专利名称：工件表面粗糙度测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及机械制造领域，具体涉及机械加工中测量工件表面粗糙度的方法及由该方法所设计的装置。
背景技术：
在机械加工技术中，工件表面粗糙度是衡量工件加工质量的一项重要的技术指标，现有的表面粗糙度测量方法主要是通过不同类型的传感器进行数据采集后完成相应的测量工作，其测试设备主要存在以下缺陷和不足①非接触式表面粗糙度测量设备价格昂贵，进口设备一般在百万元以上，如进口激光式轮廓仪通常超过三百万，该类设备系统构造复杂，有零飘，对人员及环境要求高，故障率较高，使用及维护成本高；②接触式表面粗糙度测量设备价格较高，且测量时对精密零件表面有划伤，该类进口设备的价格一般在四十万以上，国产设备的价格一般在十万元以上，其系统构造复杂，有零飘，故障率较高，维护成本较高；③有关便携式粗糙度测量设备价格虽较上述设备低，但性能不高，一般不适合计量室用(常用于生产现场)；④有关光学测量设备自动化程度差，测量效率低，只能测量个别不常用的参数，且随着新国家标准(GB/T3503-2000)的贯彻实施，有关光学测量设备(如光切显微镜、干涉显微镜等)已不能满足国家标准的要求，不适合直接用来测量表面粗糙度。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷，提供一种测量手段简单、可靠，成本低廉之工件表面粗糙度测量的方法及由该方法所设计的测量装置。
本发明之技术方案是采用显微镜对待测工件表面进行放大，由电机驱动工作台移动，得到一系列显微轮廓图像，经电荷耦合器采集显微图像并将其转换为视频图像信号，再通过图像捕捉模块进行数据采集后由计算机对其信号进行分析处理并显示和保存被测工件表面显微轮廓及表面粗糙度参数、曲线。由本发明所设计的测量装置包括可置放待测工件之工作台和与其相联且可由其驱动之电机，其特征在于所述工作台上方设有显微镜，该显微镜通过电荷耦合器、图像捕捉模块与计算机相接，所述电机通过电机驱动模块与计算机相接。上述装置中显微镜为光切显微镜或干涉显微镜，图像捕捉模块为PCI视频采集模块，电荷耦合器为面阵式高解析度电荷耦合器。在工作台上，还设有与计算机相联的行程开关，计算机与电机驱动模块和行程开关之间设有PCI隔离数字量输入/输出模块。
本发明将显微镜、面阵式高解析度电荷耦合器、计算机等有机地结合在一起，可使系统成本大大降低，对人员与环境的要求相对较低，稳定性与可靠性相对提高，可维护性较好。采用非接触式测量，对精密零件表面无划伤，并保留了显微镜的全部功能，增加了表面粗糙度测量仪的全部功能，同时根据精度要求合理配置显微镜，拓展了面临淘汰的光切显微镜与干涉显微镜的应用空间，节约资源，便于不同场所选用。本发明设备性能与同类设备相当，而性价比大大优于同类测量设备。


图1为本发明装置示意图。
图中1-工件； 2-工作台； 3-显微镜；4-电荷耦合器 5-图像捕捉模块；6-计算机；7-打印机；8-PCI隔离数字量输入/输出模块；9-电机驱动模块； 10-电源； 11-电源指示灯；12-电机； 13-联轴结； 14-螺旋进给机构；15-行程开关。
具体实施例方式本发明是针对现有测量技术存在的缺陷与不足进行设计的。它通过在工件台上设置显微镜，然后利用显微镜对待测工件表面进行局部显微放大，同时由电机驱动工作台移动，得到一系列显微轮廓图像，经电荷耦合器采集显微图像并将其转换为视频图像信号，再通过图像捕捉模块进行数据采集后由计算机进行分析处理，得出被测工件表面显微轮廓及表面粗糙度参数、曲线，最后通过打印机输出测试结果。
本发明根据上述方法所设计的测量装置如图1所示，它包括可置放待测工件1之工作台2和与电机12，该电机12为二相混合式步进电机，采用共阳接法(步进脉冲信号CP与方向电平信号DIR的正输入为公共端，开集门电路常用的方法)，细分驱动，可完全消除电机的低频振荡，提高电机12的输出转矩与分辨率，运转更加均匀、平稳。工作台2通过螺旋进给机构14和联轴结13与电机12相联接，可在电机12的驱动下实现步进进给。在工作台2之上方，设有显微镜3，该显微镜3可根据精度要求配置光切显微镜或干涉显微镜，拓展了面临淘汰的光切显微镜与干涉显微镜的应用空间，节约资源，便于不同场所选用。其中中低精度(0.1μm＜Ra＜20μm)可配置光切显微镜，高精度(0.001μm＜Ra≤0.1μm)可配置干涉显微镜。采用光切或光波干涉原理对被测工件表面进行局部显微放大，其性能稳定可靠，干扰与噪音信号的影响相对传统设备要小，此外，利用显微镜3本身的工作台，无需另备测量工作台。电荷耦合器4为面阵式高解析度电荷耦合器，其输入端与显微镜3相接，用于采集显微图像，同时可起传感器的作用，可把入射到其光敏面上按空间分布的光强信息，转换为按时序串行输出的电信号，其非线性度基本为零，没有零飘，且只需一个面阵式高解析度电荷耦合器4便可完成全部测量工作。所述面阵式高解析度电荷耦合器4输出端与图像捕捉模块5相连接，并通过其与计算机6相接。图像捕捉模块5为PCI视频采集模块，可将面阵式高解析度电荷耦合器4采集的图像信号进行处理后传送至计算机6。它可起到模/数转换与数据采集的作用，性能与后者相当，但成本不到后者的十分之一；用线性相位的Fir数字滤波器取代传统的2RC模拟滤波器，节省了硬件成本，而性能相对提高，Fir数字滤波器可以根据需要进行设计，精确定位截止频率，性能可接近理想的滤波器，过渡段可以比2RC滤波器小一倍以上，在截止频率处幅度衰减可以达到90％以上，远远高出75％的要求，纹波可小于1％，而2RC模拟滤波器很难达到，且调试难度大，截止频率一旦确定不能更改。计算机6可采用586、1.2GHz、256M兼容机(或更高)，它是以Visual C++为开发工具，在Windows环境下采用中断方式通过图像捕捉将显微轮廓图像转化为DIB图像，然后对DIB图像进行边缘检测、轮廓提取、轮廓连接，采用最小二乘法对轮廓中线、轮廓曲线进行拟合；对Fir带通数字滤波器进行参数化设计，以参数的形式确定滤波器的阶数、截止频率、滤波点数等，并采用动态链接库与工作程序动态链接，根据表面轮廓信号与噪声信号的频率特性，通过Fir数字滤波，从原始轮廓信号中滤掉低频宏观轮廓信号与高频噪音信号得到表面粗糙度信号，改变滤波参数可得到表面波度信号。由于受加工痕迹、材料不均匀性、污点等的影响，测量时，可能存在个别奇异点，可根据灰度值的变化进行辨别与修正，采用滑动平均的方法可减少噪声等的影响；采用Windows环境下的工作软件，其操作方便、简单、界面友好、美观，只须根据提示信息点击几次鼠标便可完成全部测量，实现局部轮廓图像放大，视觉效果好，便于观察与分析，可保存测量数据，显示有关测量结果。
本发明电机12的驱动是通过与计算机6相接之电机驱动模块9动作的，通过电机驱动模块9控制电机12的进给运动，使工作台2移动，以保证计算机6采集到所需待测表面的轮廓图像。
本发明在工作台2上，还设有与计算机6相联的行程开关15，用来限制工作台2运动的左、右两个极限位置，超行程时自动停止，并声光报警。在计算机6与电机驱动模块9和行程开关15之间，还设有PCI隔离数字量输入/输出模块8，内部具有中断功能，可采用中断方式进行数据采集，用于图像采集和电机运动控制。
本发明可按最新国家标准(GB/T3505-2000)对表面粗糙度进行评价，可评价的幅度参数为最大轮廓峰高Rp、最大轮廓谷深Rv、轮廓的最大高度Rz、轮廓单元的平均线高度Rc、轮廓的总高度Rt、评定轮廓的算术平均偏差Ra、评定轮廓的均方根偏差Rq、评定轮廓的偏斜度Rsk、评定轮廓的陡度Rku；间距参数为轮廓单元的平均宽度Rsm；混合参数为评定轮廓的均方根斜率RΔq；曲线和相关参数为轮廓的支承长度率Rmr(c)、轮廓截面高度差Rδc、相对支承比率Rmr、轮廓的支承长度率曲线、轮廓幅度分布曲线。
本发明与其它设备技术特性比较可见下表。


本发明工作过程将被测工件1置于仪器工作台2上，调节显微镜3，由面阵式高解析度电荷耦合器4将显微镜3上之图像转换为视频图像信号，经图像捕捉模块5捕捉后送至计算机6，然后通过计算机6对输入的图像信号进行分析处理，实时显示局部显微轮廓图像。测量时，计算机6由隔离数字量输入/输出模块8经电机驱动模块9控制步进电机12的进给，电机12每进给一次，经联轴结13、螺旋进给机构14驱动工作台2移动一次，这样，计算机6可实时采集一幅局部显微轮廓图像，然后根据测量表面粗糙度的需要，通过计算机6控制，可得到一系列局部显微轮廓图像，图像采集完毕后，由计算机6对图像进行分析与处理，可显示、保存被测工件表面显微轮廓及有关表面粗糙度参数、曲线等，然后对被测工件表面显微轮廓进行局部放大，由打印机7输出有关测试报告，完成整个工作过程。
权利要求
1.一种工件表面粗糙度测量方法，其特征在于它是采用显微镜对待测工件表面进行放大，由电机驱动工作台移动，得到一系列显微轮廓图像，经电荷耦合器采集显微图像并将其转换为视频图像信号，再通过图像捕捉模块进行数据采集后由计算机对其信号进行分析处理并显示和保存被测工件表面显微轮廓及表面粗糙度参数、曲线。
2.一种工件表面粗糙度测量装置，包括可置放待测工件之工作台和与其相联且可由其驱动之电机，其特征在于所述工作台上方设有显微镜，该显微镜通过电荷耦合器、图像捕捉模块与计算机相接，所述电机通过电机驱动模块与计算机相接。
3.根据权利要求2所述的工件表面粗糙度测量装置，其特征在于工作台上设有与计算机相联的行程开关。
4.根据权利要求2所述的工件表面粗糙度测量装置，其特征在于显微镜为光切显微镜或干涉显微镜。
5.根据权利要求2所述的工件表面粗糙度测量装置，其特征在于图像捕捉模块为PCI视频采集模块。
6.根据权利要求2所述的工件表面粗糙度测量装置，其特征在于电荷耦合器为面阵式高解析度电荷耦合器。
7.根据权利要求3所述的工件表面粗糙度测量装置，其特征在计算机与电机驱动模块和行程开关之间设有PCI隔离数字量输入/输出模块。
全文摘要
一种工件表面粗糙度测量方法，它是采用显微镜对待测工件表面放大，由电机驱动工作台移动得到一系列显微轮廓图像，经电荷耦合器采集显微图像并将其转换为视频图像信号，再通过图像捕捉模块进行数据采集后由计算机对其信号进行分析处理并显示和保存被测工件表面显微轮廓及表面粗糙度参数、曲线。其测量装置包括工作台和驱动电机，工作台上方设有显微镜，通过电荷耦合器、图像捕捉模块与计算机相接，电机通过电机驱动模块与计算机相接。本发明将显微镜、电荷耦合器、计算机有机结合在一起，采用非接触式测量，零件表面无划伤，结构简单，功能完善，同时拓展了光切显微镜与干涉显微镜的应用空间，便于不同场所选用，其性价比大大优于同类测量设备。
文档编号G01B11/30GK1540283SQ20031011047
公开日2004年10月27日 申请日期2003年10月30日 优先权日2003年10月30日
发明者文晓希 申请人:文晓希