表面三维微观形貌检测技术及其发展

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1、中国机械工程第10卷第12期1999年12月表面三维微观形貌检测技术及其发展蒋剑峰何永辉赵万生摘要从表面特征衡量的角度阐述三维参数评定的客观性及合理性,强调三维微观形貌测量的重要性。介绍当前表面三维微观形貌检测的多种测量方法及其特点,并阐述该测量技术的发展及趋势,提出表面形貌检测应从简单过程检测的角色扩展到完成工艺优化角色的思想。关键词表面特征衡量三维微观形貌测量参数评定工艺优化中国图书资料分类法分类号TG84蒋剑峰博士研究生表面三维形貌检测是获取零件表面形态特征判方法的同时,三维微观形貌检测显得尤其重要,的一种重要手段,也是记录、比较和复制物体形态因为检测的精确程度决定着特征参数评判的可

2、靠特征的基础,它在机器视觉、自动加工、工业检测、程度。产品质量控制、生物和医学等领域具有重要意义和2表面三维微观形貌检测技术[1]广阔的应用前景。表面三维形貌检测是一个广义范畴,其方法非1表面特征的衡量常丰富,但很难用宏观测量与微观测量对其进行准在生产实际中,加工手段及加工工艺的优劣是确划分。随着测量技术的发展和提高,宏观与微观通过检测加工工件表面质量的特征参数来衡量的。之间的界限也日益模糊,某些技术完全可以实现从这些特征参数通过基于轮廓的测试仪器得到单条纳米级到毫米级的大范围测量。这里所说的微观形轮廓线,从而评价形貌特征的变化。表面特征一般貌检测是指在表面粗糙度及波度范围内的形貌检分为粗

3、糙度、波度、形状误差和尺寸误差4个主要测。方面。一般粗糙度的表面波长为2Lm～800Lm,表面三维微观形貌检测方法按是否与被测表[2,3]幅度为0105Lm～5Lm;波度的表面波长为250面接触分为接触式和非接触式两类。Lm～8mm,幅度为1Lm～20Lm。但它们只是二2.1接触式三维形貌检测技术维参数,像上漆性、容油性、耐磨损性这样复杂的表接触式表面形貌检测技术发展较早,技术也比面性能显然无法完全通过得到1条简单的二维轮较单一,仪器有触针式轮廓仪,且长期以来局限于廓线来直观形象地表征,因为在实际应用中,工程二维检测。随着产品表面质量要求的提高和精密超表面使用的是其某一个区域,而并不是1条

4、轮廓精密加工技术的发展,有了对三维形貌检测的需线。而且具有完全相等的二维表面粗糙度值的表要,国内外在该方向上作了大量研究,通过在传统面,其三维形貌可能千变万化。于是人们开始提出的二维触针式轮廓仪基础上增加一维移动,从而实用三维特征参数来评判零件表面性能。遗憾的是,现了三维测量。国内目前还没有这类成熟的产品,国际上最为许多三维特征参数并未真实地反映表面三维特征。著名的是英国RankTaylorHobson公司,他们推因为如果1个表面有大范围的多种特征类型的话,出过一系列比较成熟的产品,并在生产实际中获得用目前的三维特征参数评判,则各个特征的贡献会了广泛的应用。其代表性的产品是TaylorSc

5、an3D被平均,特征的平均就意味着它在评判时并不是非常有价值的。在某些方面,零件性能并不是与所有scanner型具有高速扫描头的表面三维轮廓仪。另外美国ZYGO公司也推出了DektakseriesV型的特征参数相互作用,不同的特征与不同的性能相接触式表面轮廓仪。互影响,这就需要根据性能赋予表面以特征,这样接触式测量方法测量精度较高、量程大、测量的评判表面特征才更有价值。在期望更有价值的评结果稳定可靠、重复性好,此外它还可以作为其他收稿日期:1998—09—21修回日期:1999—11—01形貌测量技术的比对方法,但是也有其难以克服的·1418·表面三维微观形貌检测技术及其发展——蒋剑峰何永

6、辉赵万生缺点:①由于测头与测件相接触造成的测头变形和磨损,使仪器在使用一段时间后测量精度下降;②测头为了保证耐磨性和刚性而不能做得非常细小尖锐,如果测头头部曲率半径大于被测表面上微观凹坑的半径必然造成该处测量数据的偏差;③为使测头不至于很快磨损,测头的硬度一般都很高,因此不适于精密零件及软质表面的测量。2.2非接触式三维形貌检测技术图2原级变换器示意图非接触式的三维形貌检测技术有采用微波技度相关的光信号经光学系统后,被图像传感器采集术、超声技术及电场技术的尝试,但绝大部分是采并形成数字图像存入计算机,利用已存储的校准数用光学测量技术,其最显著的特点是将传统光学计据,使采集的灰度数据信息转变

7、为各点的微观高度量技术与信息光学和信息处理技术相结合,目前主信息。要有相移干涉法、激光全息法、光学散斑法、光扫描该方法最主要优点是测量速度快,抗干扰性能[3]好。遗憾的是还没有成熟的产品。法、激光光触针法。这些方法的共同特点是通过将表面微观轮廓的高度信息转换为光、声、电等易2.2.2白光相移干涉法于判别的信号,从而达到测量的目的。美国WYKO公司经过多年开发,采用白光相目前光学测量法主要包括光学散斑法、激光三移干涉技术,