[发明专利]一种基于色散共焦光谱法的表面粗糙度测量系统及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于色散共焦光谱技术的物体表面三维粗糙度测量系统及其方法，尤其适用于精密仪器制造、模具铸造、表面工程处理、汽车制造及关键零部件加工等方面。

背景技术

表面粗糙度测量是工业生产，零部件加工中非常重要的环节，高精度快速的粗糙度测量对提高仪器精度甚至整个工业发展有着极为重要的作用，目前，高精度的表面粗糙度测量仪主要来至于德国，日本，美国，英国等工业发达国家，而国产粗糙度测量仪游走于市场末端，实验中采用的依旧是进口购买的，而且这些粗糙度测量仪体型庞大笨重，不便携带，有着诸多的局限性。

目前工业中常用的表面粗糙度测量方法大致可分为两大类：接触式测量和非接触测量，接触式测量方法有比较法、印模法和触针法三种，上述方法在测量过程中测量装置会与被测物表面发生接触，极有可能会对被测物表面造成二次划伤，从而降低被测物表面粗糙度测量的精度。非接触式测量主要有光切法、散斑法、像散法、外差法、干涉法等，这些测量方法最大的有点就是采用光作为测量介质，不会对被测物的表面产生二次划伤，而且光学方法比接触式测量精度高。虽然这些光学测量方法改善了之前接触式测量方法的不足，而且也提高了测量精度，但是在测量速度、测量的灵活性等方面仍然存在较大的不足。

光学共焦法是一种较为先进的测量方法，通过共焦原理检测被测物表面的高度信息，直观的反映出被测物表面的粗糙程度，然而这种方法需要实现测头的Z向位移，不管是采用手动对焦还是自动对焦的方式，每测一点便需要实现一次对焦操作，这极大的降低了测量速度。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足之处，提供一种便携式，快速，高精度的基于色散共焦光谱法的表面粗糙度测量系统及其方法，以期能实现多种场合快速高精度的表面粗糙度测量，从而提高测量精度和效率。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案是：

本发明一种基于色散共焦光谱法的表面粗糙度测量系统的特点包括：横向位移控制单元、信号发生与信号处理单元和光栅测量单元；

所述横向位移控制单元包括：音圈电机定子、音圈电机动子、弹簧、音圈电机动子定位块、色散共焦测头夹持装置、色散共焦测头、调整旋钮、平台底板、固定板、滑块和导轨；

所述信号发生与信号处理单元包括：光纤、光纤耦合器、宽光谱光源、光谱仪、光栅采集卡、音圈电机电源；

所述光栅测量单元包括：光栅读数头和光栅主尺；

在所述平台底板上设置有所述音圈电机定子，并通过所述固定板进行固定；在所述音圈电机定子内设置有所述音圈电机动子，从而构成音圈电机；在所述音圈电机动子的端面上设置有所述色散共焦测头夹持装置；

在所述色散共焦测头夹持装置的上表面设置有所述音圈电机动子定位块，并通过所述弹簧与所述音圈电机定子相连；

在所述色散共焦测头夹持装置的下表面设置有所述滑块，在所述滑块上固定有所述光栅主尺；在所述平台底板上设置有所述导轨，在所述导轨上固定有所述光栅读数头；所述滑块处于所述导轨中；

在所述色散共焦测头夹持装置的端部贯穿设置有所述色散共焦测头，并通过固定螺丝进行固定；在所述色散共焦测头的正下方放置有被测物；在所述平台底板的底部设置有所述调整旋钮，用于调节所述横向位移控制单元相对于所述被测物的水平度；

所述光纤与所述色散共焦测头相连接，再通过所述光纤耦合器分别与所述宽光谱光源和所述光谱仪相连接；

所述音圈电机电源与所述音圈电机定子相连，用于控制所述音圈电机动子的移动方向；所述光栅采集卡与所述光栅读数头相连，用于测量所述滑块的横向位移。

本发明一种利用所述的基于色散共焦光谱法的表面粗糙度测量系统的测量方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、设置所述被测物的评定长度为L；调整所述被测物，使得所述色散共焦测头对准所述评定长度L起始点；

步骤2、所述宽光谱光源发出的宽光谱光，并通过所述光纤传输到所述色散共焦测头中的色散镜头上，从而产生不同波长的色散光照射到所述被测物的表面上，仅在所述被测物的表面上处于汇聚状态的光波经过所述色散共焦测头返回到所述光纤中，并传输至所述光谱仪中；

步骤3、所述音圈电机电源为所述音圈电机定子供电，使得所述音圈电机动子带动所述色散共焦测头夹持装置移动，从而驱动所述色散共焦测头沿着所述评定长度L起始点开始移动，并由光栅采集卡测量所述滑块的横向位移，从而得到所述色散共焦测头夹持装置所移动的距离；