CN105180825A - 一种基于可见光反射光谱特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量装置 - Google Patents

Abstract

一种基于可见光反射光谱特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量装置，由笔记本电脑、准直透镜、线性衰减片、小孔光阑、被测工件、回转工作台、透镜、光纤测头、电动位移台、光谱仪、钨卤素灯光源组成；被测工件安装在回转工作台上，光纤测头安装在电动位移台上，钨卤素灯光源提供的可见光通过光纤输出作为入射光，依次经准直透镜准直调整、线性衰减片强度调整、小孔光阑调制后照射到被测工件上，由于入射光在被测工件表面发生色散现象，被测工件表面的可见光反射光谱通过透镜变为平行光后被光纤测头测量，测量结果由光谱仪输入到笔记本电脑中。该测量装置光路调整方便，测量精度高，对测量环境要求不严格，具有便携性，可以在加工现场使用。

Description

一种基于可见光反射光谱特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量装置

技术领域

本发明属于非接触光学精密测量技术领域，涉及一种表面三维微观形貌测量装置，尤其涉及一种通过测量超精密车削加工表面的可见光反射光谱进而实现对工件表面三维微观形貌特征测量的装置。

背景技术

超精密加工技术由于具有加工精度高、表面质量好(表面粗糙度Ra达到纳米级)、加工效率高、可加工材料种类多(包括有色金属材料和某些非金属材料)、加工误差容易控制等优势，在国防领域和尖端产品的制造中占有非常重要的地位。超精密加工零部件的表面微观形貌对其光学特性、疲劳强度、摩擦磨损、可靠性等影响很大，因此对表面微观形貌的测量成为国内外研究的热点。

现有的表面微观形貌的测量方法主要包括两大类：接触式测量和非接触式测量方法。接触式测量方法常用的测量仪器有表面粗糙度轮廓仪和原子力扫描显微镜。这类方法的特点是测头要与工件表面相接触，因此可能会划伤工件；此外，表面粗糙度轮廓仪只能进行二维扫描测量，而原子力扫描显微镜扫描速度慢，扫描区域一般小于100μm。非接触式测量方法主要有光散射法、光触针法、干涉条纹法和散斑法等，这类方法测量范围比较小，测量区域只有几十微米，对于评价整个待测表面而言，具有不可靠性。常用的测量仪器有白光干涉仪，它对测量环境要求严格，包括环境温度和振动特性等，无法在加工现场使用。

发明内容

为了解决超精密车削加工表面微观形貌高精度、高效率的测量与评价问题，本发明提供了一种基于可见光反射光谱特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量装置，该装置通过对工件表面可见光反射光谱特性的测量，实现对表面三维微观形貌的测量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于可见光反射光谱特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量装置，包括笔记本电脑、准直透镜、线性衰减片、小孔光阑、被测工件、回转工作台、透镜、光纤测头、电动位移台、光谱仪、钨卤素灯光源；被测工件安装在回转工作台上，光纤测头安装在电动位移台上，钨卤素灯光源提供的可见光通过光纤输出作为入射光，依次经准直透镜准直调整、线性衰减片强度调整、小孔光阑调制后照射到被测工件上，由于入射光在被测工件表面发生色散现象，被测工件表面的可见光反射光谱通过透镜变为平行光后被光纤测头测量，测量结果由光谱仪输入到笔记本电脑中。

本发明具有如下优点：

(1)该测量装置光路调整方便，测量精度高，对测量环境要求不严格，具有便携性，可以在加工现场使用；

(2)该测量装置对工件表面进行非接触式测量，不会对工件表面造成破坏；

(3)该测量装置可以测量的工件种类多，包括各种有色金属材料和一些非金属材料；

(4)该测量装置通过调整小孔光阑的直径进而达到调整测量面积的目的。

附图说明

图1为本发明的测量装置整体示意图；

图2为超精密车削加工表面色散现象示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1所示，本测量装置是由笔记本电脑1、精密手动二维位移台2、准直透镜3、线性衰减片4、小孔光阑5、被测工件6、回转工作台7、透镜8、旋转升降杆9、光纤测头10、电动位移台11、光谱仪12、钨卤素灯光源13组成。

如图2所示，超精密车削加工表面并不是理想的光滑表面，其表面有刀具切削后残留的纹理，这些纹理结构相当于衍射光栅，入射光在被测工件6表面会发生色散现象，反射光谱会按照不同的波长和级次分开。根据光栅方程nλ＝d(sinα±sinβ)，波长越长，越远离0级光谱；级次越高，越远离0级光谱。因此，对于可见光的±1级光谱而言，在0级光谱两侧的先是-1级紫光和+1级紫光，随着波长的不断增加，最后分别是-1级红光和+1级红光，其中n为光谱级次，λ为入射光波长，d为光栅常数，α为入射角，β为衍射角。光栅常数d就是工件表面微观形貌的横向周期信息，而工件表面微观形貌的横向周期信息是与衍射角相对应，纵向高度信息是与衍射光的强度相对应，通过光谱仪和光纤测头在不同位置的扫描测量，得到不同波长和级次的衍射角和光谱强度，将测量结果代入到光栅方程，计算出工件表面三维形貌的大小。

具体测量过程为：钨卤素灯光源13提供连续而强度均匀的可见光，通过光纤输出作为入射光；为了保证入射光均是平行光束，准直透镜3对入射光进行准直调整，线性衰减片4对入射光的强度进行调整，然后入射光再经过小孔光阑5的调制，只有中心部分光束通过；准直后的入射光照射在被测工件6上，由于被测工件6表面的微观形貌具有衍射光栅的特性，入射光会发生色散现象；被测工件6安装在回转工作台7上，通过回转工作台7的转动，实现对入射角大小的调整，入射角调整在30°-60°的范围内；被测工件6表面的可见光反射光谱通过透镜8后，变为平行光；光纤测头10安装在电动位移台11上，通过旋转升降杆9调整其高低位置。电动位移台11的行程为100mm，可测量+1级红光和-1级红光之间的所有光谱。待光路和被测工件6调整好之后，电动位移台11受程序控制开始运动，在不同测量位置，会出现不同波长和级次的光强峰值，记录光纤测头10的位置和光谱强度，测量结果由光谱仪12输入到笔记本电脑1中，根据光栅方程nλ＝d(sinα±sinβ)和矢量光学理论计算表面微观形貌的大小。

本发明将准直透镜3、线性衰减片4、小孔光阑5、透镜8安装在精密手动二维位移台2上，通过旋转升降杆9相联接。精密手动二维位移台2具有水平两个方向13mm的运动行程，运动精度为1μm；旋转升降杆9采用精加工升降螺纹副，手动实现高度微调功能。这样设计的目的是为方便且精确地调整光路，包括入射光、线性衰减片4、小孔光阑5的高度、方向、位置和准直透镜3、透镜8的焦距等。

本发明根据测量环境和工件类型，通过转动线性衰减片4，将入射光强度调整在其强度的20-80％的范围内，光强大小不要超过光谱仪的测量范围；改变小孔光阑5的直径调整入射光的光斑大小，该测量装置采用的小孔光阑5直径范围为200-1000μm，其中以500μm直径的小孔光阑为宜；光谱仪的光谱测量范围为200-1100nm。

Claims (7)

1.一种基于可见光反射光谱特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量装置，其特征在于所述测量装置由笔记本电脑、准直透镜、线性衰减片、小孔光阑、被测工件、回转工作台、透镜、光纤测头、电动位移台、光谱仪、钨卤素灯光源组成；被测工件安装在回转工作台上，光纤测头安装在电动位移台上，钨卤素灯光源提供的可见光通过光纤输出作为入射光，依次经准直透镜准直调整、线性衰减片强度调整、小孔光阑调制后照射到被测工件上，入射光在被测工件表面发生色散现象，被测工件表面的可见光反射光谱通过透镜变为平行光后被光纤测头测量，测量结果由光谱仪输入到笔记本电脑中。

2.根据权利要求1所述的基于可见光反射光谱特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量装置，其特征在于所述准直透镜、线性衰减片、小孔光阑、透镜分别安装在精密手动二维位移台上，通过旋转升降杆与精密手动二维位移台相联接。

3.根据权利要求2所述的基于可见光反射光谱特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量装置，其特征在于所述精密手动二维位移台具有水平两个方向13mm的运动行程。

4.根据权利要求2或3所述的基于可见光反射光谱特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量装置，其特征在于所述精密手动二维位移台的运动精度为1μm。

5.根据权利要求1所述的基于可见光反射光谱特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量装置，其特征在于所述电动位移台的行程为100mm。

6.根据权利要求1所述的基于可见光反射光谱特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量装置，其特征在于所述小孔光阑的直径为500μm。

7.根据权利要求1所述的基于可见光反射光谱特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量装置，其特征在于所述光谱仪的光谱测量范围为200-1100nm。