毛化表面的三维表面形貌在线测量仪-论文.pdf

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1、毛化表面的三维表面形貌在线测量仪辛洪常素萍谢铁邦(华中科技大学机械科学与工程学院，武汉430074)摘要表面形貌影响着毛化钢板的使用性能和轧制工艺，在冷轧毛化钢板的生产中要实时监控。本文介绍了一种便携式的三维表面形貌测量仪，具有三维形貌测量和图像分析的功能，能够在线测量毛化钢板和轧辊的表面形貌。接触式位移传感器基于激光干涉原理，结合二维水平位移工作台，可实现大面积高精度的三维形貌测量。同时分析了该仪器的技术性能，并进行了试验测试，给出了测量结果。关键词毛化表面形貌；便携式测量仪；激光干涉；二维工作台doi：10．3969／j．issn．100

2、0—0771．2014．O1．02本文根据毛化钢板和轧辊的表面形貌特点，研0引言制出一台便携式、多功能的三维表面形貌测量仪，钢板的毛化⋯能够改善冷轧钢板的冲压成形可进行在线测量钢板和冷轧辊的毛化表面形貌，进性、涂敷性和光亮度等性能，因此汽车车身、家电外行毛化形貌的分析和评定。壳等普遍采用毛化钢板。目前冷轧钢板的毛化技1仪器总体结构术主要有激光毛化、喷丸毛化和电火花毛化等，钢板的毛化表面受到冷轧辊的毛化、冷轧工艺过程的便携式三维表面形貌仪器包括触针式测量传影响，因此控制冷轧辊和冷轧钢板的表面形感器、光学测量系统，—y二维驱动机构、控制电路貌有利

3、于提高毛化钢板的生产质量和改进工艺和软件，其结构示意图如图1所示。触针式测量传过程。感器基于激光干涉原理，能够测量毛化表面形貌，工程表面形貌的测量主要采用触针式表面形进行表面特征的分析和评定。光学测量系统可得貌测量仪，有电感式、激光干涉和光栅干涉式。电到被测表面的显微图像，用于分析毛化结构的分布感式表面形貌测量仪是基于电感原理，测量范围只规律。—y二维驱动机构采用共基面结构，可实现有±300~m；激光干涉和光栅干涉式利用干涉原理，大面积高精度的测量。测量范围可达几毫米，甚至几十毫米，测量分辨力图像信息可达纳米，是目前应用较广的测量仪器I6]。

4、这些差分放大后的电信号表面形貌测量仪可用来钡0量轧制工艺完成后的钢计板的表面，可测量得到二维和三维的形貌；而轧辊算机的测量则多是用手持式粗糙度测量仪，只能测量得网囤到简单二维粗糙度参数的评定值。由于毛化表面制信号信号L1与物镜广—一的形貌比较复杂，要从毛化结构的形状、高度和分图1仪器总体结构示意图布等多方面分析评定，来控制钢板的使用性能和工艺过程。因此需要便携式的大范围大量程高精计算机根据测量要求发送控制信号到控制箱，度的表面形貌测量仪，能够在线测量钢板和轧辊的控制箱产生脉冲信号来驱动步进电机使工作台带三维表面形貌。基金项目：国家自然科学基金

5、(51205147，50927502)；华中科技大学自主创新研究基金(2012QN252)。动传感器作二维扫描运动。工件表面的形貌会引所使用激光器发出的激光波长为650nm，杠杆起传感器光信号的变化，激光干涉传感器的光信号比例为1：1。由式(1)知每移动一个干涉条纹，由检测头转换为电信号，送人控制箱进行调整，然Ax变化650nm／4=162．5nm。在经过硬件四细分后传给计算机进行计数，得到位移值。在进行完接后通过12位A／D采样，分辨力可以达到大触式测量以后，可以将传感器替换为物镜与CCD，约5nm。用来采集图像信号，传给计算机来显示图像。

6、最后由于杠杆的非线性误差和角锥棱镜倾斜对光计算机根据采集得到的表面三维形貌计算相应路带来的误差，杠杆只有在倾斜小角度范围内测量参数。时，触针的实际位移值才会与计算值近似相等，在杠杆臂长为30mm时，触针的测量范围大约为2测量传感器±3mm测量传感器基于迈克尔逊干涉测长原理，如图3二维扫描工作台2所示。二维扫描工作台的关键结构由步进电机、滚珠丝杆、直线导轨、柔性联轴器、定位轴承和定位销组成，其实物图如图3所示。图2传感器原理示意图1．步进电机；2．联轴器；3．滚珠丝杆；4．直线导轨激光器发射的光束经过反射镜入射到分光镜5．向移动平台；6．Y向移

7、动平台；7．手轮；的分光面上，分光面将入射激光束分成两束光a与8．传感器；9．光电检测头；10．触针b。测量光a入射到杠杆一端的角锥棱镜，在角锥棱图3二维工作台实物图镜里做了两次反射后，反射光c按照原路返回，回到分光镜的分光面上。参考光b同样也经过参考角锥二维扫描工作台的精度直接影响到传感器的棱镜，参考反射镜，然后原路返回，在分光镜的分光测量结果，为了减sJ~-"维扫描工作台在扫描过程中面处与测量光汇合产生干涉条纹。当触针在毛化两副导轨因不共面而造成的误差，采用共基面式的表面上扫描时，表面形貌会使杠杆带动角锥棱镜上安装方式来安放导轨，—l，向

8、运动保持在同一平下移动，测量光路的光程就会发生变化使干涉条纹面上。移动。单一方向上的运动由步进电机、滚珠丝杆和直设触针位移值为，干涉条纹由光电接收器转线滚柱导轨协作