專利名稱：磨削工件表面質(zhì)量光學(xué)實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種金屬加工技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種磨削工件表面質(zhì)量光
學(xué)實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
工件加工表面的實(shí)時(shí)檢測(cè)是指在加工工件的過(guò)程中，同時(shí)檢測(cè)工件的質(zhì)量。它可 以更主動(dòng)地檢測(cè)工件加工的質(zhì)量情況，并反饋給控制系統(tǒng)，形成閉環(huán)系統(tǒng)，從而完全控制整 個(gè)加工過(guò)程，極大地提高生產(chǎn)率和保證產(chǎn)品的質(zhì)量。 在精密磨削加工過(guò)程中，為保證加工質(zhì)量，通常都要在冷卻液環(huán)境下，才能達(dá)到規(guī) 定的質(zhì)量要求。比如集成電路芯片的基本材料-晶圓片，其表面的精密磨削加工，就是在 以去離子水為冷卻液的條件下進(jìn)行的。目前幾乎所有廠家的晶圓片磨削質(zhì)量都不能在線檢 測(cè)，而是下線批量檢測(cè)。 但是，隨著被加工工件的單件價(jià)值越來(lái)越高，產(chǎn)量越來(lái)越大，靠定期的事后檢測(cè)方 式反映機(jī)床和工藝過(guò)程的失效，會(huì)產(chǎn)生較大的滯后性，經(jīng)濟(jì)損失很大。因此，如果能夠?qū)崿F(xiàn) 在冷卻液條件下的精密磨削加工的實(shí)時(shí)檢測(cè)，就能對(duì)加工狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以大大提 高產(chǎn)品合格率，獲得巨大經(jīng)濟(jì)效益。 經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，目前在冷卻液條件下的在線檢測(cè)，多數(shù)是接觸 式測(cè)量方式，非接觸式極少。Coker S A等人在International Journal of Machine Tools&Ma皿facture上發(fā)表的In-process control of surface roughness due to tool wearusing a new ultrasonic system,在金屬磨削機(jī)床上，設(shè)計(jì)了一種超聲探頭，安裝于 冷卻液噴管上，它能透過(guò)冷卻液層測(cè)量工件表面。由于超聲波是一種機(jī)械波，其測(cè)量分辨 率不夠，而且，其測(cè)量參數(shù)為平均效應(yīng)參數(shù)，不能用于高精度表面的檢測(cè)。Hiromasa K等人 在SPIE會(huì)議上發(fā)表Development of the in-process monitoring system for toll of lathemachine，在車床上用氣吹的方法，去除工件加工背面上的冷卻液，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)，但 這種方法只能用于工件為臥式旋轉(zhuǎn)加工的方式。童敏等人在《國(guó)內(nèi)科技》上發(fā)表的《磨削過(guò) 程中表面粗糙度的在線測(cè)量系統(tǒng)》，以光纖作為傳感器的粗糙度測(cè)量，使用鏡面反射光強(qiáng)與 30°方向散射光強(qiáng)的比值獲取粗糙度。但是該系統(tǒng)的測(cè)量范國(guó)為Ra:0. l-6.0ym，不能用于 光滑表面的檢測(cè)。 綜上，精密磨削加工中，由于冷卻液覆蓋工件表面，阻擋了測(cè)量光束的傳播，目前 還沒有在冷卻液加工條件下的實(shí)時(shí)檢測(cè)工件表面粗糙度的光學(xué)方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種磨削工件表面質(zhì)量光學(xué)實(shí)時(shí)檢測(cè) 裝置，在工件表面創(chuàng)造出一塊透明測(cè)量區(qū)域，使得測(cè)量激光束、表面反射和散射光束能夠透 過(guò)冷卻液和磨削屑覆蓋層。入射光束在工件表面發(fā)生反射和散射，在空間形成帶狀分布的 散射圖像，采集表面散射圖像，提取出垂直于散射光帶主方向上的灰度值分布，進(jìn)行高斯擬度數(shù)值，以此實(shí)現(xiàn)表面質(zhì)量的實(shí)時(shí) 檢測(cè)。 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括激光器、半透鏡、玻璃層、流體透
鏡機(jī)構(gòu)、采集屏、鏡頭和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中半透鏡、玻璃層和流體透鏡機(jī)構(gòu)由上而下依次
設(shè)置于激光器的正下方，待測(cè)工件位于流體透鏡機(jī)構(gòu)內(nèi)的底部，采集屏、鏡頭和數(shù)據(jù)采集系
統(tǒng)依次設(shè)置于半透鏡的水平一側(cè)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)位于鏡頭后并采集采集屏上的散射圖像。
所述的流體透鏡機(jī)構(gòu)包括儲(chǔ)水罐、水泵、流量計(jì)、噴嘴和流體狀態(tài)模擬槽，其中
儲(chǔ)水罐、水泵、流量計(jì)和噴嘴依次串聯(lián)，噴嘴設(shè)置于流體狀態(tài)模擬槽的下端，待測(cè)工件置于
流體狀態(tài)模擬槽內(nèi)的底部且待測(cè)表面向上正對(duì)半透鏡，水泵與供電系統(tǒng)相連接。
所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括拍攝成像單元和數(shù)據(jù)處理單元，其中拍攝成像單元
對(duì)采集屏上的散射圖像進(jìn)行拍攝后輸出至數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)數(shù)字化的散射
圖像得出標(biāo)定曲線以及粗糙度數(shù)值。 本發(fā)明用于檢測(cè)時(shí) 第一步，激光束通過(guò)透明測(cè)量區(qū)域的附加層，垂直入射到被測(cè)工件表面；
第二步，使用拍攝成像單元采集表面光散射圖像，進(jìn)行處理，提取出特征參數(shù)；
第三步，將特征參數(shù)代入標(biāo)定曲線，計(jì)算粗糙度數(shù)值。本發(fā)明所述的特征參數(shù)，可在線測(cè)量的粗糙度范圍為Ra :0. 025-0. 8 ii m，涵蓋
了磨削加工工件的表面粗糙度范圍。現(xiàn)有的一些特征參數(shù)，只可衡量特定范圍內(nèi)的表面 粗糙度數(shù)值，例如Tay C J等人在Optics Communication上發(fā)表的In situ surface roughnessmeasurement using a laser scattering method,只會(huì)^;測(cè)量Ra :0. 1_0.8踐范圍 內(nèi)的磨肖lJ工件表面粗糙度。Kim H Y等人在Journal of materials processing technology 上發(fā)表的Development of a surface roughness measurement system using reflected laserbeam，只能測(cè)量Ra :0. 2-0. 8 y m范圍內(nèi)的磨削工件表面粗糙度。 本發(fā)明所述的數(shù)據(jù)處理單元從二維散射圖像中提取特征參數(shù)，減少了測(cè)量裝置的 復(fù)雜性?，F(xiàn)有的表面粗糙度測(cè)量裝置，機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，例如Wang S H等人在Applied optics 上發(fā)表的Development of a Laser-Scattering-Based Probe for On-Line Measurement ofSurface Roughness，所設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置中，需要精確配置光電二極管陣列采集散射光以 提取散射特征值。 本發(fā)明所述的流體透鏡機(jī)構(gòu)創(chuàng)造了透明測(cè)量區(qū)域，使得加工過(guò)程中的非接觸式實(shí) 時(shí)測(cè)量成為可能。該機(jī)構(gòu)使得被測(cè)工件表面上方出現(xiàn)了附加層，現(xiàn)有的粗糙度測(cè)量技術(shù)大 都是針對(duì)自由表面的測(cè)量，對(duì)于存在附加層的表面特性測(cè)量，目前還沒有相關(guān)研究報(bào)道。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為流體透鏡機(jī)構(gòu)示意圖。
圖3為實(shí)施例效果示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。 如圖l所示，本實(shí)施例包括激光器1、半透鏡2、玻璃層3、流體透鏡機(jī)構(gòu)4、采集屏 5、鏡頭6和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7，其中半透鏡2、玻璃層3和流體透鏡機(jī)構(gòu)4由上而下依次設(shè)置 于激光器1的正下方，待測(cè)工件位于流體透鏡機(jī)構(gòu)4內(nèi)的底部，采集屏5、鏡頭6和數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)7依次設(shè)置于半透鏡2的水平一側(cè)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7位于鏡頭6后并采集采集屏5上 的散射圖像。 所述的半透鏡2的傾斜角度為45° ，其透射反射比為50/50 ;
所述的采集屏5與半透鏡2之間間距為150mm ;
所述的半透鏡2與待測(cè)工件表面之間間距為68mm ;
所述的采集屏5與鏡頭6之間間距為100mm。所述的激光器1的輸出為波長(zhǎng)A = 650nm，功率5mW，輸出激光的直徑為3mm ;
所述的半透鏡2為平面型，規(guī)格為100mmX 70mmX lmm，鍍膜玻璃；
所述的玻璃層3為有機(jī)玻璃，厚度為8mm ;所述的采集屏5為透射式硬質(zhì)毛玻璃，規(guī)格為210mmX 148mmX 5mm。
如圖2所示，所述的流體透鏡機(jī)構(gòu)4包括儲(chǔ)水罐8、水泵9、流量計(jì)10、噴嘴11和 流體狀態(tài)模擬槽12，其中儲(chǔ)水罐8、水泵9、流量計(jì)IO和噴嘴11依次串聯(lián)，噴嘴11設(shè)置于 流體狀態(tài)模擬槽12的下端，待測(cè)工件置于流體狀態(tài)模擬槽12內(nèi)的底部且待測(cè)表面向上正 對(duì)半透鏡2，水泵9與供電系統(tǒng)相連接。 所述的流量計(jì)10為帶調(diào)節(jié)閥的玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，其測(cè)量范圍為l-7LPM。
所述的流體透鏡機(jī)構(gòu)4中充有水。
所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7包括拍攝成像單元和數(shù)據(jù)處理單元，其中拍攝成像單元 對(duì)采集屏上的散射圖像進(jìn)行拍攝后輸出至數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)數(shù)字化的散射 圖像得出標(biāo)定曲線以及粗糙度數(shù)值。
本實(shí)施例測(cè)量步驟如下 第一步，激光束通過(guò)透明測(cè)量區(qū)域的附加層，垂直入射到被測(cè)工件表面； 第二步，使用拍攝成像單元采集表面光散射圖像，進(jìn)行處理，提取出特征參數(shù)； 所述的透明測(cè)量區(qū)域是指借助流體透鏡機(jī)構(gòu)4中的透明液體，在待測(cè)工件表面
上方?jīng)_出一個(gè)透明區(qū)域，使得測(cè)量激光束能夠透過(guò)冷卻液到達(dá)被測(cè)工件表面。 所述的表面光散射圖像，是第一步中的激光束入射到工件表面發(fā)生反射和散射，
在空間所形成的散射圖像，呈帶狀分布。該圖像反映了表面散射光強(qiáng)的分布情況。 所述的特征參數(shù)是從垂直于散射光帶主方向上提取出來(lái)的比值參數(shù)。首先，對(duì)采
集的散射圖像進(jìn)行去噪預(yù)處理，然后尋找散射光帶主方向，這里，引用數(shù)學(xué)中對(duì)橢圓長(zhǎng)短軸
的定義，定義狹長(zhǎng)光帶主方向?yàn)殚L(zhǎng)軸，與其垂直方向?yàn)槎梯S。沿著散射光帶短軸方向，提取
不同位置X處的灰度數(shù)值y，進(jìn)行高斯擬合
, 、2 "。+"cr)exp(— 02 ) + /2(cr)
(1)
根據(jù)擬合結(jié)果計(jì)算比值o 。/%(0)，即為特征參數(shù)。
第三步，將特征參數(shù)代入標(biāo)定曲線，計(jì)算粗糙度數(shù)值。 所述的標(biāo)定曲線，使用標(biāo)準(zhǔn)粗糙度樣塊在模擬裝置中測(cè)量得到。選擇已知粗糙度 數(shù)值的磨削加工標(biāo)準(zhǔn)樣塊進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)樣塊采集多幅圖像，針對(duì)每一幅圖像，按照第二步 所述的方法，分別提取特征參數(shù)，然后求取多個(gè)特征參數(shù)的平均值。根據(jù)特征參數(shù)平均值隨 粗糙度數(shù)值變化所呈現(xiàn)的分布情況，使用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)e鄧linear進(jìn)行曲線擬合，得到標(biāo)定曲 線。實(shí)際測(cè)量時(shí)，分析采集的散射圖像，提取特征參數(shù)，代入標(biāo)定曲線即可計(jì)算出表面粗糙 度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。 如圖3所示，為本實(shí)施例以上述步驟獲得的擬合曲線，根據(jù)平面磨削加工表面的 粗糙度范圍(Ra :0. 01-0. 8 ii m)，選用的是符合GB6060. 2_85標(biāo)準(zhǔn)的磨削加工粗糙度標(biāo)準(zhǔn)樣 塊，對(duì)應(yīng)的粗糙度數(shù)值分別為Ra = 0. 025 ii m、0. 05 y m、0. 1 y m、0. 2 y m、0. 4 y m、0. 8 y m。針
對(duì)采集的每一幅散射圖像，首先進(jìn)行濾波預(yù)處理，消除噪聲；然后掃描整幅圖像，尋找散射 光帶主方向；沿著散射光帶短軸方向，提取出不同位置x處的灰度數(shù)值y，按照下式進(jìn)行高 斯擬合
, 、2， m (J) exP(- 。2 ) + f2 (J)
(1) 由擬合結(jié)果計(jì)算比值o a/tl(o)。 定標(biāo)時(shí)，每個(gè)樣塊采集多幅圖像，求得多個(gè)比值參數(shù)的平均值。以粗糙度數(shù)值為橫 坐標(biāo)，各個(gè)特征參數(shù)的平均值為縱坐標(biāo)，列出特征參數(shù)隨粗糙度數(shù)值變化所呈現(xiàn)的分布情 況。使用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)e鄧linear進(jìn)行曲線擬合，得到標(biāo)定曲線表達(dá)式
「oruq， L25815 *cxp(--—L13482+ 3 J6762*/ ， RH). 99974
L,」 。(cr) 0.2714 " (2) 其中R2 = 0. 99974， R為相關(guān)系數(shù)。實(shí)際測(cè)量時(shí)，只要計(jì)算出被測(cè)工件表面散射 圖像的比值特征參數(shù)，代入該表達(dá)式，就可求得表面粗糙度數(shù)值。
權(quán)利要求
一種磨削工件表面質(zhì)量光學(xué)實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置，其特征在于，包括激光器、半透鏡、玻璃層、流體透鏡機(jī)構(gòu)、采集屏、鏡頭和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中半透鏡、玻璃層和流體透鏡機(jī)構(gòu)由上而下依次設(shè)置于激光器的正下方，待測(cè)工件位于流體透鏡機(jī)構(gòu)內(nèi)的底部，采集屏、鏡頭和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)依次設(shè)置于半透鏡的水平一側(cè)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)位于鏡頭后并采集采集屏上的散射圖像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磨削工件表面質(zhì)量光學(xué)實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置，其特征是，所述的流 體透鏡機(jī)構(gòu)包括儲(chǔ)水罐、水泵、流量計(jì)、噴嘴和流體狀態(tài)模擬槽，其中儲(chǔ)水罐、水泵、流量 計(jì)和噴嘴依次串聯(lián)，噴嘴設(shè)置于流體狀態(tài)模擬槽的下端，待測(cè)工件置于流體狀態(tài)模擬槽內(nèi) 的底部且待測(cè)表面向上正對(duì)半透鏡，水泵與供電系統(tǒng)相連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磨削工件表面質(zhì)量光學(xué)實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置，其特征是，所述的數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)包括拍攝成像單元和數(shù)據(jù)處理單元，其中拍攝成像單元對(duì)采集屏上的散射 圖像進(jìn)行拍攝后輸出至數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)數(shù)字化的散射圖像得出標(biāo)定曲線 以及粗糙度數(shù)值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磨削工件表面質(zhì)量光學(xué)實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置，其特征是，所述的激光器的輸出為波長(zhǎng)A = 650nm，功率5mW，輸出激光的直徑為3mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磨削工件表面質(zhì)量光學(xué)實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置，其特征是，所述的半 透鏡的傾斜角度為45。，其透射反射比為50/50。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磨削工件表面質(zhì)量光學(xué)實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置，其特征是，所述的流 體透鏡機(jī)構(gòu)中充有水。
全文摘要
一種金屬加工技術(shù)領(lǐng)域的磨削工件表面質(zhì)量光學(xué)實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置，包括激光器、半透鏡、玻璃層、流體透鏡機(jī)構(gòu)、采集屏、鏡頭和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中半透鏡、玻璃層和流體透鏡機(jī)構(gòu)由上而下依次設(shè)置于激光器的正下方，待測(cè)工件位于流體透鏡機(jī)構(gòu)內(nèi)的底部，采集屏、鏡頭和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)依次設(shè)置于半透鏡的水平一側(cè)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)位于鏡頭后并采集采集屏上的散射圖像。本發(fā)明通過(guò)在工件表面創(chuàng)造出一塊透明測(cè)量區(qū)域，使得測(cè)量激光束、表面反射和散射光束能夠透過(guò)冷卻液和磨削屑覆蓋層。入射光束在工件表面發(fā)生反射和散射，在空間形成帶狀分布的散射圖像，以此實(shí)現(xiàn)表面質(zhì)量的實(shí)時(shí)檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01B11/30GK101762250SQ201010300868
公開日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2010年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月28日
發(fā)明者郭瑞鵬, 陳德富, 陶正蘇 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)