基于扫描白光干涉法的接触式轮廓综合测量仪

　　轴承内外圈滚道及滚动体形状误差及表面质量是影响轴承寿命和振动值的重要参数。为满足滚动轴承曲面形状误差、波纹度、表面粗糙度测量,开发研制大量程高精度的轮廓综合测量仪是非常必要的。本文利用常用的6JA干涉显微镜,研制了一种接触式测量曲面轮廓综合形貌的测量系统,使6JA干涉显微镜除进行通常的非接触表面粗糙度测量外,还可进行高精度、大量程的接触式测量。

　　1 测量原理和系统组成

　　1.1 扫描白光干涉原理[1-2]

　　扫描白光干涉原理是在传统双光束干涉技术的基础上,基于白光干涉的典型方法,通过定位表面各点的零光程差位置(最佳干涉位置)来获得各点的相对高度,从而构建表面三维轮廓。

　　1.2 基于白光干涉接触式测量系统

　　图1为轮廓仪的测量系统示意图。将探针组件的平面反射镜置于物镜下方,由平面反射镜反射测量光,与参考光产生干涉条纹,通过调整宽带光干涉装置获得一组稳定的干涉条纹(白光干涉装置调好后最好不要再改变)。测量时,将探针压在被测工件上,对于峰谷最大差值小于5Lm的表面形貌,计量型垂直位移工作台不扫描,由步进电机驱动X-Y工作台移动,放在其上的工件也跟着移动。当探针相对被测表面移动时,被测表面的微观凹凸不平使探针上下移动,从而引起杠杆另一端的平面反射镜的摆动,使得干涉条纹随之移动。对于峰谷最大差值大于5Lm的表面轮廓,干涉条纹移出视场,计量型垂直位移工作台移动,将干涉条纹拉回原位,计量衍射光栅计量垂直位移工作台移动的高度值(大数),与探针记录的高度值(小数)之和,反映了工件高度的变动。

　　2 干涉数据的处理

　　2.1 最佳干涉位置算法分析

　　当探针相对被测表面移动时,CCD所记录的每帧干涉条纹会随之移动,即特征点(最佳干涉位置)发生了移动,而每帧图像特征点位置的变动量恰好反映出被测表面对应点的高低起伏,所以对最加干涉位置的定位就显得尤为重要。重心法具有精度高,计算简单,对硬件要求低等优点,在对特征点的提取时,可采用灰度重心法求解零光程差的位置。

　　灰度重心法可以看成是以灰度为权值的加权形心法。根据干涉条纹的方向,在完成一次采样后,可以记录下每帧图像在选取的那一行(或列)中满足零光程差的最佳干涉位置。设某行(某列)的第i个像素的灰度值为Gi,权值Hi的选取是,对于目标灰度值大于背景灰度值时按(1)式计算,对于目标灰度值小于背景灰度值时,按(2)式计算,Tc为区分目标和背景的阈值。这样把没有光照或光照很弱的光敏元去掉,减少数据处理量,对精度影响很小[3-4]。