一種基于可見光反射光譜特性的超精密車削加工表面三維微觀形貌的測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于非接觸光學(xué)精密測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種通過測量已加工表面的可見光反射光譜特性進而實現(xiàn)對表面微觀形貌測量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著航空航天、激光慣性約束核聚變、微光學(xué)系統(tǒng)等高科技領(lǐng)域的快速發(fā)展，對零部件的表面質(zhì)量提出了越來越高的要求，它關(guān)系到零部件的使用性能和可靠性，因此，表面微觀形貌的測量對于評價表面質(zhì)量具有重要意義。
[0003]超精密車削加工技術(shù)是利用天然金剛石刀具在超精密機床上對零件進行加工。超精密車削技術(shù)可加工的材料種類很多，包括各種有色金屬，如單晶鍺、鋁合金、黃銅、無氧銅、非電解鎳等，還可以加工某些非金屬材料，如光學(xué)塑料、KDP晶體等，并具有加工效率高、可進行確定性加工、加工表面質(zhì)量好(表面粗糙度Ra達到納米級)等優(yōu)點，因此成為當(dāng)前國際先進制造領(lǐng)域的研宄熱點。
[0004]超精密加工表面微觀形貌的測量方法主要包括接觸式測量和非接觸式測量方法。接觸式測量方法又可分為二維和三維觸針式測量，常用的測量儀器有表面粗糙度輪廓儀和原子力掃描顯微鏡。非接觸式測量方法主要采用光學(xué)法(包括光的散射和干涉原理)和計算機視覺技術(shù)。目前這些測量方法均有一定的局限性，例如，接觸式測量方法測量速度慢，有可能損傷測量表面，表面粗糙度輪廓儀只能對工件表面進行二維形貌的測量，原子力掃描顯微鏡可以測量工件的三維形貌，但測量區(qū)域受到限制，一般小于100 μπι。非接觸式測量方法測量范圍比較小，如白光干涉儀，測量區(qū)域只有200 μ m，對整個待測表面而言具有某種不可靠性；此外，其對測試環(huán)境要求高，且在加工現(xiàn)場使用時精度無法保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種基于可見光反射光譜特性的超精密車削加工表面三維微觀形貌的測量方法，通過測量超精密車削加工表面的可見光反射光譜，實現(xiàn)對工件表面三維微觀形貌特征的測量，進而為表面微觀形貌的測量與評價提供一種高精度、高效率、可靠穩(wěn)定的測量手段。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]一種基于可見光反射光譜特性的超精密車削加工表面三維微觀形貌的測量方法，包括如下步驟:
[0008]—、可見光光源輸出連續(xù)而強度均勻的入射光；
[0009]二、準(zhǔn)直透鏡對可見光光源輸出的光譜進行調(diào)制，使其成為準(zhǔn)直光；
[0010]三、準(zhǔn)直光經(jīng)過線性衰減片，光強會有一定的減弱，再經(jīng)過小孔光闌后，只有中心光斑通過，照射到裝卡在回轉(zhuǎn)工作臺上的被測工件表面，光斑的大小由小孔光闌的直徑?jīng)Q定;
[0011]四、光斑在被測工件表面會發(fā)生衍射現(xiàn)象，被色散開的單色波會按照不同波長和級次依次排開，形成光譜；
[0012]五、光譜通過透鏡后，反射光譜被調(diào)制為準(zhǔn)直光，通過安裝在直線位移臺上的光纖測頭，在不同掃描位置對各個波長的±1級光譜進行測量，測量結(jié)果輸入到光譜儀中；
[0013]六、利用光柵方程對測量結(jié)果進行計算分析，得到被測工件表面三維微觀形貌信息。
[0014]上述方法中，通過線性衰減片和小孔光闌對準(zhǔn)直光的光強和光斑大小進行調(diào)整，根據(jù)測量環(huán)境、不同類型工件以及光譜儀的光強測量范圍，線性衰減片把準(zhǔn)直光的強度調(diào)整在其強度20-80%的范圍內(nèi)，小孔光闌的直徑范圍為200-1000 μ m，其中以500 μ m直徑的小孔光闌為宜。
[0015]上述方法中，工件裝卡在回轉(zhuǎn)工作臺上，通過回轉(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)動調(diào)整入射角的大小，入射角調(diào)整在30° -60°的范圍內(nèi)。
[0016]本發(fā)明將光學(xué)衍射理論應(yīng)用到超精密車削表面微觀形貌測量上。之所以會在表面看到色散現(xiàn)象，是因為已加工表面并不是理想的光滑表面，它會有刀具切削過后殘留的紋理，這些特定的紋理相當(dāng)于平面衍射光柵，對入射光有分光作用。由于入射光為復(fù)色光，通過色散系統(tǒng)(如棱鏡、光柵)分光之后，被色散開的單色光會按照不同波長和級次依次排開，形成光譜。
[0017]平面反射光柵的方程式為:
[0018]η λ = d(sina 土sinf3) (I)。
[0019]當(dāng)衍射光線和入射光線在光柵法線同側(cè)時，為+ ;當(dāng)衍射光線和入射光線在光柵法線兩側(cè)時，為_ ;其中:
[0020]η-光譜級次，η = 0，±1，±2，…；
[0021]λ-波長；
[0022]d-光柵常數(shù)；
[0023]a -入射角；
[0024]衍射角。
[0025]從光柵方程看出，當(dāng)η = O時，即零級光譜，衍射角β與波長λ無關(guān)，即無分光作用，它的特點是強度最大，但無分光作用；當(dāng)11 = ±1時，為一級光譜，此時，如果波長λ短時，衍射角β小，靠近零級光譜；波長λ長時，衍射角β大，遠離零級光譜，實現(xiàn)了分光作用。一級光譜強度大，一般用于分析測定。因此，針對±1級反射光譜，測量不同波長光的強度和衍射角，計算出光柵常數(shù)d。光柵常數(shù)d就是工件表面微觀形貌的橫向周期信息，而工件表面微觀形貌的橫向周期信息是與衍射角相對應(yīng)，縱向高度信息是與衍射光的強度相對應(yīng)，通過光譜儀和光纖測頭在不同位置的掃描測量，得到不同波長和級次的衍射角和光譜強度，將測量結(jié)果代入到光柵方程，計算出工件表面三維形貌的大小。
[0026]本發(fā)明與現(xiàn)有測量方法相比，具有如下優(yōu)點:
[0027](I)本發(fā)明將可見光的衍射現(xiàn)象和平面反射光柵理論應(yīng)用在超精密車削表面微觀形貌的測量中，實現(xiàn)了非接觸、無破壞地定量測量，而且光路容易調(diào)整，測量精度高，穩(wěn)定性好。
[0028](2)本發(fā)明的測量范圍取決于照射在工件表面上的光斑大小，通過調(diào)整小孔光闌的孔徑，對光斑大小進行調(diào)整。
[0029](3)本發(fā)明測量速度快，不需要逐點掃描，使用環(huán)境對測量精度影響小，可以在加工現(xiàn)場使用該測量方法。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明的測量裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖2為平面反