表面三维形貌测量及其评定的研究

    零件表面三维形貌检测是获取零件表面形态特征的一种重要手段,也是记录、比较和复制物体形态特征的基础,研究零件表面的三维形貌是为了提取形貌中的各种参数和信息,并对他进行综合性评定.

    1 测量原理

    本文利用相位扫描技术测量表面三维形貌.首先使用干涉显微镜获取被测表面的干涉条纹,并通过压电晶体驱动参考镜振动获取多幅干涉条纹图像,通过这系列的干涉条纹解调出来被测表面的高度信息,从而得到原始形貌图像,再经过图像滤波等处理技术使轮廓达到一个满意效果,然后根据数学模型建立基准面提取粗糙度信息,最后对表面各种参数进行评定[1].其测量系统包括光学部分、CCD摄像机、图像卡和计算机以及压电陶瓷及其驱动电路,如图1所示.

    图1中,从激光器发出的光经聚光镜后成为平行光,再经分光镜分为两支光束,两光束满足相干光束的条件,在空间相互叠加,产生了可以观察到的干涉条纹.该干涉条纹受被测物表面形状的调制而发生了变形.压电陶瓷驱动参考镜产生几分之一波长量级的光程变化,以改变参考相位,并产生时间序列上的多幅干涉图[2].

    2 测量过程

    整个测量过程由相移、采样、相位提取及数据处理等部分组成,测量过程如图2所示.

    2.1 采样

    实验采用线性连续式相移,其相位值的解算方法是根据正弦函数的性质设计的.由于CCD面阵探测器所探测到的光强值不可避免地存在误差;在等间距满周期采样情况下,相位计算的误差最小,也就是具有最强的抗噪声能力.故干涉显微镜采集干涉条纹需要连续等间隔采集,并自动保存到计算机中.为了进一步降低噪声,提高测量精确度,可对多个周期进行采样做累加平均计算.

    采样频率由压电陶瓷的振动频率和图像采集卡的采集速率确定,具体关系如下:采样频率=图像采集卡采集速率/压电陶瓷振动频率.

    实验的压电陶瓷振动频率设计为015Hz,而图像采集卡的采集速率为12帧/s,故采样频率为24帧/s.

    2.2 形貌还原

    干涉场中的光强分布可表示为

    对p个周期的测量数据进行处理,利用被检表面相位恢复表面形貌的数学模型为

    式中:k=2P/K; l=K/2n; n为一周期内采样点数,K为光源波长.

    2.3 基准面的建立

    用z(x,y)表示三维表面轮廓, z1(x,y)表示评定基准, z2(x,y)表示表面粗糙度,用w0表示表面粗糙度与评定基准的分界频率[3],有

z(x,y)=z1(x,y)+z2(x,y)

    其中:z1(x,y)=Gc(x,y)+Gd(x,y)+F(x,y);z2(x,y)=G(x,y).G(x,y),Gc(x,y),Gd(x,y),F(x,y)分别表示表面粗糙度、波度、形状误差和多尺度成分;把低于分界频率w0的信号部分(即是评定基准面)滤除掉,剩余部分的信号就是三维表面的粗糙度信息,也是评定表面三维形貌的重要信息.