CN101762250A - 磨削工件表面质量光学实时检测装置 - Google Patents

Abstract

一种金属加工技术领域的磨削工件表面质量光学实时检测装置，包括：激光器、半透镜、玻璃层、流体透镜机构、采集屏、镜头和数据采集***，其中：半透镜、玻璃层和流体透镜机构由上而下依次设置于激光器的正下方，待测工件位于流体透镜机构内的底部，采集屏、镜头和数据采集***依次设置于半透镜的水平一侧，数据采集***位于镜头后并采集采集屏上的散射图像。本发明通过在工件表面创造出一块透明测量区域，使得测量激光束、表面反射和散射光束能够透过冷却液和磨削屑覆盖层。入射光束在工件表面发生反射和散射，在空间形成带状分布的散射图像，以此实现表面质量的实时检测。

Description

磨削工件表面质量光学实时检测装置

技术领域

本发明涉及的是一种金属加工技术领域的装置，具体是一种磨削工件表面质量光学实时检测装置。

背景技术

工件加工表面的实时检测是指在加工工件的过程中，同时检测工件的质量。它可以更主动地检测工件加工的质量情况，并反馈给控制***，形成闭环***，从而完全控制整个加工过程，极大地提高生产率和保证产品的质量。

在精密磨削加工过程中，为保证加工质量，通常都要在冷却液环境下，才能达到规定的质量要求。比如：集成电路芯片的基本材料-晶圆片，其表面的精密磨削加工，就是在以去离子水为冷却液的条件下进行的。目前几乎所有厂家的晶圆片磨削质量都不能在线检测，而是下线批量检测。

但是，随着被加工工件的单件价值越来越高，产量越来越大，靠定期的事后检测方式反映机床和工艺过程的失效，会产生较大的滞后性，经济损失很大。因此，如果能够实现在冷却液条件下的精密磨削加工的实时检测，就能对加工状态进行实时监控，可以大大提高产品合格率，获得巨大经济效益。

经对现有技术文献的检索发现，目前在冷却液条件下的在线检测，多数是接触式测量方式，非接触式极少。Coker S A等人在International Journal of Machine Tools&Manufacture上发表的In-process control of surface roughness due to tool wearusing a new ultrasonic system，在金属磨削机床上，设计了一种超声探头，安装于冷却液喷管上，它能透过冷却液层测量工件表面。由于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检测。Hiromasa K等人在SPIE会议上发表Development of the in-process monitoring system for toll of lathemachine，在车床上用气吹的方法，去除工件加工背面上的冷却液，实现实时检测，但这种方法只能用于工件为卧式旋转加工的方式。童敏等人在《国内科技》上发表的《磨削过程中表面粗糙度的在线测量***》，以光纤作为传感器的粗糙度测量，使用镜面反射光强与30°方向散射光强的比值获取粗糙度。但是该***的测量范围为R_a：0.1-6.0μm，不能用于光滑表面的检测。

综上，精密磨削加工中，由于冷却液覆盖工件表面，阻挡了测量光束的传播，目前还没有在冷却液加工条件下的实时检测工件表面粗糙度的光学方法。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种磨削工件表面质量光学实时检测装置，在工件表面创造出一块透明测量区域，使得测量激光束、表面反射和散射光束能够透过冷却液和磨削屑覆盖层。入射光束在工件表面发生反射和散射，在空间形成带状分布的散射图像，采集表面散射图像，提取出垂直于散射光带主方向上的灰度值分布，进行高斯拟合，计算比值特征参数，代入***标定曲线计算表面粗糙度数值，以此实现表面质量的实时检测。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：激光器、半透镜、玻璃层、流体透镜机构、采集屏、镜头和数据采集***，其中：半透镜、玻璃层和流体透镜机构由上而下依次设置于激光器的正下方，待测工件位于流体透镜机构内的底部，采集屏、镜头和数据采集***依次设置于半透镜的水平一侧，数据采集***位于镜头后并采集采集屏上的散射图像。

所述的流体透镜机构包括：储水罐、水泵、流量计、喷嘴和流体状态模拟槽，其中：储水罐、水泵、流量计和喷嘴依次串联，喷嘴设置于流体状态模拟槽的下端，待测工件置于流体状态模拟槽内的底部且待测表面向上正对半透镜，水泵与供电***相连接。

所述的数据采集***包括：拍摄成像单元和数据处理单元，其中：拍摄成像单元对采集屏上的散射图像进行拍摄后输出至数据处理单元，数据处理单元根据数字化的散射图像得出标定曲线以及粗糙度数值。

本发明用于检测时：

第一步，激光束通过透明测量区域的附加层，垂直入射到被测工件表面；

第二步，使用拍摄成像单元采集表面光散射图像，进行处理，提取出特征参数；

第三步，将特征参数代入标定曲线，计算粗糙度数值。

本发明所述的特征参数，可在线测量的粗糙度范围为R_a：0.025-0.8μm，涵盖了磨削加工工件的表面粗糙度范围。现有的一些特征参数，只可衡量特定范围内的表面粗糙度数值，例如Tay C J等人在Optics Communication上发表的In situ surface roughnessmeasurement using a laser scattering method，只能测量R_a：0.1-0.8μm范围内的磨削工件表面粗糙度。Kim H Y等人在Journal of materials processing technology上发表的Development of a surface roughness measurement system using reflected laserbeam，只能测量R_a：0.2-0.8μm范围内的磨削工件表面粗糙度。

本发明所述的数据处理单元从二维散射图像中提取特征参数，减少了测量装置的复杂性。现有的表面粗糙度测量装置，机构比较复杂，例如Wang S H等人在Applied optics上发表的Development of a Laser-Scattering-Based Probe for On-Line Measurement ofSurface Roughness，所设计的测量装置中，需要精确配置光电二极管阵列采集散射光以提取散射特征值。

本发明所述的流体透镜机构创造了透明测量区域，使得加工过程中的非接触式实时测量成为可能。该机构使得被测工件表面上方出现了附加层，现有的粗糙度测量技术大都是针对自由表面的测量，对于存在附加层的表面特性测量，目前还没有相关研究报道。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为流体透镜机构示意图。

图3为实施例效果示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：激光器1、半透镜2、玻璃层3、流体透镜机构4、采集屏5、镜头6和数据采集***7，其中：半透镜2、玻璃层3和流体透镜机构4由上而下依次设置于激光器1的正下方，待测工件位于流体透镜机构4内的底部，采集屏5、镜头6和数据采集***7依次设置于半透镜2的水平一侧，数据采集***7位于镜头6后并采集采集屏5上的散射图像。

所述的半透镜2的倾斜角度为45°，其透射反射比为50/50；

所述的采集屏5与半透镜2之间间距为150mm；

所述的半透镜2与待测工件表面之间间距为68mm；

所述的采集屏5与镜头6之间间距为100mm。

所述的激光器1的输出为：波长λ＝650nm，功率5mW，输出激光的直径为3mm；

所述的半透镜2为平面型，规格为100mm×70mm×1mm，镀膜玻璃；

所述的玻璃层3为有机玻璃，厚度为8mm；

所述的采集屏5为透射式硬质毛玻璃，规格为210mm×148mm×5mm。

如图2所示，所述的流体透镜机构4包括：储水罐8、水泵9、流量计10、喷嘴11和流体状态模拟槽12，其中：储水罐8、水泵9、流量计10和喷嘴11依次串联，喷嘴11设置于流体状态模拟槽12的下端，待测工件置于流体状态模拟槽12内的底部且待测表面向上正对半透镜2，水泵9与供电***相连接。

所述的流量计10为带调节阀的玻璃转子流量计，其测量范围为1-7LPM。

所述的流体透镜机构4中充有水。

所述的数据采集***7包括：拍摄成像单元和数据处理单元，其中：拍摄成像单元对采集屏上的散射图像进行拍摄后输出至数据处理单元，数据处理单元根据数字化的散射图像得出标定曲线以及粗糙度数值。

本实施例测量步骤如下：

第一步，激光束通过透明测量区域的附加层，垂直入射到被测工件表面；

第二步，使用拍摄成像单元采集表面光散射图像，进行处理，提取出特征参数；

所述的透明测量区域是指：借助流体透镜机构4中的透明液体，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透过冷却液到达被测工件表面。

所述的表面光散射图像，是第一步中的激光束入射到工件表面发生反射和散射，在空间所形成的散射图像，呈带状分布。该图像反映了表面散射光强的分布情况。

所述的特征参数是从垂直于散射光带主方向上提取出来的比值参数。首先，对采集的散射图像进行去噪预处理，然后寻找散射光带主方向，这里，引用数学中对椭圆长短轴的定义，定义狭长光带主方向为长轴，与其垂直方向为短轴。沿着散射光带短轴方向，提取不同位置x处的灰度数值y，进行高斯拟合：

$y=t_o+t_1\left(\mathrm{\σ}\right)\exp (-\frac{{(x-x_0)}^2}{{{2\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\α}}}^2})+t_2\left(\mathrm{\σ}\right)---\left(1\right)$

根据拟合结果计算比值σ_α/t₁(σ)，即为特征参数。

第三步，将特征参数代入标定曲线，计算粗糙度数值。

所述的标定曲线，使用标准粗糙度样块在模拟装置中测量得到。选择已知粗糙度数值的磨削加工标准样块进行测量，每个样块采集多幅图像，针对每一幅图像，按照第二步所述的方法，分别提取特征参数，然后求取多个特征参数的平均值。根据特征参数平均值随粗糙度数值变化所呈现的分布情况，使用标准函数explinear进行曲线拟合，得到标定曲线。实际测量时，分析采集的散射图像，提取特征参数，代入标定曲线即可计算出表面粗糙度，实现实时监控。

如图3所示，为本实施例以上述步骤获得的拟合曲线，根据平面磨削加工表面的粗糙度范围(R_a：0.01-0.8μm)，选用的是符合GB6060.2-85标准的磨削加工粗糙度标准样块，对应的粗糙度数值分别为：R_a＝0.025μm、0.05μm、0.1μm、0.2μm、0.4μm、0.8μm。针对采集的每一幅散射图像，首先进行滤波预处理，消除噪声；然后扫描整幅图像，寻找散射光带主方向；沿着散射光带短轴方向，提取出不同位置x处的灰度数值y，按照下式进行高斯拟合：

$y=t_o+t_1\left(\mathrm{\σ}\right)\exp (-\frac{{(x-x_0)}^2}{{{2\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\α}}}^2})+t_2\left(\mathrm{\σ}\right)---\left(1\right)$

由拟合结果计算比值σ_α/t₁(σ)。

定标时，每个样块采集多幅图像，求得多个比值参数的平均值。以粗糙度数值为横坐标，各个特征参数的平均值为纵坐标，列出特征参数随粗糙度数值变化所呈现的分布情况。使用标准函数explinear进行曲线拟合，得到标定曲线表达式：

$\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\α}}}{t_1\left(\mathrm{\σ}\right)}=1.25815*\exp (-\frac{R_a}{0.2714})-1.13482+3.36762*R_a,R^2=0.99974---\left(2\right)$

其中：R²＝0.99974，R为相关系数。实际测量时，只要计算出被测工件表面散射图像的比值特征参数，代入该表达式，就可求得表面粗糙度数值。

Claims (6)

1.一种磨削工件表面质量光学实时检测装置，其特征在于，包括：激光器、半透镜、玻璃层、流体透镜机构、采集屏、镜头和数据采集***，其中：半透镜、玻璃层和流体透镜机构由上而下依次设置于激光器的正下方，待测工件位于流体透镜机构内的底部，采集屏、镜头和数据采集***依次设置于半透镜的水平一侧，数据采集***位于镜头后并采集采集屏上的散射图像。

2.根据权利要求1所述的磨削工件表面质量光学实时检测装置，其特征是，所述的流体透镜机构包括：储水罐、水泵、流量计、喷嘴和流体状态模拟槽，其中：储水罐、水泵、流量计和喷嘴依次串联，喷嘴设置于流体状态模拟槽的下端，待测工件置于流体状态模拟槽内的底部且待测表面向上正对半透镜，水泵与供电***相连接。

3.根据权利要求1所述的磨削工件表面质量光学实时检测装置，其特征是，所述的数据采集***包括：拍摄成像单元和数据处理单元，其中：拍摄成像单元对采集屏上的散射图像进行拍摄后输出至数据处理单元，数据处理单元根据数字化的散射图像得出标定曲线以及粗糙度数值。

4.根据权利要求1所述的磨削工件表面质量光学实时检测装置，其特征是，所述的激光器的输出为：波长λ＝650nm，功率5mW，输出激光的直径为3mm。

5.根据权利要求1所述的磨削工件表面质量光学实时检测装置，其特征是，所述的半透镜的倾斜角度为45°，其透射反射比为50/50。

6.根据权利要求1所述的磨削工件表面质量光学实时检测装置，其特征是，所述的流体透镜机构中充有水。