[发明专利]一种在线测量工件表面粗糙度的光学测量系统及方法

说明书

本发明提供了一种在线测量工件表面粗糙度的光学测量系统及方法，测量系统包括激光器，透明窗模拟系统，采集屏以及数据采集和处理系统。透明窗模拟系统借助透明液体冲开冷却液，在待测工件表面上方冲出一个透明区域，使得测量激光束能够通过冷却液覆盖层到达待测工件表面实现测量。测量方法为：准直激光束通过透明窗模拟系统产生的透明测量区域，以一定角度斜入射到待测工件表面；拍摄位于激光束反射方向上的采集屏上的散射图像，提取出特征参数；利用特征参数和表面粗糙度之间的标定曲线，计算粗糙度数值。本发明通过在工件表面创造出一块透明测量区域，可以实现冷却液加工条件下的工件表面质量的在线检测。

技术领域

本发明涉及一种在线测量工件表面粗糙度的光学测量系统及方法，尤其适用于冷却液环境下金属工件表面粗糙度的在线检测。

背景技术

工件表面的在线检测是指在加工工件的过程中，同时检测工件的质量。它可以主动地检测工件加工的质量情况并反馈给控制系统，从而形成闭环系统来控制整个加工过程，可极大地提高生产率并保证产品质量。

现代制造行业中，工件的加工通常都要在冷却液环境下进行。目前在冷却液条件下对工件表面的在线检测主要有超声波方法和光学方法。Shin Y.C.等使用聚焦超声波束实现表面粗糙度的在线检测。但超声波是一种机械波，其测量分辨率不够，而且，其测量参数为平均效应参数，不能用于高精度表面的测量。董敏等使用光纤传感器作为激光束的载体，将光纤浸入冷却液中完成测量。但工件的转动及其尺寸的减小可能会引起探头附近冷却液的变化，从而影响测量结果。此外，还可以用压缩空气喷吹被测表面以消除冷却液的影响，但该方案容易在被测表面形成雾气。

综上，针对冷却液环境下对工件表面在线测量的难题，不少学者提出了一些解决方案，但是这些方案都存在着某些不足，未能完全解决该问题。尤其是在光学测量方法中，由于冷却液的不透明性阻碍了光束的传播，限制了光学方法在工件表面在线测量中的应用。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，提供一种在线测量工件表面粗糙度的光学测量系统及方法，以能够实现冷却液环境下加工工件表面粗糙度的光学在线测量，从而提高生产率并保证产品质量。

技术方案：本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种在线测量工件表面粗糙度的光学测量系统，包括：激光器，透明窗模拟系统，采集屏，数据采集和处理系统。其中，激光器用于发出准直激光束，透明窗模拟系统用于模拟冷却液环境下的透明窗测量方法，包括：冷却液储液罐、冷却液泵、冷却液流量计、冷却液接头、冷却液连接管、透明液体储液罐、透明液体泵、透明液体流量计、透明液体接头、透明液体连接管和透明窗模拟装置，所述冷却液储液罐、冷却液泵、冷却液流量计和冷却液接头通过冷却液连接管依次串联，冷却液接头设置于透明窗模拟装置的端板；透明液体储液罐、透明液体泵、透明液体流量计和透明液体接头通过透明液体连接管依次串联，透明液体接头设置于透明窗模拟装置的底板；待测工件位于透明窗模拟装置的底部；采集屏用于采集携带有金属表面粗糙度信息的散射图像，数据采集和处理系统用于拍摄采集屏上的散射图像并计算得到粗糙度数值。

所述的透明窗模拟装置由端板、侧板、底板和透明顶板构成一个相对封闭的腔体，冷却液填充在透明顶板和底板之间的空间内，通过调整冷却液和透明液体的流量使得待测工件表面上方至透明窗模拟装置顶板之间形成透明区域；使用后的冷却液和透明液体从透明窗模拟装置的出水口排出。所述的数据采集和处理系统包括：拍摄成像单元和数据处理单元，其中：拍摄成像单元用于拍摄采集屏上的散射图像并输出至数据处理单元；数据处理单元用于对图像进行处理提取特征参数，得出标定曲线以及粗糙度数值。

一种在线测量工件表面粗糙度的光学测量方法，包括如下步骤：