（机械电子工程专业论文）机器视觉在机械加工表面粗糙度检测中的应用研究.pdf

r e s e a r c ho n a p p l i c a t i o no fm a c h i n e v i s i o n m e t h o df o rs u r f a c er o u g h n e s s i n s p e c t i o n ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fd o c t o ro fe n g i b y c h e nz i x i n s u p e i s e db y p r o f e s s o rs h ij i n f e i s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m a y 2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 ， 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 煎鱼塑 日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 院办理。 研究生签名：盥鱼蟊 导师签名： 摘要 机器视觉在机械加工表面粗糙度检测 中的应用研究 摘要 表面粗糙度测量是机械加j 二领域一个重要课题，传统的探针检测方法具有接触及易划伤表面等 缺点，这限制了其在特定场合的使川。机器视觉方法由于其1 f 接触性和快速等特点从而具有很大的 应用潜力。本文依托国家自然科学基金资助项目“大尺寸机械零件的高精度在线测量方法研究”( 批 准号5 0 8 0 5 0 2 3 1 ，以磨削工件为研究对象，以表面粗糙度视觉车间现场测量为目的，使用纹理分析 方法对工件表面图像粗糙度特征进行了研究，所从事的主要研究工作如下： ( 1 ) 对不同类型机械加上表面显微图像纹理特征进行分析，选取频谱分析法表征车削等规则机 械加t 表面主纹理特征，针对磨削加l t 表面纹理存在随机性特征的情况，首次提出使用基于s o b e l 算子的灰度梯度共生矩阵方法进行研究，应用不同纹理参量表征其粗糙度特性，并同已有的灰度共 生矩阵方法进行了比较，实验结果表明了灰度梯度共生矩阵方法的优越性。 ( 2 ) 在对不同算子梯度图像进行比较分析的基础上，提出一种新的基丁l o g 滤波器的灰度梯度 共生矩阵方法。使用该方法对不同粗糙度平磨表面图像纹理特征进行表征，实验结果表明该方法优 于其他算法。随后研究了高斯滤波器标准偏差和梯度等级对表征参量的影响。为评定不同放大倍率 - 卜纹理表征参量的性能，提出平均相关程度和相关程度波动性参数，并选取灰度梯度共生矩阵惯性 值为最佳表征参量。 ( 3 ) 为研究外圆磨削表面图像纹理特征，提出一种外圆磨表面图像弧度统计校正法。该方法首 先依据灰度值标准差在纹理方向最小原理，构造多个纹理圆，对每个圆细分后计算其纹理角度，将 所得结果去奇异值后求平均，确定工件纹理方向；然后沿纹理方向，进行分区域灰度值同均值、同 方差处理，以校正弧度对成像的影响；最后对校正后的表面纹理特征进行研究，并与校正前进行了 比较以证明该方法的有效性。 ( 4 ) 为满足检测过程自动化的要求，提出一种不同类型机械加工表面自动分类方法，利用频域 平面特性进行分类。该方法首先选取频域平面内特定数目峰值点，统计中心区域圆内频域峰值点个 数占所取总频域峰值点个数的比例，以区分磨削表面和非磨削表面；然后在此基础上，将表面图像 细分为四个相等子图像，提取每个子图像最大峰值点，分别进行直线拟合，计算斜率变化情况区分 铣削表面和1 卜铣削表面；最后计算平均功率谱参数，区分车削表面和刨削表面。 ( 5 ) 对磨削- t 什粗糙度车间不确定环境检测进行了研究。首先研究了不确定环境下光线变化对 l 东南人学博 ：学位论义 图像纹理表征参量的影响，然后将- l 件表面灰度梯度共生矩阵惯性参量值、图像灰度统计均值和环 境光照度值进行拟合，构造统一多参量模型，实验结果表明该模型能显著提高不确定环境_ 卜测量精 度。最后针对现场检测的特点，提出该方法的一种工程应川简化，以发动机凸轮轴磨削表面为对象 进行了现场实验，同时设计了简便灵活的无显微实验装置用丁现场检测。 关键词：机器视觉；纹理分析；表面粗糙度；测量；车间现场 i l a b s t r a c r r e s e a r c ho n a p p l i c a t i o no f m a c h i n ev i s i o n m e t h o df o rs u r f a c er o u 曲n e s s i n s p e c t i o n a b s t r a c t s u r f a c er o u g h n e s sm e a s u r e m e n ti si m p o r t a n ti nm e c h a n i c a le n g i n e e r i n gw h i l et h ec o n t a c tn a t u r eo f t f a d i t i o n a ls t y l u sm e t h o dc a u s e st h ed e f e c to fs c r a i c h i n gw o r kp i e c e s t h em a c h i n ev i s i o nm e t h o dh a st h e p o t e n t i a lo fa p p l i c a t i o nf o ri t sn o n c o n t a c ta n df a s tn a t u r e t h em e a s u r e m e n to f 黟i n d i n gw o r k p i e c e sw a s s t u d i e db yt e x t u f ea n a l y s i sm e t h o df o rw o r k s h o pa p p l i c a t i o ni ng r a n to ft h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f b u n d a t i o nn a m e d “r e s e a r c ho nh i g h p r c c i s i o no n l i n ev i s i o nm e a s u r e m e n tm e t h o df o rl a 唱es c a l e m a c h i n ep a r t s ”( g r a n tn o 5 0 8 0 5 0 2 3 ) t h em a i nr e s e a r c hw a sa sf o l l o w s ： ( 1 ) w i t ha n a l y s i so fm i c r o s c o p i ci m a g e so fd i f f e r e n tm a c h i n i n gw o r k p i e c e s ，f r e q u e n c ys p e c t l l l m f e a t u r e sw e r es u g g e s l e dt or e p r e s e n tr e g u l a rs u f l a c et e x t u r e ss u c ha st u m i n go n e a n df o rg r i n d i n gs u r i a c e s w i t hr a n d o m n e s st e x t u r ef e a t u r e s ，t h eg l g c m ( 伊a yl e v e l - g r a d i e n tc o o c c u e n c em a t r i x ) m e t h o db a s e d o ns o b e lo p e r a t o rw a sa p p l i e do nt h ef i r s tt i m e d i f i e r e n tp a r a m e t e r so ft h em a t r i xw e 陀c a l c u l a t e dt 0 r e p r e s e n tr o u g h n e s sf e a t u r e s e x p e f i m e n t sw e r ed o n et op r o v et h eb e t t e rp e r f b 册a n c eo ft h eg u 3 c m m e t h o dt h a nt h eu s u a lg “：m ( 黟a yl e v e lc o - o c c u r r e n c em a t r i x ) m e t h o di nt e x t u r er e p r e s e n t a t i o no fn a t 铲i n d i n g s u d a c e ( 2 ) an e wl o g o p e r a t o rb a s e dg l g c mm e t h o dw a sp r o p o s e da f t e rc o m p a r i s o nb e t w e e nd i f 托r e n t 伊a d i e n to p e r a t o r s t l l l e nt h em e t h o dw a sa p p l i e dt 0r e p r e s e n tr o u g h n e s st e x t u r ef e a t u r e so fd i f f e r e n t s u m c ei i l i c r o s c o p i ci m a g e s ，a n de x p e r i m e n t sw e r e d o n et op r o v ei t sb e t t e rp e m 彻a n c eo v e ro t h e r o p e r a t o 璐i ng r i n d i n gs u 渤c er o u g h n e s sr e p r e s e n t a t i o n a f t e rt h a t ，t h ee f f e c to fp a r a m e t e r so ns u d a c e r o u g h n e s sr e p r e s e n t a t i o n ，s u c ha st h es t a n d a r dd e v i a t i o no fg a u s sf i l t 盯a n dt h el e v e l 伊a d i n gg r a d i e n t m a t r i ) 【，、e r es t u d i e da n dt h eb e s to n ew e r et a k e n a tl a s t 俺r op a r a m e t e r s ，w h i c ha t h ea v e r a g ed e g r e e0 f c o r r e l a t i o na n dt h ed e v i a t i o no fc o r r e l a t i o nc o e 伍c i e n t ，w e r ep r o p o s e dt oe v a l u a t ep e d o 珊a n c eo fd i f i e r e n t p a r a l m t e r so ft h em a t r i xi nd i 雎r e n tm i c r o s c o p ea m p l i f i c a t i o n ，a n di n e n i ao “h eg l g c m w a sf i n a l l y c h o s e nf o ri t sb e s tp e d b 珊a n c c ( 3 ) a 聆wa r cc o r r e c t i o nm e t h o dw a sp r o p o s e df o r t h ei n a c c u m c yg e n e r a t e df 蛔ms u r f a c ea r co f e x t e m a ls u r f a c e ss u c ha sa x e s t h ed i r e c t i o no fs u r f a c et e x t u r ew a sf i r s tc a l c u l a t e d b y t h e m u l t i - t e x t u r e c i r c l em e t h o db a s e do nt h ep r i n c i p l eo fm i n i m a l 伊a y l e v e ls t a n d a r dd e v i a t i o ni ns u r f a c e t e x t u r ed i r e c t i o n t h e nt h e 伊a y l e v e l0 fi m a g ep i x e l sw e r ec o n d u c t e ds t a t i s t i c a l l yi nt h ed i r e c t i o no f l i l 东南人学博l ：学位论文 s u r f a c et e x t u r et oc o r r e c tt h ei n a c c u r a c yf r o mt h ea r c a tl a s t ，t h et e x t u r ef e a l u r eo fe x t e r n a lg r i n d i n g s u r f a c e sw a sr e p r e s e n t e db yt h eg l g c mm e l h o da n dc o m p a r i s o nw a sm a d eb e w e e np a r a m e t e r sb e f o r e a n da f t e ra r cc o r i e c t i o n ( 4 ) 1 ：bm e e tt h ed e m a n do fa u t o m a t i ci n s p e c t i o n ，an e w m e t h o dc l a s s i f y i n gd i f i e r e n tm a c h i n i n gt y p e w a s p r o p o s e d ，w h i c hd e p e n d s o ni t ss p e c i a lf e a t u r e si nt w o - d i m e n s i o n a lf o u r i e rt r a n s f o n ns u r l a c e f i r s t l y ， d e t e 兀n i n i n gi ft h es u r f a c ei s ag r i n d i n go n eo rn o tb yc a l c u l a t i n gr a t i o0 fp e a kn u m b e ri nt h ec e n t e rc i r c l e t ot h ew h o l es u r f a c e t l l l e ns u b d i v i d i n gt h es u r f a c ei m a g ei n t of o u re q u a lp a n si fi t i sn o tag r i n d i n go n e ， a n df i t t i n gal i n ew i t hc e n a i nn u m b e rp e a k si nt w o - d i m e n s i o n a lf o u r i e r t r a n s f 6 瑚s u r f a c eo fe a c h s u b i m a g e 7 i l l es l o p ec h a n g eo ft h e s el i n e si n a ni m a g ec a nb eu s e dt od i s t i n g u i s hm i l l i n gs u r f a c e sw i t h o t h e r s a tl a s tap a r a m e t e rn a m e da v e r a g ep o w e rs p e c t r i l mo f 帆o - d i m e n s i o n a lf o u r i e rt r a n s f b ms u r f a c e w a sa d o p t e dt om a k ed i a e r e n c eb e t w e e nt u n l i n gs u r f a c e sa n ds h a p i n go n e ( 5 ) m e a s u r e m e n to f 黟i n d i n gs u a c er o u 曲n e s sw a sc o n d u c t e di nt h ew o r k s h o pc i r c u m s t a n c e t h e e f f e c to fu n c e n a i nc i f c u m s t a n c eo ni m a g et e x t u r ef e a t u r e sw a sf i r s ts t u d i e di nl a b o r a t o r y t h e nan e w u n i f i e dm u l t i - v a f i a n c em o d e lw a sp r o p o s e dt od e c r e a s et h ee f i b c to fa m b i e n tl i g h to ns u r l - a c er o u g h n e s s m e a s u 删n e n t ，w h i c hf i tt h ed 蛐s i t yo fa m b i e n tl i g l l t ，i h ei n e n i ao ft h eg l g c m m a t r i xa n dt h e 伊a y - l e v e l m e a nv a l u eo ft b e 、o r k p i e c ef e a t u r ea r e ai nal i n e a rm o d e lt 1 l ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h ea c c u r r c y i m p r o v m e n ti na c c u r a c yo fr o u g h n e s sm e a s u r e m e n t a f t e r t h a tas i m p l i f i e dw a y w a sp r o p o s e do na c c o u n t o ft h ec i r c u m s t a n c eo f 、r k s h o pa n dt h ew o r k s h 叩f i e l de x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e dt ov e f i f yt h ee 压c i e n c y o ft h a tm e t h o d an e ws i m p l ea n d c o n v e n i e n ts e t - u pw a sd e s i g n e dt od ot h ee x p e r i m e n t sf o tt h e m i c r o s c o p e su n f i tf o rw o r k s h o ps i t u a t i o n 1 沁yw o r d s ： m a c h i n ev i s i o n ；t e x t u r ea n a l y s i s ；s u a c er o u g h n e s s ；m e a s u r e m e n t ；w o r k s h o p 目录 目录 摘要i a b s l r a c t 一l l l 第一章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 表面粗糙度测量方法综述2 1 2 1 表面粗糙度测量方法2 1 - 2 21 卜接触式光学测量方法4 1 3 机器视觉在表面粗糙度检测中的应用概述6 1 3 1 采用激光光源的视觉测量方法6 1 3 2采用普通光源的视觉测量方法8 1 4 课题的立论依据1 1 1 5 本文主要研究内容一1 2 第二章 典犁机械零件表面纹理分析1 4 2 1 典型机械加工零件表面纹理特征1 4 2 1 1 机械加工表面纹理分析方法1 4 2 1 2 规则纹理机械加工表面特征1 6 2 1 3 随机性纹理机械加工表面特征1 7 2 2 随机性纹理表征方法1 8 2 2 1 灰度共生矩阵法纹理表征。：1 9 2 2 2 基丁s o b e l 算子的灰度梯度共生矩阵方法2 1 2 2 3灰度梯度共生矩阵参量纹理表征2 4 2 3 纹理表征效果实验比较：2 6 2 4 本章小结2 8 第三章基于l o g 算子的灰度梯度共生矩阵随机性纹理表征方法2 9 3 1 基于l d g 算子的灰度梯度共生矩阵法2 9 3 1 1不同算法梯度图像比较2 9 3 1 2 基于l d g 算子的灰度梯度共生矩阵法纹理表征3 2 3 2模型参数对纹理表征效果的影响3 4 3 2 1 高斯滤波器标准偏差的影响3 4 3 2 2 梯度级的影响。3 7 3 3不同放人倍率下灰度梯度共生矩阵纹理表征3 9 3 3 1 系统标定。3 9 3 3 2 灰度梯度共生矩阵纹理表征参量比较4 l 3 4 本章小结4 5 第四章外圆磨表面弧度校正及纹理参数表征4 6 4 1 外圆磨表面图像圆弧度计算4 6 4 2 外圆磨表面弧度校正4 8 4 2 1 纹理方向性特征统计分析4 8 4 2 2外圆磨表面纹理方向统计纹理计算法4 9 4 2 3 外圆磨表面图像统计校正5 3 v 东南人学博i j 学位论文 4 3 外圆磨表面纹理灰度梯度共生矩阵特征分析5 5 4 3 1 表面纹理灰度梯度共生矩阵表征5 5 4 3 2 放人倍率对外磨表面特征的影响5 5 4 4本章小结5 6 第五章无显微装置下工件分类方法5 7 5 1 无显微装置下工件表面图像纹理特征分析5 7 5 1 1 表面图像分析5 7 5 1 2 频谱图像分析。5 8 5 2 不同加一l 类型：= 件分类原理6 0 5 2 1 基于频域峰值的磨削表面分类原理6 0 5 2 2 基于子图像频域分析的铣削表面分类原理6 2 5 2 3 基于频谱特征值的车削表面分类原理6 6 5 3不同加工类型t 件自动分类6 6 5 4 本章小结6 8 第六章 不确定环境下磨削表面统一多参量测量模型6 9 6 1无显微装置下外圆磨表面灰度梯度共生矩阵参量表征6 9 6 1 1 外圆磨削表面参量特性分析6 9 6 1 2 参数对表征效果的影响7 1 6 2不确定环境对图像特征参数的影响7 1 6 2 1 不确定环境成像影响条件分析7 2 6 2 2对灰度梯度共生矩阵参量的影响7 3 6 3 不确定环境f 统一多参量模型7 4 6 3 1 模型构建7 4 6 3 2模型应用7 6 6 3 3 不同模型比较一7 7 6 4 本章小结7 9 第七章表面粗糙度车间现场测量8 1 7 1 视觉系统设计8 l 7 1 1实验平台设计8 1 7 1 2系统软件模块设计8 6 7 2 表面粗糙度检测车间现场实验研究8 7 7 2 1 工件表面缺陷现场检测8 8 7 2 2表面粗糙度现场检测9 0 7 3 本章小结9 2 第八章总结和展望9 3 8 1主要+ 丁作9 3 8 2研究展望9 4 参考文献9 5 j i ( 谢 1 ( ) ：! 攻读博士期间取得的科研成果1 0 3 附录11 0 5 附蜀之2 1 0 8 第幸绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 在机械零件加工过程中，由于刀具在j l ：什表面上留下的加t 痕迹、积屑瘤的产生和脱离、金属 的塑性变形以及加工过程中机床振动等原因，会在机械零件表面形成微小的峰和谷，这种由于表面 微小峰谷的高低和问距等原冈引起的表面微观儿何形状误差称为表面粗糙度，也称为表面光沽度或 微观不平度f 。表面粗糙度是机械零件加工质量的主要指标之一，对机械零件的寿命和性能有很大 的影响，具体表现在： ( 1 ) 对摩擦磨损的影响：减小粗糙度可以减小摩擦系数，以减小磨损；但是零件表面粗糙度太 小，不利丁贮存润滑油，在两表面问形成有效油膜，反而使两工作表面问的摩擦系数加大， 加剧磨损圈，因此应选择合适的表面粗糙度； ( 2 ) 对t 作精度的影响：由于粗糙表面的实际有效接触面积小，在相同载荷下，工什接触表面 单位面积压力增大，导致零件表面层变形加人，即表面层接触刚度变差，影响了机器或仪 器的工作精度问； ( 3 ) 对配合性质的影响：过盈配合时可能会将轮廓峰碾平，从而减小实际过盈量，降低连接强 度；对间隙配合可能使间隙加大，破坏原来配合的性质。减小表面粗糙度可以提高间隙配 合性质的稳定性和过盈配合的连接强度柳； ( 4 ) 对零件抗疲劳能力的影响：机械零件约有8 0 属于金属疲劳，即由重复往返交变载荷引起 的破裂等。零件表面越粗糙则应力集中现象越严重，在交变载荷作用f ，零件很容易遭到 破坏。减小表面粗糙度，特别是减小零件在凹痕等应力集中处的表面粗糙度，可显著提高 零什的抗疲劳能力例； ( 5 ) 对抗腐蚀性的影响：零件表面越粗糙，则聚集在表面上的腐蚀性气体或液体也越多，通过 表面微小波谷和裂纹处形成的原电池效应，由零件的表层向内部渗透，使腐蚀加剧。波谷 越深形状越陡的表面，腐蚀越快越厉害。腐蚀后的表面，腐蚀物脱落，表面更加粗糙不平， 从而形成恶性循环。减小表面粗糙度则可以增强零件抗腐蚀的能力嘲。 表面粗糙度还影响设备的使用性能、动力消耗、噪音、振动、导电、导热、寿命以及表面涂层 质量等。另外，当研究金属切削加工工艺，调整与验收机床时，可用完t 零件表面粗糙度的大小来 判别机床及加工工艺条件的优劣。加工过程中零件表面粗糙度的改变还间接反映刀具的磨损情况。 再者，减小零件的表面粗糙度，对改善连接处的密封性能亦颇有作用，特别是航空航天飞行器上的 关键零件，其密封性、抗疲劳性、抗腐蚀| 生等均有较高要求。 表面粗糙度不是越小越好，一是上文中提到的对油膜的影响，当表面油膜被破坏后，两表面直 接接触，由于两表面间金属分子相互吸引的结果，彼此之间产生强人的相互作用力，在此情况下往 往摩擦力的大小与接触面的粗糙度成反比，因而会加剧摩擦磨损；另外一个很重要的原因是成本问 题，表面加r t 越精密，成本越高，加工一个没有必要那么光滑的表面，必然大大增加生产成本【7 1 ， 而并不能使部件性能获得很人的改掣引。 因此表面粗糙度测量成为机械加工领域一个重要课题。表面粗糙度传统检测方法是对加工后的 大批产品采用抽检方法，该方法依据统计理论，从局部推论总体，存在着b a y e s 判断中两类风险， 其一是将“不合格品”装入机器设备，存在设备运行过程中出现突发性故障的隐患，因此加工质量 1 东南人学博i ：学位论文 的在线检测成为粗糙度检测的发展方向，这也是机械制造业的趋势f 9 j o 在这种情况下，研究1 f 接触、 快速、低成本的乍间现场环境下逐什检测方法，就成为目前表面粗糙度检测的研究热点之一。 1 2 表面粗糙度测量方法综述 对于表面粗糙度的测量，最早人们使用标准样件或样块，借助于放大镜、比较显微镜肉眼观察 比较等来判断被加：i ：表面的粗糙度，此法一般用于粗糙度参数较人表面的定性综合近似评定。1 9 2 9 年s c h m a l t z 公布了川光学杠杆原理作放人装置的触针式轮廓记录仪，率先对表面微观不平度的深度 进行了定量测量；1 9 3 6 年a b b o t t 研制成功用电传感器进行针描式测量的可川。r 车间的轮廓仪，并提 出州距表面轮廓峰顶的深度和支承长度率曲线来表征表面粗糙度；1 9 3 6 年s c h m a l t z 山版了论述表面 粗糙度的专著，对表面粗糙度的评定参数和数值的标准化提出了建议；1 9 4 0 年t a y l o 卜h o b s o n 公司研 制成功t a l v s u 艨面粗糙度测鼍仪；此后各国义相继研制出多种不同的表面粗糙度测量仪器。目前， 定性测量表面粗糙度的方法主要是样块比较法，该方法主要通过检验者眼看、手摸或听指甲等硬物 轻轻划过被测表面的声音，与同样情况- 卜标准样块进行比较米区分表面粗糙度，很明显该方法误差 较大且严重依赖于检验者的先验知识，一般用于粗糙度大于1 印m 表面的定性测量l l 刚。对于定量测量 表面粗糙度的方法，有文献根据测量仪器分为轮廓式和北轮廓式两种方法，但现在最普遍的是根据 测量原理分为两类：一类是接触测量，主要是触针式轮廓仪，例如上文中提到的t a l y s u r f 表面粗糙度 测量仪；另一类是非接触测量。 1 2 1 表面粗糙度测量方法 目前最成熟、应用最广的表面粗糙度检测方法是触针法。触针法又称针描法，原理是当金刚石 触针直接在工件被测表面上轻轻划过时，由于被测表面轮廓峰谷起伏，触针将在垂直于被测轮廓表 面方向上产生上下移动，把这种移动通过电子装置将信号加以放大，然后通过指针表或其它输出装 置将有关粗糙度的数据或图形输出来。这也是目前唯一具有国际标准的表面粗糙皮检测方法i l l ，1 2 】。 触针法美国首先在1 9 4 0 年发布国家标准，之后又几次修订为a n s l a s m eb 4 6 1 1 9 8 8 表面结构表 面粗糙度、表面波纹度和加工纹理，该标准川中线制，并将砌作为主参数；其它工业发达国家人 多都在5 0 年代制定了国家标准。我国于1 9 8 3 年等效采用国际标准化组织( i s 0 ) 有关国际标准制订了 g b 3 5 0 5 1 9 8 3 表面粗糙度术语表面及其参数，专门对有关表面粗糙度的表面及其参数等术语作了 规定，其中有3 个部分共2 7 个参数术语。2 0 0 0 年7 月，根据国际标准l s 0 4 2 8 7 ：1 9 9 7 产品几何技 术规范( g p s ) 表面结构：轮廓法术语、定义和表面结构参数( 1 9 9 7 年版) 对g b 厂r3 5 0 5 1 9 8 3 进行修 订，发布了最新版本的国家标准g b 厂r3 5 0 5 2 0 0 0 产品儿何技术规范表面结构轮廓法表面结构的术 语、定义及参数。该标准的修订，对粗糙度轮廓、波纹度轮廓、原始轮廓及其参数均下了定义。此 外跟表面粗糙度有关的国标还有g b 厂i 7 2 2 0 1 9 8 7 等。实际测量中经常用到的儿个国标参数及其定义 为【1 3 j ： ( 1 ) 轮廓算术平均偏差砌：在一个取样长度内纵坐标z 绝对值的算术平均值砌 在一个取样长度内纵坐标z 例的均方根值 2 ( 1 1 ) 第一章绪论 砌=( 1 2 ) ( 3 ) 轮廓最大高度尼：在一个取样长度内，最大轮廓峰高纵坐标z p 和最大轮廓谷深西之和的 高度( 在国标g b 厂r3 5 0 5 1 9 8 3 中该参数表示微观不平度十点高度) 在上述参数中，轮廓算术平均偏差砌是最常用的参数( 本文以后所使用粗糙度值参数即默认为 该粗糙度参数值) 。由于触针法具有国际标准，因此该方法是其它表面粗糙度测量技术的比对方法， 广泛应用于工业生产中。触针法具有测量范围人、分辨率高、测量结果稳定可靠、重复性好的优点 1 14 | ，但是触针法有以下缺点： ( 1 ) 触针与被测表面测量时必须接触，因此金刚石触针易丁划伤被测表面，触针也有被损坏和 磨损的危险1 15 j ； ( 2 ) 为保证触针与被测面的可靠接触，测量速度比较缓慢f l q ； ( 3 ) 对工作环境要求严格：因为存在运动和信号的同步问题，只能对静i ：的表面进行测量，不 能在有振动、冲击和运动场合下工作【1 刁； ( 4 ) 测出的表面轮廓信息是触针圆心的移动轨迹，从理论上分析，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【1 蜘，因此该方法相当于对被 测表面进行了硬件滤波，忽略了表面的某些高频信息分量； ( 5 ) 只能实现被测表面一维线采样的测量，无法实现全场粗糙度的测量，如果要实全场测量就 必须进行间隔步长多次采样； ( 6 ) 在被测表面加工痕迹的微观纹理方向( 如磨削砂轮加上痕迹的方向) 事先不知道的情况下， 使片j 触针法测量的表面粗糙度的结果很容易出错【19 l ，如图1 1 中所示，如果不按横向而按 照纵向截取，则测量结果与真实值会出现较大偏差。 横向轮廓 廓 圈1 1 触针法测量采样方向 综上所述，触针法更适于在计量室使片j ，或者作为其他方法检测结果的评定手段，而不是在环 境复杂的车间现场生产过程中使用。为了克服上述问题，人们开发了许多非接触式测量方法，非接 触式测量不与被测表面直接接触，因而不会损伤被测表面。根据原理的不同，非接触式测量方法可 分为_ = i f 光学方法和光学方法。 非光学方法有利用电学原理的电容法和电感法【2 0 l ，利用两运动表面接触区应力分布变化所产生 的瞬间应力波的声发射法田l 嘲及超声法嘲，基于多工况参数( 如切削速度、进给量和切削深度等) 智 能预测的神经网络法【2 4 】【2 5 1 等。利用电磁波与光波的相似性质，詹鼎刚、孙俊卿伫7 1 相继提出利用电磁 波与金属相互作用产生散射的原理特性，采用振子天线接受被金属表面散射的微波功率测量金属表 面粗糙度。s t e i n b a c hm 使用超声显微镜采集正常显示情况下和稍微有些离焦的图片，利用其统计特 性测量表面粗糙度【2 8 j 。c h a n gh u nk e u n 等在铣床上刀具轴周围安装圆柱形电容位移传感器，测量刀 具和工件间的相对运动，以预测表面粗糙度删。刘贵杰等采用声发射传感器探针与工件表面摩擦卢 3 东南人学博f ：学位论文 发射信号的f f t 和r m s 特征与磨削粗糙度有很好的对应关系删。 目前应州最广泛的1 f 接触式测量方法是基于光学原理的方法，该类方法还具有全场、快速等优 点，冈而倍受研究者关注。根据具体：l 作原理的不同，又可以分为聚焦法、干涉法、光切法、散射 法和散斑法等。 1 2 2 非接触式光学测量方法 ( 1 ) 聚焦法 聚焦法义称光学探针法，是将激光束聚焦为光点后用其照射被测表面，再根据反射光形成光点 的形状和位置来确定表面粗糙度。该方法不断调整聚焦情况，使光束焦点始终跟踪表面的起伏不平， 记录焦点上下运动的轨迹即为表面轮廓【3 l j 。聚焦测量法具有灵敏度高、制成的测量仪器体积小等优 点，但是易受振动影响【3 2 1 ；且该方法仍是逐点扫描，测量效率低，同时限制了测量速度频率响应； 该方法需要结构复杂的高精度机械扫描机构，其分辨率利测量精度受机械振动、电路噪声及扫描机 构运动误差影响，这些限制了该方法的在线应用【3 引。 ( 2 ) 干涉法 当光从两个不平行表面反射时，从表面各方面反射的路线长度不一致，而产生相位变化，光互 相抵消或加强，形成暗或亮的条纹，从而将表面的微观不平度变换为干涉条纹的变化，这就是传统 干涉测量技术的原理。现代干涉技术引入了时域频率调制技术、离相位调制技术及空域相位调制技 术等辅助被测信息的提取，使干涉场中不需形成明显的条纹结构，可测量被测区域上最大光程差小 于一个波k 的情况，提高了测量精度和速度。干涉法能测量一定面积上的粗糙度值，显示表面形状 误差，能测量出划伤或其它痕迹的真实深度而不管其宽度如f i 【3 4 1 ，且该方法垂直分辨力比较高，能 精确测量精密表面，但是需要附加装置和作数据处理以便将干涉条纹转换成轮廓数据，且该方法对 机械振动、大气扰动及温度变化等较敏感，需配备气浮隔振平台，最好在恒温下工作；干涉法通常 要求具有高反射能力的表面以便得到对比度高的干涉条纹。因此干涉法较难用于在线测量【3 5 j 【3 6 l 。 ( 3 ) 光切法 当将一束平行光带以一定角度倾斜投射丁被测物体表面上时，由丁被测表面不是一个理想的光 滑反射面，