[发明专利]一种基于激光散射法的表面粗糙度在线测量系统及方法

说明书

技术领域:

本发明涉及一种基于激光散射法的工件表面粗糙度在线测量系统及方法，尤其适用于磨削加工过程中金属表面质量检测。

背景技术:

工件表面的在线检测是指在工件加工过程中，能够同时检测工件的质量。它可以将工件加工的质量情况反馈给控制系统，从而更主动地控制整个加工过程，保证产品质量和提高生产率。

表面粗糙度是衡量工件表面质量的一个关键指标。目前工业中常用的表面粗糙度测量方法大概可分为接触式和非接触式两种。接触式的测量方法在测量过程中测量装置会与被测表面接触，容易对测量表面造成损伤。非接触式的测量方法大致可分为超声波、声发射和光学方法等，不会对被测表面产生二次损伤，而且测量精度比接触式高。在众多非接触式方法中，光学技术表现出了良好的测量能力。针对表面粗糙度测量的光学技术大概有激光三角法、干涉法、散射法、散斑法、机器视觉法等。其中，散射法具有精度高、结构简单、对环境要求不高等特点，适用于工业环境下的在线测量。而加工现场的环境是非常复杂的，例如加工过程中使用的冷却液因其不透明性，限制了光学方法的应用。那么，实现冷却液加工条件下工件表面质量的光学在线检测就成为了亟待解决的难题。

为解决这一问题，我们提出了透明窗的测量方法，利用透明液体在被测表面上方冲出一个透明测量区域，使得测量光束能够穿过冷却液层到达被测物体表面实现测量。在此基础上，结合基于散射法的表面粗糙度测量方法，最终实现冷却液环境下工件表面粗糙度的光学在线测量。

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，提供一种基于激光散射法的表面粗糙度在线测量系统及方法，以能够实现加工工件表面粗糙度的在线测量，从而保证产品质量和提高生产率。

技术方案：本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种基于激光散射法的表面粗糙度在线测量系统，包括：

激光器，用于发出准直激光束，所述激光束以设定的角度斜射到被测物体表面；

采集屏，用于采集携带有金属表面粗糙度信息的反射和散射光空间分布，位于激光束反射方向上，且高度与激光器高度一致；

以及，数据采集系统，用于拍摄采集屏上的散射图像，对图像进行处理提取散射特征参数、亮点比和亮点灰度比三个特征参数中的至少一个，并基于预先拟合得到的每个特征参数分别与粗糙度数值关系曲线，计算出所拍摄的散射图像对应的粗糙度数值；所述关系曲线是通过标准粗糙度样块的散射图像的特征参数和已知的粗糙度数值进行曲线拟合得到的。

作为优选，所述数据采集系统包括：

拍摄成像单元，用于拍摄采集屏上的散射图像；

图像处理单元，用于对图像进行处理提取散射特征参数、亮点比和/或亮点灰度比；

以及，粗糙度计算单元，用于将散射特征参数、亮点比和/或亮点灰度比代入预先拟合得到的关系曲线中计算得到被测物体表面粗糙度数值。

作为优选，曲线拟合使用的某一标准粗糙度样块的特征参数为该样块采集的多幅散射图像的特征参数的均值。

作为优选，所述散射特征参数根据如下公式计算得到：

其中，n是长轴方向散射线上的像素数目，I_i是长轴方向散射线上第i个像素的灰度值，P_i是长轴方向散射线上第i个像素归一化的灰度值，是长轴方向散射线上灰度数值的平均值，k是常数；其中长轴方向为散射图像中狭长光带的主方向，长轴方向散射线是通过计算垂直于长轴方向上不同位置处的灰度平均值得到的。

一种基于激光散射法的表面粗糙度在线测量方法，包括如下步骤：

(1)将激光束以设定的角度斜入射到被测物体表面；

(2)拍摄位于激光束反射方向上，且高度与激光器高度一致的采集屏上的散射图像，提取出散射图像的散射特征参数、亮点比和亮点灰度比三个特征参数中的至少一个；

(3)利用特征参数和表面粗糙度之间的关系曲线，计算粗糙度数值；所述关系曲线是通过标准粗糙度样块的散射图像的特征参数和已知的粗糙度数值进行曲线拟合得到的。

作为优选，曲线拟合使用的某一标准粗糙度样块的特征参数为该样块采集的多幅散射图像的特征参数的均值。

作为优选，所述散射特征参数根据如下公式计算得到：