表面粗糙度光切显微镜测量系统的研制

　　0 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。

　　文中采用一种光学测量方法———光切显微镜法，它属于一种非接触式测量，其原理是将带状光束倾斜投射于被照物体上， 由于被测表面不是一个理想的光滑反射面， 光带与表面轮廓相交的曲线影像即反映了被测表面的微观几何形状。在测量系统中，采用CCD 摄像头代替人眼对图像进行采集和处理，不仅可以提高测量准确度， 而且能够提高自动化程度。在表面粗糙度检测中，为了得到较为准确的测量值，图像的预处理至关重要，尤其是对噪声的处理在很大程度上决定了图像的处理精度。常用的滤波方法[1-2]有邻域平均滤波、低通滤波和中值滤波等， 在以往的文献中，大都采用了传统的滤波方法[3-6]， 而文中采用一种适合有明显方向性特征图像的滤波处理方法———旋滤波算法， 应用VC6.0 开发出实用性较强的表面粗糙度光切图像检测系统。

　　1 测量系统的原理与构成

　　采用光切法测量表面粗糙度的原理如图1 所示。光切显微镜由两个镜管组成(图1(a))，一个是投射照明镜管，另一个是观察镜管，两镜管轴线互成90°。从光源发出的光线经聚光镜、狭缝及物镜后，在被测表面形成一束平行的光带，这束光带以45°的倾斜角投射到具有微小峰谷的被测表面上。波峰在S 点、波谷在S′点产生反射，通过观察镜管的物镜，分别成像在分划板上的a与a′点， 在目镜中可以观察到一条与被测表面相似的弯曲亮带。由测微目镜鼓轮可测得a 至a′点影像(峰到谷)之间的距离h′(图1(b))，而被测表面实际微观不平度峰谷间的高度为：

　　式中：h′为45°方向上的影像高度;N 为物镜放大倍数。将CCD 摄像头安装在光切显微镜的相机接口上，放大后的工件表面反射图像由摄像头接收并生成视频信号，经图像采集卡传送到计算机中进行处理。利用开发的表面粗糙度图像处理系统可以计算出新国标GB/T3505-2009 中的全部粗糙度评定参数。