与大曲率轴线在同一水平面，自聚焦棒用来聚焦激光发射器发出的激光，使其更好的和入射光纤耦合，两路接收光纤接收散射量，经由光电探测器接收，转换成微弱电压值。由于光散射量传输的整个过程处于密闭空间，所以能此电压值能完全反应大曲率孔内表面粗糙度值。再由放大电路、A/D转换电路、上位机CPU处理，完成放大、去噪、滤波处理、数据处理后，显示单次测量结果值。与此同时上位机控制三维工作台运行，完成对同一大曲率不同测量点的重复性测量，并获得结果，最终处理数据，获得最合理的粗糙度值。以此类推，就可完成所有大曲率孔内表面粗糙度值的测量。图 6 总体设计逻辑示意图图7 总体结构示意图图8检测系统的结构原理图图9 光纤传感器端面结构示意图本课题理论证明可行性分析：基于漫散射量的光纤传感器斜射入大曲率孔内表面粗糙度的理论可行性证明：1. 两组接收光纤（下面章节有介绍）接收的光强，照射在光电池上产生微电压，再经过光电探测器的放大和滤波产生相应的电压和（可检测出和的值）。设定它们的比值（：两组接收光纤接收的光强比）为，则有关系式： （公式1） 。2. 而影响值的因素包括宏观和微观上，其表达公式为 （公式2）（：宏观光强调制函数；：微观光强调制函数）3. 求解 宏观光强调制函数 ：由宏观结构分析（其中：第二组接收光纤与发射光纤的结构光强调制函数；：第一组接收光纤与发射光纤的结构光强调制函数。）： 由于求解过程一样，故只用表示它们 其中 ：光纤接收有效面积； ：由（：接收点与光斑中心的距离），（：接收光纤端面与散射面的距离）和（：激光入射角）三个参数决定的接收点光强表达式。结论1：由于是设定值，所以及它们的比值可相当于一固定系数。4. 求解 微观光强调制函数 ： 根据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），在本专利的初始条件即激光入射角=下：和 其中： ：光滑表面的散射系数； ：粗糙度相关值； ：激光波长值； ：表面相关长度； ：散射发生处的区域矩形面积；简化有（公式3），其中：由参数决定的系数；：由参数决定的系数。结论2：同样，为设定值，系数固定，只与有关，且呈非线性关系。5. 将公式（3）代入公式（2）中，则，再由上述结论1和2可知，只与有关，且呈非线性关系，同时由公式（1）可知的比值只与有关，且呈非线性关系，所以，综上，最终简化式 本课题实验步骤可以初步设定为以下步骤：1）将激光发射器，光电探测器导通电源，预热10-30分钟；2）将已知大曲率内壁粗糙度的标准样块放置在工作台上，并用夹具固定，调整三维工作台，使RIM_FOS传感器发射激光在经过大曲率轴线的平面上，与样块间距为2-4mm，并调整传感器夹具使RIM_FOS传感器与水平面呈45；3）由光电传感器采集激光经样品块大曲率内部粗糙度调制后的两组光通量，将数据处理后保存于上位机中；4)选择若干已知大曲率内壁粗糙度的标准样块，重复步骤2）3），上位机将所得数据进行处理，实现两组光电流的比值与标准样块大曲率内壁的粗糙度的标定；5）将步骤2）中的样块换成待测样块，重复步骤2）3），将所得数据与步骤4）标定数据经行对比，实现对待测大曲率内部粗糙度的评定。研 究 基 础(包括与本项目有关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩；课题研究现有的基础和已具备的实验条件，可能遇到的困难或问题和拟解决的途径和措施等)。目前，本课题已初步完成了RIM-FOS光纤传感器（如图10所示）、放大滤波电路以及检测程序的设计和制备，并配备有一套用于实验标定的标准粗糙