專利名稱：一種檢測表面粗糙度的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于長度計(jì)量中的表面粗糙度測量領(lǐng)域，確切地說，它是一種使用光切顯微鏡實(shí)現(xiàn)多參數(shù)自動(dòng)測量的技術(shù)。
在《光切顯微鏡和干涉顯微鏡》(《光切顯微鏡和干涉顯微鏡》編寫組編著，機(jī)械工業(yè)出版社1978.12)一書中公開了光切顯微鏡的原理、結(jié)構(gòu)及測量方法。這種光切顯微鏡的最大優(yōu)點(diǎn)是利用光切法非接觸地直接獲得被測表面的粗糙度亮帶圖象。理論上講，只要能測得該粗糙度亮帶圖象邊緣的各點(diǎn)坐標(biāo)值，并且邊緣長度達(dá)到一個(gè)取樣長度，就可以按有關(guān)定義計(jì)算出粗糙度任一個(gè)參數(shù)。但實(shí)際上，目前的光切顯微鏡測量途徑都沒有很好解決取樣長度內(nèi)邊緣點(diǎn)的測量問題。所以，目前的光切顯微鏡在正常使用條件下，不適合提供除Rz和Ry參數(shù)外的其他粗糙度參數(shù)，不能進(jìn)行自動(dòng)測量，這使光切顯微鏡的使用受到了限制;特別是由于表面粗糙度新國標(biāo)(GB1031-83)中推薦優(yōu)先使用Ra參數(shù)后，使現(xiàn)有的光切顯微鏡無法滿足新國標(biāo)要求，更加限制了這種儀器的應(yīng)用。
本發(fā)明的目的就是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能自動(dòng)地檢測Ra及其他所有參數(shù)(指GB1031-83所涉及到的高度評(píng)定參數(shù)及輔加評(píng)定參數(shù))的表面粗糙度檢測方法及裝置。
本發(fā)明是通過下面方式實(shí)現(xiàn)的。
一種檢測表面粗糙度的方法，它包括用光切法獲得表面粗糙度的亮帶圖象，使其清晰地出現(xiàn)在檢測視場中，其特征在于它還包括以下步驟(1)將檢測視場中的亮帶圖象數(shù)字化成M(行)×N(列)的數(shù)字圖象;
(2)對(duì)步驟(1)得到的數(shù)字圖象進(jìn)行邊緣檢測，得到一個(gè)檢測視場的邊緣曲線各點(diǎn)坐標(biāo);
(3)如果已檢測到的邊緣曲線長度不足被測表面所規(guī)定的取樣長度，則使檢測視場與粗糙度亮帶圖象產(chǎn)生一個(gè)場寬的相對(duì)移動(dòng)，使檢測視場中出現(xiàn)粗糙度亮帶圖象的下一部分，返回到步驟(1)，依次向下執(zhí)行，直到檢測的邊緣曲線長度大于或等于規(guī)定的取樣長度;
(4)截取取樣長度內(nèi)的邊緣曲線坐標(biāo)點(diǎn)，計(jì)算以象素為單位的表面粗糙度多參數(shù)值;
(5)根據(jù)定標(biāo)確定的一個(gè)象素所代表的真實(shí)寬度及高度值，把步驟(4)中粗糙度值進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，得到一個(gè)取樣長度內(nèi)的表面粗糙度多參數(shù)。
一種實(shí)現(xiàn)上述檢測方法的粗糙度檢測裝置，它包括一個(gè)基座;一個(gè)立柱，它安裝在基座上;一個(gè)橫臂，它安裝在立柱上，并可沿立柱上下滑動(dòng);一個(gè)粗調(diào)手輪，通過螺紋，聯(lián)接在立柱上，用于控制橫臂在立柱上的位置;一個(gè)鎖緊旋手，用于鎖緊橫臂，使其不能沿立柱滑動(dòng)，一個(gè)顯微鏡主體，與橫臂相連;一個(gè)微調(diào)手輪，用于微調(diào)顯微鏡主體與橫臂的位置;一組可換物鏡組，其安裝在顯微鏡主體的底部，并可根據(jù)不同的檢測要求進(jìn)行更換;一個(gè)照明燈，其安裝在顯微鏡主體上部的照明接口里;一個(gè)照明燈亮度調(diào)整裝置，其可為照明燈提供可調(diào)電源，控制照明燈的亮度。
除此之外，它還包括(1)一個(gè)圖象傳感器，其安裝在鏡體上，用于把檢測視場內(nèi)的圖象轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào);
(2)一個(gè)圖象顯示裝置，它能把接收到的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的圖象顯示出來;
(3)一個(gè)圖象采集裝置，其接收?qǐng)D象傳感器的有關(guān)信號(hào)，用于把檢測視場中的圖象數(shù)字化成數(shù)字圖象;
(4)一個(gè)帶有步進(jìn)電機(jī)的坐標(biāo)工作臺(tái)，其放置在基座上，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)可驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)位移;
(5)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，其為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)脈沖;
(6)一個(gè)具有控制及計(jì)算功能的裝置，其有關(guān)信號(hào)線與圖象采集裝置及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置相連，既可完成控制功能，又可完成計(jì)算功能。
本發(fā)明的效果是(1)可使光切顯微鏡鏡體內(nèi)的亮帶圖象在鏡體外的圖象顯示裝置上顯示出來，便于觀察及儀器的調(diào)整;
(2)在完成必要的調(diào)整后，本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)檢測;
(3)可以單獨(dú)或同時(shí)檢測出粗糙度標(biāo)準(zhǔn)GB1031-83所涉及到的任何一個(gè)參數(shù)(如Ra，Ry，Rz，S，Sm，tp);
(4)可以檢測粗糙度標(biāo)準(zhǔn)GB1031-83未涉及到的其他粗糙度參數(shù)值;
(5)檢測結(jié)果可信，重復(fù)精度高;
(6)本發(fā)明對(duì)光切顯微鏡的改型制造及現(xiàn)有光切顯微鏡的改造具有重大作用。


圖1為本發(fā)明所涉及的檢測視場及其粗糙度亮帶圖象圖2為本發(fā)明粗糙度檢測裝置示意3為帶步進(jìn)電機(jī)的坐標(biāo)工作臺(tái)的一種實(shí)施例結(jié)構(gòu)俯視圖。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的最佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
在圖1的檢測視場[1]中，粗糙度亮帶圖象[2]是橫向放置的。檢測視場[1]內(nèi)的圖象被數(shù)字化成M(行)×N(列)的二值數(shù)字圖象，對(duì)該二值數(shù)字圖象進(jìn)行邊緣檢測可得到以象素為單位的上側(cè)邊緣曲線各點(diǎn)坐標(biāo)。若測得邊緣曲線長度不足被測表面要求的取樣長度，則可讓粗糙度亮帶圖象[2]與檢測視場[1]產(chǎn)生一個(gè)視場寬度的相對(duì)移動(dòng)，使檢測視場[1]中出現(xiàn)下段粗糙度亮帶圖象，繼續(xù)按上述方法檢測出其上側(cè)邊緣曲線各點(diǎn)坐標(biāo)，直到所檢測到的邊緣曲線長度等于或超過所要求的取樣長度。截取取樣長度內(nèi)的邊緣曲線坐標(biāo)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可得到以象素為單位的表面粗糙象的多個(gè)參數(shù)值。根據(jù)定標(biāo)所確定的一個(gè)象素所代表的真實(shí)寬度及高度值，把上述粗糙度各個(gè)參數(shù)值進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，就得到一個(gè)取樣長度內(nèi)的表面粗糙度多參數(shù)。
圖2給出了本發(fā)明表面粗糙度檢測裝置的示意圖。在本實(shí)施例中，具有計(jì)算及控制功能的裝置[27]采用計(jì)算機(jī)，圖象顯示裝置[23]采用一種監(jiān)視器，圖象采集裝置[25]使用一種實(shí)時(shí)二值圖象采集板，圖象傳感器[24]采用一種真空管式工業(yè)攝象機(jī)，由圖2可說明本裝置的測量過程。
測量前，可把各個(gè)物鏡組[11]裝到光切顯微鏡主體[12]上，利用相應(yīng)的定標(biāo)樣塊對(duì)各個(gè)物鏡組進(jìn)行定標(biāo)用高度差已知的表面，例如單刻線樣板，來確定一個(gè)象素所代表的真實(shí)高度;用有效長度足夠的標(biāo)準(zhǔn)刻度尺，例如格值為0.01mm的標(biāo)準(zhǔn)刻度尺，來確定一個(gè)象素所代表的真實(shí)寬度。這樣得到使用各物鏡組時(shí)所對(duì)應(yīng)的一個(gè)象素所代表的真實(shí)寬度及高度的定標(biāo)參數(shù)值。測量時(shí)，選擇與被測工件表面相適應(yīng)的物鏡組[11]，安裝在顯微鏡主體[12]上，把被測工件[10]，如一個(gè)由車削得到的金屬小軸，水平放置在工作臺(tái)[9]上。第一步操作是必要的手工調(diào)整調(diào)整顯微鏡主體[12]與帶步進(jìn)電機(jī)坐標(biāo)工作臺(tái)[9]的相對(duì)位置，使工作臺(tái)[9]的X向運(yùn)動(dòng)與工件[10]上的亮帶方向一致;松開鎖緊的旋手[17]，調(diào)整工作臺(tái)[9]的x、y向千分尺[21]、[7]及粗調(diào)手輪[19]，使需檢測位置的粗糙度亮帶圖象出現(xiàn)在監(jiān)視器[23]的屏幕上，再擰緊鎖緊旋手[17];調(diào)節(jié)微調(diào)手輪[16]，及照明燈亮度調(diào)整裝置[8]的輸出電壓[13]，使檢測視場[1]中的亮帶圖象上側(cè)邊緣清晰且黑白分明;再把選用物鏡組所對(duì)應(yīng)的定標(biāo)參數(shù)值及被測工件表面所要求的取樣長度值送給計(jì)算機(jī)[27]，以備計(jì)算時(shí)使用，以后各步就可在計(jì)算機(jī)[27]的控制下自動(dòng)完成。第二步，計(jì)算機(jī)[27]通過信號(hào)線[26]向?qū)崟r(shí)二值圖象采集板[25]發(fā)出采樣指令，則實(shí)時(shí)二值圖象采集板[25]可把檢測視場的圖象信息自動(dòng)數(shù)字化成二值數(shù)字圖象并存儲(chǔ)在其自身的存儲(chǔ)區(qū)中，等采樣工作完成后，計(jì)算機(jī)[27]再次通過信號(hào)線[26]向?qū)崟r(shí)二值圖象采集板[25]發(fā)出傳輸指令，把該裝置[25]存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)中的二值數(shù)字圖象信息依次傳入計(jì)算機(jī)[27]內(nèi)的存儲(chǔ)區(qū)。第三步，計(jì)算機(jī)[27]對(duì)自身存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的二值數(shù)字圖象的上側(cè)邊緣進(jìn)行檢測，把所檢測到的以象素為單位的邊緣曲線坐標(biāo)點(diǎn)依次記錄下來。第四步，計(jì)算機(jī)[27]把已檢測到的邊緣長度與被測件[10]表面所要求的取樣長度相比較如果前者小于后者，則計(jì)算機(jī)[27]通過信號(hào)線[30]向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置[3]發(fā)出控制指令，使裝置[3]輸出一定個(gè)數(shù)的驅(qū)動(dòng)脈沖給步進(jìn)電機(jī)[5]，使步進(jìn)電機(jī)[5]產(chǎn)生一定步數(shù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)工作臺(tái)[9]拖動(dòng)工件[10]沿x向產(chǎn)生相應(yīng)的位移，致使粗糙度亮帶圖象[2]水平移過一個(gè)視場寬度，新的一場粗糙度亮帶圖象出現(xiàn)在檢測視場[1]中，之后，計(jì)算機(jī)[27]返回第二步向下重復(fù)執(zhí)行各步操作;如果前者大于或等于后者，則執(zhí)行下面第五步的操作。第五步，計(jì)算機(jī)[27]截取被測工件[10]規(guī)定的取樣長度內(nèi)的邊緣曲線坐標(biāo)點(diǎn)，進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理及運(yùn)算，得到以象素為單位的被測表面粗糙度多參數(shù)值。第六步，根據(jù)所用物鏡組[11]定標(biāo)時(shí)所確定的一個(gè)象素所代表的真實(shí)寬度及高度值，把第五步得到的以象素為單位的粗糙度多參數(shù)值進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，最后得到被測工件[10]在一個(gè)取樣長度內(nèi)的表面粗糙度多參數(shù)，該結(jié)果信息可通過信號(hào)線[28]用打印裝置[29]打印輸出，也可用計(jì)算機(jī)[27]的顯示屏顯示出來。
表1給出了本發(fā)明實(shí)施例與英產(chǎn)TALYSURF-6型電動(dòng)機(jī)輪廓儀對(duì)同一被測工件在一個(gè)取樣長度內(nèi)進(jìn)行檢測的對(duì)比結(jié)果;
表2給出了本發(fā)明的實(shí)施例對(duì)同一被測工件在一個(gè)取樣長度內(nèi)進(jìn)行十次重復(fù)測量的結(jié)果;
通過表1、表2也可說明本發(fā)明的效果。
表1項(xiàng)目單位本發(fā)明TALYSURF-6Raum3.243.19Ryum17.515.8Rzum15.6不能提供Smum306.5307Sum206.3204tp(中線處)%3943
表2重復(fù)次數(shù)單位本發(fā)明Ra值1um3.282um3.243um3.264um3.295um3.246um3.267um3.248um3.219um3.2110um3.20圖3給出了帶步進(jìn)電機(jī)坐標(biāo)工作臺(tái)[9]一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)俯視圖。這是在公知的光切顯微鏡工作臺(tái)結(jié)構(gòu)中增加了兩個(gè)支撐桿[31]，兩個(gè)螺帽[33]，一塊支承板[32]，一個(gè)步進(jìn)電機(jī)[34]及一個(gè)小螺釘[35]。拖板[38]是固定在y向工作臺(tái)上，其不能產(chǎn)生x向移動(dòng)。兩個(gè)支撐桿[31]聯(lián)接在拖板[38]上，一塊支承板[32]與支撐桿[31]連接在一起，一種步進(jìn)角為0.9°的步進(jìn)電機(jī)[34]安裝在支承板[32]上，步進(jìn)電機(jī)的輸出軸[42]穿過支承板[32]的中心孔與x向螺旋千分尺的絲桿[40]通過小螺釘[35]聯(lián)接在一起。步進(jìn)電機(jī)[34]接收到驅(qū)動(dòng)脈沖后，其輸出軸[42]會(huì)帶動(dòng)絲桿[40]轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿[40]一端頂在聯(lián)接在拖板[38]上的頂頭[39]上，因而其會(huì)帶動(dòng)與絲桿相連的絲母[36]拖動(dòng)x向工作臺(tái)[37]沿x向運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)無驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，也可手工驅(qū)動(dòng)螺旋千分尺的手柄[41]，實(shí)現(xiàn)x向工作臺(tái)的移動(dòng)。上述實(shí)施例涉及到的各技術(shù)特征發(fā)生下述變動(dòng)時(shí)，不會(huì)偏離本發(fā)明的本質(zhì)1、在圖1中，檢測視場[1]中的圖象被數(shù)字化成M(行)×N(列)的多灰度級(jí)數(shù)字圖象，例如8灰度級(jí)數(shù)字圖象，64灰度級(jí)數(shù)字圖象，256灰度級(jí)數(shù)字圖象等等;相應(yīng)地，圖2中圖象采集裝置[25]可采用一種多灰度級(jí)圖象采集板。
2、在圖2中，圖象傳感器[24]可安裝在其他位置，例如，通過目鏡鏡筒安裝在原光切顯微鏡主體的目鏡接口上;
3、圖2中的圖象傳感器[24]可選用CCD面陣攝象機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種檢測表面粗糙度方法，它包括用光切法獲得表面粗糙度亮帶圖象，使其清晰地出現(xiàn)在檢測視場中，其特征在于，它還包括以下步驟(1)將檢測視場中的亮帶圖象數(shù)字化成M(行)×N(列)的數(shù)字圖象；(2)對(duì)步驟(1)得到的數(shù)字圖象進(jìn)行邊緣檢測，得到一個(gè)檢測視場的邊緣曲線各點(diǎn)的坐標(biāo)；(3)如果已檢測到的邊緣曲線長度，不足被測表面所規(guī)定的取樣長度，則使檢測視場與粗糙度亮帶圖象產(chǎn)生一個(gè)視場寬度的相對(duì)移動(dòng)，使檢測視場中出現(xiàn)粗糙度亮帶圖象的下一部分，返回到步驟，依向下執(zhí)行，直到檢測的邊緣曲線長度大于或等于規(guī)定的取樣長度；(4)截取取樣長度內(nèi)的邊緣曲線坐標(biāo)點(diǎn)，計(jì)算以象素為單位的表面粗糙度多參數(shù)值；(5)根據(jù)定標(biāo)所確定的一個(gè)象素所代表的真實(shí)寬度及高度值，把步驟(4)中的粗糙度多參數(shù)值進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，得到一個(gè)取樣長度內(nèi)的表面粗糙度多參數(shù)值。
2.一種使用權(quán)利要求1所述方法的粗糙度檢測裝置，它包括一個(gè)基座，一個(gè)立柱，一個(gè)橫臂，一個(gè)粗調(diào)手輪，一個(gè)鎖緊旋手，一個(gè)光切顯微鏡主體，一個(gè)微調(diào)手輪，一組可換物鏡組，一個(gè)照明燈及一個(gè)照明燈亮度調(diào)整裝置，其特征在于，它還包括(1)一個(gè)圖象傳感器，其安裝在光切顯微鏡主體上，用于把檢測視場內(nèi)的亮帶圖象轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào);(2)一個(gè)圖象顯示裝置，它能把接收到的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的圖象顯示出來;(3)一個(gè)圖象采集裝置，其接收?qǐng)D象傳感器的有關(guān)信號(hào)，用于把檢測視場中的圖象數(shù)字化成數(shù)字圖象;(4)一個(gè)帶有步進(jìn)電機(jī)的坐標(biāo)工作臺(tái)，其放置在基座上，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)可驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的位移;(5)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，其為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)脈沖;(6)一個(gè)具有控制及計(jì)算功能的裝置，其有關(guān)信號(hào)線與圖象采集裝置及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置相連，既可完成控制功能，又可完成計(jì)算功能。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種檢測表面粗糙度的方法及裝置。該方法是用數(shù)字圖象處理技術(shù)對(duì)一場或連續(xù)幾場的光切亮帶圖象進(jìn)行邊緣檢測，得到一個(gè)取樣長度內(nèi)以象素為單位的邊緣輪廓坐標(biāo)點(diǎn)及粗糙度多參數(shù)，根據(jù)定標(biāo)進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，可得一個(gè)取樣長度內(nèi)的表面粗糙度多參數(shù)。使用這種方法的裝置是在光切顯微鏡基礎(chǔ)上通過增加圖象傳感器，圖象采集裝置，計(jì)算與控制裝置等部件制作的。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了光切顯微鏡對(duì)表面粗糙度的多參數(shù)自動(dòng)測量。
文檔編號(hào)G01B21/30GK1081250SQ9210660
公開日1994年1月26日 申請(qǐng)日期1992年7月10日 優(yōu)先權(quán)日1992年7月10日
發(fā)明者劉守斌 申請(qǐng)人:山東工業(yè)大學(xué)