激光扫描粗糙度测量仪的研制

D0I:10.13374/j.iss1001-053x.1990.0M.029 第12卷第4期 北京科技大学学报 Vol.12 No.4 1990年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ju1y1990 。。-一一二 激光扫描粗糙度测量仪的研制 龚 育良* 摘要：介绍邀光打猫和糙度滩量仪的测址原理、结构及站果，本测量仪根据激光在工 件农面的反射放射原凰，应用激光扫描技术、数据采集、AD转换和定标曲线的计算机拟 合，整个测量过程在单板机控制下白动完成。测量粗糙度Ra的分辨率为0,0014m,测量重 复精度为0.006μm。 关键词：激光，扫描，粗糙度，测量 A Instrument on Surface Roughness Measurement with Laser Scanning Gong Yuliang' ABSTRACT:By employing the principle of laser reflecting scattering from the surface of the work piece and the laser scanning technique allied with compu- tered data collection,A/D transition and calibration curve fitting,the instrument can measure the surface roughness automatically.The resolution and repro- ducibility of the roughness measurcment are 0.0014m and 0.006um respectively. KEY WORDS:laser,scanning,roughness,measurement 表面粗糙度是对零件加工表面形貌所有微小间距和峰谷不平度的微观几何尺寸特征的综 合评价。由于表面形貌特征强力地影响金属和非金属的表面性能，因此，它不仅在传统的摩 擦、摩损和润滑领域中，而且在密封、流体动力学、接触力学、电和热的传导乃至表面电化 学性质等方面日益得到科学技术人员的关注。在现代化的连续生产，如20馄轧机上轧制极薄 带、冷乳不锈钢带和高级铝质装饰材料等都存在表面质量的监控和保证问题，传统的触针法 1989-02-22收稿 ·物理系(Department of Physics) 375

第 卷第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 ， 、 。 激光扫描粗糙度测量仪的研制 卜 龚 育 良 ‘ 仪 摘 要 介绍 激光 扫 描粗 糙 度 测 最 仪 的 测 业 原 理 、 结 构 及 结 果 。 本 测 盐 仪 根 据 激光 在 件 表 曲钩反射 故射 原 理 ， 应 用 激 光 扫描 技术 、 数 据采 集 、 转换和 定 标曲线 的计 算机 拟 合 ， 整 个测 量 过 程在单 板 机控 制下 白动 完成 。 测量粗糙 度 双 的分辨率为 。 。 。 拜 ， 测 量 重 复 精度 为 “ 。 关 键 词 激光 ， 扫 描 ， 粗糙 度 ， 测 量 ， 资饭 夕 ’ 、 且 ， 人 ， 往 声 声 ， ， ， 表面粗糙 度是对零件加工 表面形 貌所 有微小 间距和峰 谷不平度的微观 几 何尺寸特 征的综 合评价 。 由于 表面形 貌特征强 力地影 响金属 和非金属的 表面性能 ， 因此 ， 它 不仅 在传统的摩 擦 、 摩损 和润 滑领域 中 ， 而且 在密封 、 流 体动力 学 、 接 触力学 、 电和热的 传导 乃至表面 电化 学性 质等方 面 日益 得到科 学技术人 员的 关 注 。 在现代化的 连续生产 ， 如 辊轧 机 上轧 制极 薄 带 、 冷轧 不锈 钢带和 高级铝质装饰材料等都存 在表面质量的监控 和保证问题 ， 传 统的触针 法 毛、 一 一 收 稿 物理 系 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1990．04．029

和光学法无法解决这个问题。应用计算机技术和扫描技术的激光反射散射比法测量表面粗糙 度能满足不接触、快速、连续和实时在线测量的要求，为此研制了LSA-1型激光扫描粗糙度 测量仪。经本测量仪在北京第二量具厂，第二纺织机械厂等儿个单位进行的测量试验来看， 这种测量仪可对R>0.22μm(V9以上)的工件加工表面进行不接触的快速测量。而且本测 量仪依据的原理和采用的先进技术原则上可移植到在线测量上，当然尚有一些问题有待今后 改进和解决。 1激光散射测量表面粗糙度的原理和实验依据 当激光束以一定的入射角照射到经过研磨或轧制加工的金属表面时，除一部分被吸收 外，大部分被反射和散射。如在反射方向放置一观察屏，屏上将出现反射光斑（核心亮 图1不时粗糙度表面的图谱 Fig.1 Atlas for differential surtace roughness 斑)，在它的两侧有许多小的光斑（散斑）形成的光带，反射光核和散射光带形成了与表面 粗糙度有关的图谱，图1为不同粗糙度等级表面的相应图谱。由图看出，随着粗糙度级别的 提高，反射光斑越来越强，而散射光带越来越弱，光带的宽度也随之变容，反射光和散射光 的比随粗糙度级别的提高而增大。 V9以上不同粗糙度表面图谱的差别是很大的，但V9以下，镜面反射光点已经消失，只 有形状类似的散射光带，图谱的差别已不明显，因此反射散射比法适于测量高粗糙度的工作 表面。 根据上述原理，对反射散射比法测量表面粗糙度的各种测量条件和因素进行的较系统的 实验和分析表明，虽然入射角小于某一临界角后，反射散射比R和粗糙度R,不是单值关系。但 在相当大的入射角范围内，尤其是R。<0,24m范围内，R.不但是R的单值函数，而且R.随R 变化的反应比较灵敏。因此，对于光滑表面，该法是一种简单可靠的测量表面粗糙度的方法。 它对接收距离、光源功率、环境条件都无苛刻的要求1，这就为研制相应测量装置提供了 有力的实验依据。 376

和光学法无法解决 这 个 问题 。 应 用计算机 技术 和扫描 技术的激光反射散 射 比法测 量表面粗糙 度能 满足不接 触 、 快速 、 连续和 实 时在线测 量的要 求 ， 为此 研制 了 一 型 激 光 扫描 粗糙 度 测 量仪 。 经 本测 量仪 在北京 第二 量具厂 ， 第二 纺织 机械厂 等几 个单位进 行的测 量 试验 来 看 ， 这种测 量 仪可对 声 以上 的工件 加 工 表面进 行 不 接 触 的 快速测 量 。 而且本测 量仪 依据 的原理 和采 用 的 先进技术原 则上可移植到 在线测 量 上 ， 当然 尚有一 些 问题有待今后 改 进和解决 。 激 光散射测量表面粗糙度 的 原理和 实验依据 当激光 束 以一 定的人 射 角照射 到经过 研磨或轧 制 加工 的 金属 表 面 时 ， 除一 部 分 被 吸 收 外 ， 大部分被 反射 和散射 。 如 在反射 方向放置一观 察屏 ， 屏 上将 出 现 反 射 光 斑 核 心 亮 图 不 同粗糙 度表 面 的图 谱 斑 ， 在它 的 两侧 有许多小 的光斑 散斑 形 成的光带 ， 反射光核和 散射光带形成 了与表面 粗糙度 有关 的 图谱 ， 图 为不 同粗糙度等级 表面的相 应 图谱 。 由图看出 ， 随 着粗糙度级别 的 提 高 ， 反 射光斑 越来 越强 ， 而 散 射 光带越来越 弱 ， 光带 的 宽度也 随 之变窄 ， 反 射光 和散射 光 的 比随粗 糙 度级 别的 提 高而增大 。 以上不 同粗糙 度 表面 图谱的差别是 很大 的 ， 但 以下 ， 镜 而反 射光 点 已经 消失 ， 只 有形 状 类似 的散射 光 带 ， 图谱的 差别 已不 明显 ， 因此 反射 散射 比 法适于测 量 高粗糙度的工作 表面 。 根据 上述原 理 ， 对反射 散射 比 法测 量表 面粗糙度 的 各种 测 量 条件和因 素进 行的较 系 统的 实验 和分析 表 明 ， 虽 然人 射 角小于 某一 临界 角后 ，反 射 散射 比 和粗 糙度 。 不是单 值关系 。 但 在相 当大 的入射角范 围 内 ， 尤 其是 。 声 范 围 内 ， 。 不 但是 的单 值函数 ， 而且 。 随 变化的反应 比较 灵敏 。 因此 ， 对于 光 滑 表面 ，该 法是一种 简单可靠 的测 量表面粗 糙度的方法 。 它 对接 收距离 、 光源 功 率 、 环 境 条件都 无苛 刻的要 求 〔 ’ 〕 ， 这 就为研 制相应测 量 装 置 提 供 了 有 力的 实验 依据

2仪器总体设计与结构 仪器总体结构如图2所示。激光束以60°入射角照射到被测表面上，反射形成的核心光 斑和散射形成的光带分别被硅光电池D2和D,吸收后转换为电信号，经放大后送入A/D转换 板，由TP801B控制器进行数据采巢和A/D转换，最后由TP-801B进行数据处理并打印出测 量结果。 的 (1)光源与探测器。激光器为一般测量用的2~3mWHe-Na激光器。光电接收转换器D1 图2被光扫描表面粗髓度测量仪钻构图 1He-Na数光器？二十四面旋转镜3直流马达4透镜5反射镜 6样品平台7硅光电池8TP8O1B单板机9A/D转换和打印接口电路 10单板机电源1】变压器12马达电源 Fig.2 Schematic diagram of configuration for laser scanning roughness 和D2分别由18块和3块性能相同的硅光电池并联而成，其中D2的高度应大于反射光核的线 度，D1高度要保持足够长，以保证吸收到足够的散射光能。 (2)扫描系统。采用高惯量局部照明的旋转多面镜作为扫描器的偏转元件。如图3所示， 激光束入射到多面镜上，当多面镜发生AB角位移时，反射光 束发生2△0角位移。每当多面镜转过一个面，反射光完成一 次扫描。若N为多面镜的面数，n为马达每分钟转数，则扫 描角为28=2(360/N),扫描频草v=nV/60。将扫描的 反射点置于透镜焦点上，透过透镜便得到一列平行的扫描光 图3多面镜扫描 束，扫描宽度为2X=2ftg9=2ftg(360/V),式中f为透镜 Fig.3 Polyhedrong scannin 焦距。本仪器有二种工作方式：当多面镜不转时为定点测量方式；当多面镜旋转时为扫描测 量方式，所以光电转换器D:和D2的宽度应大于扫描宽度。 (3)数据处理系统。系统框图如下所示。 单板机接口电路由3部分组成：①小信号放大，多路开关；②AD转换采用高精度、 高速12位芯片A/D574,12条数据线直接通过PI0A口的8条和B口的高4位的4条线输入， 377

仪器总体设 计与结构 仪 器总 体结 构如 图 所 示 。 激光 束 以 。 入 射角照射 到 被测 表 面 上 ， 反 射形成 的核心光 斑和 散射形 成的光带 分别被 硅光 电池 和 吸收后转换 为 电信 号 ， 经放大后送 人 转换 板 ， 由 控 制 器进 行数据采 集和 转换 ， 最后 由 一 进行 数据处理 并打 印出测 量结 果 。 光源 与探 测 器 。 激光器为一般测 量用的 一 一 激光器 。 光 电接收转换器 、 、 勺 巧二乙，一，汗 咎介‘ 曰 图 激光 扫描 表 面粗 糙 度 测量 仪 结构 图 。 一 激光 器 二 十四 面旋转镜 直 流 马 达 透 镜 反射 镜 样 品平 台 硅 光 电池 单 板机 人 转 换和 打 印接 口 电路 单板机 电源 变压器 马 达 电源 和 分别 由 块 和 块 性 能 相 同 的 硅 光 电池 并联而 成 ， 其 中 的 高度应大于反 射光核 的线 度 ， ，高度要 保 持足 够长 ， 以保证吸收 到足够的 散射 光能 。 扫描系 统 。 采用 高惯 量局 部照 明的旋转 多面镜作为 扫描器 的 偏 转元 件 。 如 图 所示 ， 激光束入 射到 多面镜上 ， 当多面镜 发生△ 角位移时 ， 反射光 束发生 角位移 。 每当多面 镜转过一 个面 ， 反射光完成一 次扫描 。 若 为 多面镜的 面数 ， 为马达每分钟转 数 ， 则 扫 描角 为 口 ， 扫描须 率 二 。 。 。 将 扫 描 的 反射点置 于透镜焦点上 ， 透 过 透镜 便得到一 列平行 的 扫描光 束 ， 扫描宽度为 ， 式中 为透镜 图 多 面镜 扫描 焦距 。 本仪器 有 二种工作 方式 当多面镜不转时为 定点测 量方式 当 多面镜旋转 时为 扫描测 量方式 ， 所 以光 电转换器 ，和 的宽 度应大于 扫描宽度 。 数据处 理 系统 。 系 统框 图如下所 示 。 单板 机接 口 电路 由 部分 组成 ①小信 号放大 ， 多路开关 ② 转 换 采 用 高精度 、 高速 位芯片 ， 条数据线直接通过 口 的 条 和 口 的 高 位的 条线输人

光核能量 'p一→的置放大 路 A/D TP801B 打 单 光带能量 开 奠 海 板 换 机 r一前置放人一关 中断采集处理，纶1'D转换后的数据须经过移位处理；3打印机接山电路。 3定标问题 测址表面粗糙度除传统的触针方法外，还有光学方沾、应川电磁现象的方法以及依赖于 粗糙表面'与所接触的流动气体或流动液体相红作用的方法。现在的国标是以触针法为依据制 订的。实际上各种不同的测量方法得到的机糙度之间是行差异的或者说是不一致的。用斜藏面 法测得轮廓最大峰至谷的粗糙度和用触针法测试的结果比较，最人的不一致甚至达到100%。 用物理光学法确定的粗糙度比触针测量仪测量的相应粗糙度普遍地大一倍。最近刊际的实 践证明，甚至标准化实验室之创也能出现10%的差异2)。因此表面粗糙度测量仪的定标问 题是一个比较父朵的理论和实标问题。用激光散射方法测量粗糙度的潜在力量很明显，谢量 速度十分高，它有可能实时检验加工小零件的表面粗糙度，可取代那些不可靠的离线的抽样 检验方法。但正如上面指出的，此方法也存在一个定标和如何与国标相吻合的问题。 反射散射比法测定粗糙度P,的绝对定标公式为 (-p (4) 对于本仪器，入射拍a=60°，接收距离d=130mm,t1=2mm,t:=62mm,激光波长 1=0.63284m 4π W hcos60)dh c-2(2)2dh =e(212)2 =e2)2 a1=tg-4=0.0151 :=lg日=0.46 p1=10)d0/小f6)d0==0.4916 p:=0w/小 2f(0)d0=0.0190 所以反射散射比法绝对定标公式为： 378

尤 核能 笙 ‘ 厂 ” 一 ” 前置放 大 光 犷能 、 · 。 一 ， 卜 、脉 、 … 。 。 了 一…翟 …一 印 丝 一 机 转换 二级放大 开路多协 一︸ 中断采集处 理 ， 经 一 丫 转 换 后的 数 据项圣 过 移位处 理 勿打 印 机接 一 电路 。 定 标 问 题 测 址表面 粗 糙 度除 专统 的触 卜 一 方法外 ， 还有 光 学 方法 、 应 川 电滋 现 象 的 方 法 以 及依 赖干 粗 糙表面 与所接 触 的 流动 气体或 流 动液 体 相互 作用的 方法 。 现 在的 闷标是 以触针 去为 依据 制 订 的 。 实际 上 吝种 不 同 的 测 从方法 得到 的 糙度 之 间是 有差 异的或 者说是 不一致 的 。 用斜 截而 法测得轮 廓 址 大峰 至 补的 粗 糙度 和 用触针 法测 试的结 果比较 ， 最人 的 不一 致 甚至 达到 。 川物理 光 学法 确 定 的粗 糙 度比触针 测 量仪 测 从的 相应粗 糙 度普遍地 大一 合 。 最近 囚际 间的实 践 证明 ， 甚 至标 准 化 实验 室 之 叭 也能出现 。 的 差 异 〔 〕 。 因此 表面粗 糙 度 测 量仪 的 定标 问 题是 一个 比较 复 袭的理 论和 实 际 问题 。 用激 光 散射 方法测 量 粗 糙度 的潜 在力量很 明显 ， 测 业 速度 一 卜分 高 ， 它 有可 能 实 时检 验 加 二小零 件的 表面 粗糙 度 ， 可 取代 那些 不 可靠的离线 的抽 样 检 验方法 。 但 正如 上面指出的 ， 此 方法也存 在一 个定标和如 何与国标相 吻 合的 问题 。 反射 散射比法 测 定粗糙度 的绝对 定标 公式 为 牙 卜 牙 ’ ， ” ‘ “ 污 一 ， ” “ “ 一 牙 ，‘” ，‘ ” 一 一 ‘“ ” 一 犷厂 对 于本仪 器 ， 入射 角 “ ， 接收 距 离 ， ， ， ， 激 光 波长 几 。 拜 、 、 、 一 。 一 ‘ 、 产 一 。 一 婿 “ 。 一 。 。 · 内 一 、 。 一 ’ “ 。 一 ‘犷厂 “ · 叭 二 ， 七 一 · 。 ‘ ‘ ‘之 七 · “ “ ， “ “ 方 ，“ ， “ 。 ， ‘ ， “ ， 口 ‘ “ ， ” 二 · ” ‘ ” 所 以反射 散射 比 法绝 对 定标 公 式为

-6-()°+0.019031-e货) B 0.496101-e(货.)) 用本仪器对标准样块测定其相应的D2/D,得到的定标曲线与上面公式算得的定标曲线变 化趋势是相同的，但D,D1的变化范围以及D2D,对R。变化的敏感程度都没有原公式所表 明的那样大。这是由于我们的Hc-Na激光器是多模的，所以入射光束并非TEM。o模，接牧 器的转换性能不是理想线性的，表面随机高度分布中的hm.x和触针法制定的R.、R,之间也 只是一种近似关系，再加上光学法测得的粗糙度与触针法测得的粗糙度之间存在较大差异， 因此我们没有应用上面的绝对定标公式。为了与国标规定的粗糙度R,相符合，采用相对的定 标法进行定标，在本仪器的测量范围内(R。<0.22umY9以上)，选择一组标准样块，由 中国计量科学研究院检测其粗糙度Rz和R.测武结哭通知书为(C宇第88069号)，然后用本仪 器测量相应的反射散射比R.从而得到相对定标曲线，如图4所示。 4测量与数据处理 (1)反射散射比R=/F的测定。反对光核能量和散射光带能量分别被D2和D:硅光 电池吸收后转换为电信号，经前置汝大后，山TP801B控制连续采集256个Vp和Vg值，再由打 印机打出Vp,VB和R=VpV的平均值。 (2)数据数理。根据测得的R,便可由定标曲线得到相应的粗糙度R,值。为了应用计算 机直接给出R,根据相对定标曲线，应用最小二乘法原理进行四次方多项式拟合，即设 R =ap+aiR+a2R2+a3Ri+aR 根据定标曲线的10组(R。,R)值，应用汇编 0.220 语言拟合程序在TRS-80微型机上拟合得多项 0.200 式系数为： 0.180 十进制 十六进制 0.160 ao 0.41496 003C6A H 01 -0.16698 FF81AA H 且 0.140 02 0.01634 FCF142 H 0.120 03 0.00139 F8585B H 0:100 a4-0.20874×10-3 F58F92 H 0.080 定标曲线的拟合工作在仪器调试时完成。多项 式计算由TP801B完成并打印出R。。 0.060 由于运算放大器零点的漂移和电子元件性 0.040 能稳定性等影响，仪器定标后要定期用标准样 0.020 0 2.004.00 7.00 块作标谁，校谁时适当修改软件中的放大系数 R 以保证R在规定的范围内即可。 图1相对定标曲线（反射散射比R) 测量时只要将样品放到样品台上，调整样 Fig.4 Relative graduation curve 品位置，使反射光点射到D?上，按下相应的操作键，在TP801B控制下本测量仪即完成V、 A VB、R和多项式计算，并打印出V、V、R和粗糙度R。 379

一 盆 “ · ‘ 〔 一 。 一 器二 〕 〔 一 。 兴二 〕 用 本汉器对 标 准 样块测 定 其相应 的 ，得到 的定 标 曲线 与 上面 公 式算得的 定标 曲线变 化趋势是 相 同的 ， 但 ‘ 的 变 化范 围 以及 对 。 变 化的敏 感程 度 都 没有原 公 式所表 明的 那 样大 。 这 是 由于 我 们 的 一 激 光 器是 多 模的 ， 所 以人 射 光 束并非 。 。 模 ， 接收 器 的转换性能不是 理 想线性 的 ， 表 面 随 机 高度分 布中的 。 和触针 法制定 的 。 、 之 间也 只是一种近似关 系 ， 再加上光 学法测 得的 粗糙度 与触针 法测 得的 粗糙 度之 间存 在较大 差异 ， 因 此我 们 没有应用 上面的 绝对 定标 公式 。 为 了与 国标规 定 的 粗糙度 。 相 符 合 ， 采 用 相 对 的定 标 法进行定标 ， 在本仪器 的 测 量 范 围 内 刀 。 声 以上 ， 选 择一 组标 准 样 块 ， 由 中国计量 科 学研 究院检测 其粗 糙 度 刀 和 测 试结 果通知 书为 字 第 号 ， 然后 用 本仪 器 测量 相 应 的反射 散射 比 ， 从而 得到 相 对 定 标 曲线 ， 如 图 所 示 。 测量与数 据处理 反 射 散 射 比 尸 厂 厂犷 的 测定 。 反 对 光 核能量 和 散 射 光带 能 量 分别 被 和 硅 尤 电池吸收 后 转换为 电信号 ， 经前置 放大 后 ， 山 控 制连 续采集 个犷 和 厂 值 ， 再 由打 印 机打 出 ， 「 和 犷 厂犷 的 平均 值 。 数 据数理 。 根据测 得的 ， 便可 由定标 曲线 得到 相应 的 粗糙 度 。 值 。 为 了应 用 计算 机直接给 出 ， 根据相对 定标 曲线 ， 应 用最小二 乘法原 理进 行 四次方多项 式拟 合 ， 即设 。 ‘ 。 ，八上，上乙 践︼卜口 ﹄︺ 根据定标 曲线的 组 。 ， 值 ，应用 汇 编 语 言拟 合程序 在 一 微 型 机上拟 合得 多项 式系数 为 十进 制 十六进制 一 呈 聋 。 一 一 定标曲线 的拟 合工作 在仪 器 调试 时完成 。 多项 式计算 由 完成并打 印出尸 。 。 由于 运 算放大器零点 的漂 移 和 电子元 件性 能稳定性等影响 ， 仪 器 定标后要定期 用标准样 块 作标 准 ， 校准时适 当修 改软件 中的放大 系数 以保证 在规定 的范围 内即可 。 测量 时 只要 将 样品放 到 样品 台上 ， 调 整 样 。 。 主 相 对定 标 曲线 反射 散射 比 · · 、 · 一 、一 、 又 、 一 又 － 、 七 厂、 ‘ 、 图 选 品位置 ， 使反射光 点射 到 上 ，按下 相 应 的操作键 ， 在 控 制 下 本测 量仪 即完成 厂。 、 犷 、 和 多项 式计算 ， 并打 印出 「 、 犷 、 和粗 糙度 。