基于動態(tài)散斑的表面粗糙度在線測量技術研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)生產技術的發(fā)展，零件的小型化和高精度的尺寸公差要求，使得零件的尺寸公差可與表面粗糙度高度相比擬。這樣，不再能把粗糙度的技術要求從公差中分離出去，因此對表面粗糙度的測量提出了越來越高的要求。在工業(yè)生產的許多領域中，為了節(jié)省能源和材料、避免或者減少零件在加工過程中的廢品率、監(jiān)測加工過程、對關鍵零件進行百分之百檢查、提高產品質量等，都大大增加了對零件表面形貌的無損檢測和高速測量的要求。 本文在對基于各種原理的表面粗糙度測量

2、方法進行綜述的基礎上，結合散斑測量方法的優(yōu)點和機械加工表面的光學散射特性，以及在線測量的要求，提出了基于動態(tài)散斑的表面粗糙度在線測量方法。以隨機表面的標量衍射理論為基礎，研究被測物體在平移運動和旋轉運動時，菲涅爾衍射面上形成動態(tài)散斑的統(tǒng)計特性，建立該方法的理論基礎；詳細分析動態(tài)散斑統(tǒng)計特性和表面粗糙度之間的關系，結合圖像處理技術，提取出能表征表面形貌的特征，并利用神經網絡技術設計了表面分類器；建立一套模擬加工條件下表面在線測量的實驗系統(tǒng)

3、。 論文主要研究內容如下：把機械加工形成的表面看作是隨機表面，根據隨機表面的標量衍射理論及粗糙面的散射特性，深入研究了散斑成因及散斑現(xiàn)象的描述方法；分析了衍射面上形成散斑場的統(tǒng)計特性；給出了不同加工方法形成的試樣的散斑圖像。 分析了激光照射運動的弱散射體時，反射光經過自由空間傳播在菲涅爾衍射場形成動態(tài)散斑的統(tǒng)計特性。研究平面物體分別做橫向和縱向運動、圓柱體旋轉運動時，形成的動態(tài)散斑的統(tǒng)計特性；以動態(tài)散斑光強變化的時間-空

4、間相關函數(shù)描述散斑空間結構隨時間變化的統(tǒng)計性質。并以此為基礎，給出幾種特定情況下描述動態(tài)散斑時間-空間相關性質的參數(shù)——動態(tài)散斑空間相關長度，動態(tài)散斑的相關時間，動態(tài)散斑的平移距離和相關距離。并依據參數(shù)分析了動態(tài)散斑統(tǒng)計特性與圓柱體曲率半徑、入射光束相關的參數(shù)、表面微觀形貌、物體旋轉角速度、光學系統(tǒng)幾何結構參數(shù)等之間的關系。 根據動態(tài)散斑的統(tǒng)計特性，應用圖像處理技術，從動態(tài)散斑圖像中提取出能表征表面形貌的6個特征，包括斑紋分布范

5、圍、光強平均值、二值特征、散斑顆粒大小、灰度特征、互相關特征；并根據特征方差、特征相關系數(shù)及類間距對特征的有效性進行了評價；同時，分析了在實際測量過程中，入射角、切削液、震動、曲率半徑、加工方法等對散斑圖像和特征值的影響。 依據動態(tài)散斑圖像的特征參數(shù)對形成圖像的表面進行分類。鑒于神經網絡用于圖像識別的優(yōu)點，確定了采用基于Levenberg-Marquardt算法的數(shù)值優(yōu)化方法改進的BP網絡設計了分類器。網絡的輸入特征由提取的特征

6、參數(shù)組成，輸出層是類別數(shù)，一個輸出節(jié)點對應一個類，采用最靠近原則進行決策。 建立了一套完整的、能模擬實際生產過程中被測物體運動的表面粗糙度在線測量系統(tǒng)。硬件部分由激光器、CCD、采集卡、鏡頭、驅動器、運動平臺、計算機等組成；測量軟件利用VisualC++和Matlab工具設計完成。以四類具有不同粗糙度值的平磨加工試樣16塊和三類不同粗糙值外圓磨加工試樣6塊為例，應用該系統(tǒng)在多個運動速度下進行分類識別，識別正確率較高。該實驗系統(tǒng)具