专利名称：磨削工件表面质量光学实时检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种金属加工技术领域的装置，具体是一种磨削工件表面质量光
学实时检测装置。
背景技术：
工件加工表面的实时检测是指在加工工件的过程中，同时检测工件的质量。它可 以更主动地检测工件加工的质量情况，并反馈给控制系统，形成闭环系统，从而完全控制整 个加工过程，极大地提高生产率和保证产品的质量。 在精密磨削加工过程中，为保证加工质量，通常都要在冷却液环境下，才能达到规 定的质量要求。比如集成电路芯片的基本材料-晶圆片，其表面的精密磨削加工，就是在 以去离子水为冷却液的条件下进行的。目前几乎所有厂家的晶圆片磨削质量都不能在线检 测，而是下线批量检测。 但是，随着被加工工件的单件价值越来越高，产量越来越大，靠定期的事后检测方 式反映机床和工艺过程的失效，会产生较大的滞后性，经济损失很大。因此，如果能够实现 在冷却液条件下的精密磨削加工的实时检测，就能对加工状态进行实时监控，可以大大提 高产品合格率，获得巨大经济效益。 经对现有技术文献的检索发现，目前在冷却液条件下的在线检测，多数是接触 式测量方式，非接触式极少。Coker S A等人在International Journal of Machine Tools&Ma皿facture上发表的In-process control of surface roughness due to tool wearusing a new ultrasonic system,在金属磨削机床上，设计了一种超声探头，安装于 冷却液喷管上，它能透过冷却液层测量工件表面。由于超声波是一种机械波，其测量分辨 率不够，而且，其测量参数为平均效应参数，不能用于高精度表面的检测。Hiromasa K等人 在SPIE会议上发表Development of the in-process monitoring system for toll of lathemachine，在车床上用气吹的方法，去除工件加工背面上的冷却液，实现实时检测，但 这种方法只能用于工件为卧式旋转加工的方式。童敏等人在《国内科技》上发表的《磨削过 程中表面粗糙度的在线测量系统》，以光纤作为传感器的粗糙度测量，使用镜面反射光强与 30°方向散射光强的比值获取粗糙度。但是该系统的测量范国为Ra:0. l-6.0ym，不能用于 光滑表面的检测。 综上，精密磨削加工中，由于冷却液覆盖工件表面，阻挡了测量光束的传播，目前 还没有在冷却液加工条件下的实时检测工件表面粗糙度的光学方法。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种磨削工件表面质量光学实时检测 装置，在工件表面创造出一块透明测量区域，使得测量激光束、表面反射和散射光束能够透 过冷却液和磨削屑覆盖层。入射光束在工件表面发生反射和散射，在空间形成带状分布的 散射图像，采集表面散射图像，提取出垂直于散射光带主方向上的灰度值分布，进行高斯拟度数值，以此实现表面质量的实时 检测。 本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括激光器、半透镜、玻璃层、流体透
镜机构、采集屏、镜头和数据采集系统，其中半透镜、玻璃层和流体透镜机构由上而下依次
设置于激光器的正下方，待测工件位于流体透镜机构内的底部，采集屏、镜头和数据采集系
统依次设置于半透镜的水平一侧，数据采集系统位于镜头后并采集采集屏上的散射图像。
所述的流体透镜机构包括储水罐、水泵、流量计、喷嘴和流体状态模拟槽，其中
储水罐、水泵、流量计和喷嘴依次串联，喷嘴设置于流体状态模拟槽的下端，待测工件置于
流体状态模拟槽内的底部且待测表面向上正对半透镜，水泵与供电系统相连接。
所述的数据采集系统包括拍摄成像单元和数据处理单元，其中拍摄成像单元
对采集屏上的散射图像进行拍摄后输出至数据处理单元，数据处理单元根据数字化的散射
图像得出标定曲线以及粗糙度数值。 本发明用于检测时 第一步，激光束通过透明测量区域的附加层，垂直入射到被测工件表面；
第二步，使用拍摄成像单元采集表面光散射图像，进行处理，提取出特征参数；
第三步，将特征参数代入标定曲线，计算粗糙度数值。本发明所述的特征参数，可在线测量的粗糙度范围为Ra :0. 025-0. 8 ii m，涵盖
了磨削加工工件的表面粗糙度范围。现有的一些特征参数，只可衡量特定范围内的表面 粗糙度数值，例如Tay C J等人在Optics Communication上发表的In situ surface roughnessmeasurement using a laser scattering method,只會^;测量Ra :0. 1_0.8践范围 内的磨肖lJ工件表面粗糙度。Kim H Y等人在Journal of materials processing technology 上发表的Development of a surface roughness measurement system using reflected laserbeam，只能测量Ra :0. 2-0. 8 y m范围内的磨削工件表面粗糙度。 本发明所述的数据处理单元从二维散射图像中提取特征参数，减少了测量装置的 复杂性。现有的表面粗糙度测量装置，机构比较复杂，例如Wang S H等人在Applied optics 上发表的Development of a Laser-Scattering-Based Probe for On-Line Measurement ofSurface Roughness，所设计的测量装置中，需要精确配置光电二极管阵列采集散射光以 提取散射特征值。 本发明所述的流体透镜机构创造了透明测量区域，使得加工过程中的非接触式实 时测量成为可能。该机构使得被测工件表面上方出现了附加层，现有的粗糙度测量技术大 都是针对自由表面的测量，对于存在附加层的表面特性测量，目前还没有相关研究报道。
图1为本发明结构示意图。
图2为流体透镜机构示意图。
图3为实施例效果示意图。
具体实施例方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。 如图l所示，本实施例包括激光器1、半透镜2、玻璃层3、流体透镜机构4、采集屏 5、镜头6和数据采集系统7，其中半透镜2、玻璃层3和流体透镜机构4由上而下依次设置 于激光器1的正下方，待测工件位于流体透镜机构4内的底部，采集屏5、镜头6和数据采集 系统7依次设置于半透镜2的水平一侧，数据采集系统7位于镜头6后并采集采集屏5上 的散射图像。 所述的半透镜2的倾斜角度为45° ，其透射反射比为50/50 ;
所述的采集屏5与半透镜2之间间距为150mm ;
所述的半透镜2与待测工件表面之间间距为68mm ;
所述的采集屏5与镜头6之间间距为100mm。所述的激光器1的输出为波长A = 650nm，功率5mW，输出激光的直径为3mm ;
所述的半透镜2为平面型，规格为100mmX 70mmX lmm，镀膜玻璃；
所述的玻璃层3为有机玻璃，厚度为8mm ;所述的采集屏5为透射式硬质毛玻璃，规格为210mmX 148mmX 5mm。
如图2所示，所述的流体透镜机构4包括储水罐8、水泵9、流量计10、喷嘴11和 流体状态模拟槽12，其中储水罐8、水泵9、流量计IO和喷嘴11依次串联，喷嘴11设置于 流体状态模拟槽12的下端，待测工件置于流体状态模拟槽12内的底部且待测表面向上正 对半透镜2，水泵9与供电系统相连接。 所述的流量计10为带调节阀的玻璃转子流量计，其测量范围为l-7LPM。
所述的流体透镜机构4中充有水。
所述的数据采集系统7包括拍摄成像单元和数据处理单元，其中拍摄成像单元 对采集屏上的散射图像进行拍摄后输出至数据处理单元，数据处理单元根据数字化的散射 图像得出标定曲线以及粗糙度数值。
本实施例测量步骤如下 第一步，激光束通过透明测量区域的附加层，垂直入射到被测工件表面； 第二步，使用拍摄成像单元采集表面光散射图像，进行处理，提取出特征参数； 所述的透明测量区域是指借助流体透镜机构4中的透明液体，在待测工件表面
上方冲出一个透明区域，使得测量激光束能够透过冷却液到达被测工件表面。 所述的表面光散射图像，是第一步中的激光束入射到工件表面发生反射和散射，
在空间所形成的散射图像，呈带状分布。该图像反映了表面散射光强的分布情况。 所述的特征参数是从垂直于散射光带主方向上提取出来的比值参数。首先，对采
集的散射图像进行去噪预处理，然后寻找散射光带主方向，这里，引用数学中对椭圆长短轴
的定义，定义狭长光带主方向为长轴，与其垂直方向为短轴。沿着散射光带短轴方向，提取
不同位置X处的灰度数值y，进行高斯拟合
, 、2 "。+"cr)exp(— 02 ) + /2(cr)
(1)
根据拟合结果计算比值o 。/%(0)，即为特征参数。
第三步，将特征参数代入标定曲线，计算粗糙度数值。 所述的标定曲线，使用标准粗糙度样块在模拟装置中测量得到。选择已知粗糙度 数值的磨削加工标准样块进行测量，每个样块采集多幅图像，针对每一幅图像，按照第二步 所述的方法，分别提取特征参数，然后求取多个特征参数的平均值。根据特征参数平均值随 粗糙度数值变化所呈现的分布情况，使用标准函数e邓linear进行曲线拟合，得到标定曲 线。实际测量时，分析采集的散射图像，提取特征参数，代入标定曲线即可计算出表面粗糙 度，实现实时监控。 如图3所示，为本实施例以上述步骤获得的拟合曲线，根据平面磨削加工表面的 粗糙度范围(Ra :0. 01-0. 8 ii m)，选用的是符合GB6060. 2_85标准的磨削加工粗糙度标准样 块，对应的粗糙度数值分别为Ra = 0. 025 ii m、0. 05 y m、0. 1 y m、0. 2 y m、0. 4 y m、0. 8 y m。针
对采集的每一幅散射图像，首先进行滤波预处理，消除噪声；然后扫描整幅图像，寻找散射 光带主方向；沿着散射光带短轴方向，提取出不同位置x处的灰度数值y，按照下式进行高 斯拟合
, 、2， m (J) exP(- 。2 ) + f2 (J)
(1) 由拟合结果计算比值o a/tl(o)。 定标时，每个样块采集多幅图像，求得多个比值参数的平均值。以粗糙度数值为横 坐标，各个特征参数的平均值为纵坐标，列出特征参数随粗糙度数值变化所呈现的分布情 况。使用标准函数e邓linear进行曲线拟合，得到标定曲线表达式
「oruq， L25815 *cxp(--—L13482+ 3 J6762*/ ， RH). 99974
L,」 。(cr) 0.2714 " (2) 其中R2 = 0. 99974， R为相关系数。实际测量时，只要计算出被测工件表面散射 图像的比值特征参数，代入该表达式，就可求得表面粗糙度数值。
权利要求
一种磨削工件表面质量光学实时检测装置，其特征在于，包括激光器、半透镜、玻璃层、流体透镜机构、采集屏、镜头和数据采集系统，其中半透镜、玻璃层和流体透镜机构由上而下依次设置于激光器的正下方，待测工件位于流体透镜机构内的底部，采集屏、镜头和数据采集系统依次设置于半透镜的水平一侧，数据采集系统位于镜头后并采集采集屏上的散射图像。
2. 根据权利要求1所述的磨削工件表面质量光学实时检测装置，其特征是，所述的流 体透镜机构包括储水罐、水泵、流量计、喷嘴和流体状态模拟槽，其中储水罐、水泵、流量 计和喷嘴依次串联，喷嘴设置于流体状态模拟槽的下端，待测工件置于流体状态模拟槽内 的底部且待测表面向上正对半透镜，水泵与供电系统相连接。
3. 根据权利要求1所述的磨削工件表面质量光学实时检测装置，其特征是，所述的数 据采集系统包括拍摄成像单元和数据处理单元，其中拍摄成像单元对采集屏上的散射 图像进行拍摄后输出至数据处理单元，数据处理单元根据数字化的散射图像得出标定曲线 以及粗糙度数值。
4. 根据权利要求1所述的磨削工件表面质量光学实时检测装置，其特征是，所述的激光器的输出为波长A = 650nm，功率5mW，输出激光的直径为3mm。
5. 根据权利要求1所述的磨削工件表面质量光学实时检测装置，其特征是，所述的半 透镜的倾斜角度为45。，其透射反射比为50/50。
6. 根据权利要求1所述的磨削工件表面质量光学实时检测装置，其特征是，所述的流 体透镜机构中充有水。
全文摘要
一种金属加工技术领域的磨削工件表面质量光学实时检测装置，包括激光器、半透镜、玻璃层、流体透镜机构、采集屏、镜头和数据采集系统，其中半透镜、玻璃层和流体透镜机构由上而下依次设置于激光器的正下方，待测工件位于流体透镜机构内的底部，采集屏、镜头和数据采集系统依次设置于半透镜的水平一侧，数据采集系统位于镜头后并采集采集屏上的散射图像。本发明通过在工件表面创造出一块透明测量区域，使得测量激光束、表面反射和散射光束能够透过冷却液和磨削屑覆盖层。入射光束在工件表面发生反射和散射，在空间形成带状分布的散射图像，以此实现表面质量的实时检测。
文档编号G01B11/30GK101762250SQ201010300868
公开日2010年6月30日 申请日期2010年1月28日 优先权日2010年1月28日
发明者郭瑞鹏, 陈德富, 陶正苏 申请人:上海交通大学