[发明专利]磨削工件表面质量光学实时检测装置

说明书

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，并反馈给控制系统，形成闭环系统，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系统》，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。但是该系统的测量范围为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，代入系统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、镜头和数据采集系统，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、镜头和数据采集系统依次设置于半透镜的水平一侧，数据采集系统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，水泵与供电系统相连接。

所述的数据采集系统包括：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。