基于光切显微镜的表面粗糙度参数的测量与研究讲解.docx

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基于光切显微镜的表面粗糙度参数的测量与研究讲解

题目基于光切显微镜的表面粗糙度参数的测量与研究

学生姓名学号

所在学院机械工程学院

专业班级测控082班

指导教师

完成地点陕西理工学院（北区）

2011年5月20日

基于光切显微镜的表面粗糙度参数的测量与研究

（陕理工机械工程学院测控技术与仪器082，陕西汉中723003）

指导教师：

[摘要]基于光切法测量为基础原理,选用光切显微镜、CCD摄像系统、虚拟仪器及数字图像处理开发了表面粗糙度检测系统。

详述了系统的硬件构成原理和核心器件CCD的选用方法;应用虚拟仪器开发平台LabVIEW及其视觉应用功能开发出检测系统的软件程序,运用图像处理技术从光切显微图像中提取出表面轮廓信号计算粗糙度评定参数。

[关键词]表面粗糙度;光切显微镜;CCD摄像头；图像处理;

Measurementandstudyofsurfacelightroughnessparametersbasedon

（Grade08,Class2，ShaanxiUniversityofTechnology，Hanzhong723003，Shaanxi）

Tutor:

Abstract:

lightcutmeasurementbasedontheprinciple,opticalmicroscope,CCDcamerasystem,virtualinstrumentanddigitalimageprocessingdevelopmentofthedetectionsystemofsurfaceroughness.DescribestheselectionmethodofprincipleandthecorecomponentsoftheCCDsystemhardware;theapplicationofvirtualinstrumentdevelopmentplatformLabVIEWandvisualfunctiondevelopeddetectionsystemsoftwareprogram,usingtheimageprocessingtechnologyfromthelightsectionmicroscopeimagetoextractsurfaceprofilesignalcomputingroughnessparameters.

Keyword:

surfaceroughness;lightmicroscope;CCDcamera;imageprocessing;

附录

引言

合理地评价表面粗糙度，对于产品质量的评定、机械性能的分析和加工条件的改善都具有重要意义。

随着机械加工自动化程度的提高，对表面粗糙度在线测量提出了越来越高的要求。

在工业生产的许多领域中，为了节省能源和材料、避免或减少零件在加工过程中的废品率、监测加工过程、提高产品质量等，也都要求对被测表面实行无损检测。

目前常用的粗糙度测量仪都是触针式的，虽然其测量灵敏度和横向分辨率较高，但因为存在运动和信号的同步问题，只能对静止的表面进行测量。

另外，触针与表面始终保持接触，尽管它对测量力进行了严格控制，但不可避免地会划伤表面和磨损触针。

加之它只能对表面进行一维线的测量，进一步影响了其测量效率和测量速度!

使之无法满足在线测量的要求。

1绪论

1.1选题的目的及研究意义

光切显微镜是用来测量工件表面粗糙度参数的仪器，其原理是通过光的照射将图像成像于目镜分划板上，测量沟槽宽度。

但是测量时读数不方便，图像也不明显，只适合作单一参数的测量，并且测量效率低，本设计题目拟利用光切法和摄像头获取光带形成的图像,用计算机软件对图像进行处理,提出一种操作简便,测量效率较高的测量方法。

1.2课题的研究方法

本课题采用CCD摄像头联接光切显微镜采集工件表面轮廓图像，然后用labvIEW图像处理软件进行图像处理，最后得到工件表面粗糙度的方法进行研究，

2表面粗糙度测量

表面粗糙度（surfaeeroughness）旧称表面光洁度（surfaeefinish）,是评定各种机械零件表面加工质量的一个重要指标。

生产实践经验表明,表面粗糙度不仅直接影响机械零件的耐磨性、耐腐蚀性、抗疲劳能力、密封性能以及外表镀层和美观等,而且还对机械设备的装配质量,配合性质,工作性能,

图2.1工件表面

使用寿命,动力消耗,振动及噪声等也有很大影响。

1981年,我国有关部门曾对几家主要拖拉机制造厂所生产的发动机曲轴、气缸体、活塞及连杆等关键零件进行过质量调查,结果发现在不合格的零件中,约有10%是因其表面粗糙度不符合要求而造成的。

因此,零件的表面粗糙度问题在工业生产,尤其在精密机械、仪器仪表、滚动轴承等制造业中,一直是个不容马虎的问题。

虽然我国早在周朝时代就会用动物油脂作润滑剂以减少两粗糙表面的摩擦磨损、西汉时期就发明了用研磨及抛光方法制造出表面极其光滑的青铜镜等,但是,人类对零件表面粗糙度进行全面、系统地研究迄今只有一百多年的历史。

2.120世纪以前表面粗糙度的测量技术

20世纪以前表面粗糙度的测量技术,可以追朔到新石器时代。

在新石器时代,磨制玉器的人们己经知道在加工过程中要沿着晶体的结构、纹理来琢、鉴、轧等。

同时还要经过研磨一套成形工艺,这样用手触摸起来才光滑。

许慎在《说文解字》中说:

“玉者,石之美者……温润而泽,仁之方也。

”可见,用眼睛才能观察出它的光泽,用手才能感觉到是否温润。

具体温润到什么程度,就没有一个标准来比较了。

同时,在新石器时代,随着农业工具的发展,磨制石器的技术也得到了很大的提高,追求光滑与平润,但是否光滑、平润,还是靠手和眼睛来观测。

社会向前发展了一两千年,但对物体表面的形状大多还是用目测法和触摸法。

（虽然加工手段出现了抛光处理）。

牛顿曾在第九版《大英百科全书》中说过:

“……这片玻璃是由伦敦一位工匠按照他们磨制望远镜片的同一方法磨制的,可是,尽管它看起来和一般制造的物镜一样好,但当它镀上水银以后,却发现整片玻璃上有很多地方反射不均匀。

……只要是能够将玻璃研磨抛光成正确球形的熟练工匠,就完全可以使这些望远镜片达到相当完美的程度……”由此可见,即使技术发展到17世纪60、70年代,对表面粗糙度的检验方法依然是观察法（目测法）。

随着机器大工业的发展,人们对机器各方面的问题如摩擦、磨损、刚度、硬度等都有所研究。

由于技术水平的限制,对表面形状的研究较少。

科学家由于研究的需要,对仪器精度要求较高,对光学元件的加工过程提供了许多革新办法,渐渐地人们对表面的形状和精确度也开始关注起来。

德雷格（Dregor）在他所编的《科学论文集》中认为:

“夫琅和费（Fraunhfer）所做的望远镜透镜质量非常好,他是第一个采用球形样板来检验表面精确度的人.”然而,法国人戴维（Deve）认为最早使用球形样板的是大约50年前法国的Laurent工厂。

无论如何,对表面粗糙度的检测在20世纪以前没有统一的标准,也没有可用的定量的检测仪器和方法。

人们在漫长的历史过程中也只是简单采用目测法、比较法、触摸法来定性地检测物体的表面。

虽然人们也曾采用了比较显微镜进行对比,但这些测量方法只能对表面微观不平度作出定性的综合评定,没有系统的理论来指导:

只有到了20世纪以后,表面粗糙度的测量才逐步系统地发展起来。

2.220世纪以后粗糙度的测量和发展

在表面粗糙度和零件加工这两个相互影响的技术领域中,最重要的问题是零件的生产成本直接受表面粗糙度的要求的影响。

为了设法弥补根据零件表面功能提出的对表面的技术要求这一环节的欠缺,从20世纪10、20年代开始,人们己着手对用什么样的仪器能最方便和最经济地测量出被测零件的表面形貌进行了研究。

1929年德国人施马尔兹（Schmalz）第一次对表面微观不平度的高度进行了定量的评定,并在此后出版了一本论述表面粗糙度的专著,书中提出了评定参数物叼泥和测量基准线的概念。

这两个概念的提出是表面粗糙度研究历史上的一次大的飞跃。

从此开始了对表面粗糙度的数量化描述。

同代人德国的尼克劳（Ni.olau）也对测量基准线的建立作出了贡献。

又过了7年,艾博特（E.j.Abbort）制成了第一台车间用测量表面粗糙度的仪器。

（它是现在美国Bendix公司测微计分厂生产的表面轮廓仪的先驱。

这种仪器用测量距离轮廓峰项的深度与支承面积比的关系曲线,即艾博特（E.j.Abbort）曲线来表征表面粗糙度）。

此后,英国研究成功了泰勒雪夫（Talysurf）触针式表面粗糙度测量仪。

从那时以来,各国也先后研制出不同效率的表面粗糙度轮廓仪。

这类触针式表面轮廓仪,操作方便,测量迅速,在各部门得到了广泛的应用。

但因测量时金刚石触针直接与被测零件表面相接触,特别是经研磨加工后的表面,以及受到触针曲率和仪器放大倍数的影响,测量精度受到了一定的限制:

所以,这类触针式表面轮廓仪对轻金属、塑料以及超精加工表面等都不适用。

因此又发展了无接触光学式表面粗糙度测量仪。

1951年联邦德国Opton厂生产出测量表面粗糙度的干涉显微镜,后来又出现了光切显微镜.以上这些测量仪器和测量方法一般只能对比较平直的内外表面进行测量,而且都属于静态的被动式测量,不能把加工表面的粗糙度信息及时地反馈给加工系统,且测量精度和测量效率都比较低。

从70年代初起出现了一系列新型仪器和测量方法。

1975年Taylor一Hobson公司研制出Talysurf一5型表面轮廓仪。

它采用电子计算机进行数据处理,并能对巧个评定参数直接显示出测量结果。

用其附件还可进行相关分析和快速傅立叶（Fourier）运算。

仪器的分辨率达到了10¯³µm。

同时,扫描电子显微镜（SEM）的出现,为表面粗糙度的测量开拓了又一新的途径。

它与电子触针式轮廓仪相比有极好的分辨率（用电子束扫描直径大约为10µm,而触针尖球状直径则为10µm）.它能对超精加工表面和轻金属表面进行无接触测量,不仅能定性地而且能定量地对工件表面进行评定。

概括起来讲,20世纪以来,测量表面粗糙度的方法主要有两大类,一是用轮廓法测量表面粗糙度:

二是用面积法评定表面握糙度。

用轮廓法测量的仪器,按其测量原理可分为触针法、光切法和显微镜干涉法,相应使用的仪器有触针式表面粗糙度测量仪、光切显微镜和干涉显微镜。

用面积法评定的方法主要有粗糙度比较样板、基于电容器原理的仪器、气动的仪器及基于反射测量

原理的仪器。

各种测量方法的一般测量方式和适应被侧对象见表2.1所示。

表2.1表面粗糙度的各种测量方法

测量方法

测量方式

适用被测对象

测量范围（µm）

比较法

凭主观感觉

外表面

Ra=0.025~25

光切法

轮廓截面上的Rz/Ry值

平面、外圆

Rz=0.80~80

显微镜干涉法

轮廓截面上的Rz/Ry值

平面、外圆

Rz=0.025

触针法

轮廓截面上的粗糙度各参数值

内外各种表面

Ra=0.04~10.0

电容法

在局部面积上的综合评定

外表面

Ra=0.32~10.0

气动法

在局部面积上的综合评定

平面、内外圆

Ra=0.04~5.0

光反射法

在局部面积上的综合评定

精加工表面

Ra=0.01~0.32

光纤法

在局部面积上的综合评定

内孔、沟槽、曲面

Ra<=0.32

激光光斑法

在局部面积上的综合评定

平面、曲面

Ra=0.01~0.6333

印模法

间接测量

内表面、大工件

Ra>=0.80

2.3表面粗糙度测量技术的发展方向

为了使表面粗糙度的测量结果与测量目的更趋于一