专利名称：钢球表面质量光电检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种钢球表面质量光电检测装置，尤其是高速检测直径为 6mm-IOmm的钢球表面质量光电检测装置。
背景技术：
GB/T 308-2002中规定钢球表面质量包含表面缺陷，表面粗糙度和波纹度三个参 数。但是目前用于钢球表面质量检测的仪器大多仅能检测其中的一个参数，而且测量速度 很慢。对表面粗糙度工厂里广泛采用显微镜人工测量或者轮廓仪检查的方法，效率很低；对 表面缺陷采用人工目检的传统方法，误检率高，或者引进国外钢球表面缺陷自动检测仪，价 格昂贵，并且也仅检测表面缺陷这一个参数。检测效率的限制以及国外核心技术的封锁导 致国内钢球质量分选按比例抽检，降低了钢球的可靠性，这已经成为制约我国钢球业发展 一个瓶颈。散射法测量具有高速高效的优点。表面粗糙度散射检测方法可分为三种，积分散 射法(TIS)，角分布法(ARS)以及核环比法。但对钢球表面粗糙度在线测量而言，这几种方 法均不十分理想积分散射法的测量范围比较大(0.008-0. 480 μ m)但是受激光器输出功 率变化的影响，其影响精度较低；角分布法测量精度高，但测量时间长，效率低；核环比法， 测量精度高，但测量范围仅为0. 020-0. 160 μ m,不能满足G3，G5，GlO级钢球的测量范围要 求。国外钢球表面缺陷自动检测仪是利用散射后光强下降的幅值来检测的，这与广泛应用 的表面粗糙度散射检测法相一致，尤其和积分散射法有很大的相似性。这就为两种参数同 时检测提供了可能。
发明内容为了克服现有检测仪器测量参数单一，范围小，精度低，速度慢的不足，本实用新 型结合表面粗糙度与表面缺陷检测的相近性，集成积分散射法(TIS)和核环比法的优点， 设计了一种钢球表面质量光电检测装置，此装置将两种检测方法融合，具有较高的精度、较 宽的范围、较高的速度，可以同时检验钢球表面粗糙度和表面缺陷两个表面质量参数。为实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案一种钢球表面质量光电检测装置，它设有壳体，所述壳体内安装激光器，激光器发 射端下方依次为光阑、扩束装置和棱镜装置，棱镜装置两侧为对应的反馈光探测器和检测 光探测器，在棱镜装置下方为1/4 λ玻片，1/4λ玻片下方为一组相配合的凸透镜和凹透镜。所述扩束装置为准直扩束器。所述棱镜装置为格兰棱镜。所述检测光探测器包括光环探测单元和光核探测单元，其中光核探测单元在检测 光探测器中部，光环探测单元沿圆周方向分布在光核探测单元周围。本检测装置检测表面粗糙度时，G10-G200级(粗糙度范围0. 020-0. 150 μ m)的钢球，用核环比法来测量，这样可以消除激光器输出功率变化，加工方法不同导致的测量误 差，以及仪器周围环境杂散光对检测的影响，G3-G10级(粗糙度范围0.010-0. 020 μ m)的 钢球可以用散射积分法来测量，而对所有级别钢球表面缺陷的检测则采用散射后光强下降 的幅值来检测，其光路与表面粗糙度检测光路一致。检测装置发射光入射方向为垂直入射，光路只有照射在钢球表面或钢球球心，才 能按原路返回，这样便于光电传感器的体积小型化，有利于用钢球的直径和球心来对系统 进行校准。检测装置引入了反馈光，这是由于激光器输出功率的稳定性约在百分之几的范围 内，这对积分散射法的影响很大。用探测器探测功率大小与反馈光相比的方法，可以消除光 源功率对测量结果的影响。检测装置采用偏振光技术，引入格兰棱镜和1/4λ玻片，这样可以将接收光和发 射光分离开。也就消除仪器周围环境杂散光对测量结果影响以及反射光对激光器功率的影 响。检测装置的探测器采用同心圆布局，这是由于对于核环比法，需要同心地接收两 组光强。检测装置的前端为望远系统(凸透镜和凹透镜的组合)，为使传感器不被污染，探 测器离钢球被测表面越远越好，但是越远接收的光强信号就越弱，会降低系统的分辨力，必 须找到一个平衡位置。因此这里增加了望远系统用于调节检测装置与被测表面的相对位置。本实用新型的有益效果是集积分散射法(TIS)和核环比法于一种仪器中，具有 较高的测量精度和较宽的测量范围。可以对某一等级的钢球同时进行粗糙度和表面缺陷两 个质量参数的检验。
图1是钢球表面质量光电检测装置的组成结构及光路原理图；图2为图1的侧视图；图3为检测光探测器结构示意图。图1中1.激光器，2.光阑，3.准直扩束器，4.格兰棱镜，5.反馈光探测器，6.检 测光探测器，7. 1/4λ玻片，8.凸透镜，9.凹透镜，10.光环探测单元，11.光核探测单元。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明。图1、图2、图3中，一种钢球表面质量光电检测装置，它设有壳体，壳体内安装激光 器1，激光器1发射端下方依次为光阑2、扩束装置和棱镜装置，棱镜装置两侧为对应的反馈 光探测器5和检测光探测器6，在棱镜装置下方为1/4λ玻片7，1/4λ玻片7下方为一组相 配合的凸透镜8和凹透镜9。扩束装置为准直扩束器3。棱镜装置为格兰棱镜4。检测光探测器6包括光环探 测单元10和光核探测单元11，其中光核探测单元11在检测光探测器6中部，光环探测单元 10沿圆周方向分布在光核探测单元11周围。
4[0024]整个工作原理如图1所示，工作时，由控制器发出指令脉冲经发送端信息处理电 路经过功率放大处理后激发半导体激光管发光，激光光束经光阑2，准直扩束器3准直、扩 束后进入格兰棱镜4，格兰棱镜4使激光光束线偏振光中的e光通过，而ο光则由于满足布 儒斯特角条件而发生全反射，此光束可以作为激光的反馈光束，将透射e光作为测量光束， 经λ /4波片7、测量望远系统(凸透镜8和凹透镜9的组合)聚焦到被测表面上。被测表 面将该光束反射和散射，再次通过测量望远系统、λ/4波片后，测量光束由e光变为ο光， 此时反射及散射回来的测量光束因满足布儒斯特角条件而被GP全反射。从而被光探测器 所接收，光电转换后，ο光部分被直接被反馈给控制器作为参考值记为Itl, e光照射在钢球 表面后返回后，被光核探测单元接收的那部分，记为Is，被光环探测单元接收的另一部分， 记为Id°整个检测过程如下表。 注①其中Γ ()和Γ ’()反映的是粗糙度与测量参数之间的关系。②Φ ()反映的是单个测量点表面缺陷与测量参数之间的关系。③Ritl, Ai0, Si0为阈值需要根据实验确定。即检验表面粗糙度时对于G10-G200级(粗糙度范围0. 020-0. ISOynOdfiyid 作为测量参数；对G3-G10级(粗糙度范围0. 010-0. 020 μ m)的钢球则将It^IsAci作为测量 参数，然后和已经设定的阙值比较来确定钢球是否合格.检验表面缺陷时则将Id+Is/Io作 为测量参数，分为单个测量点的检验，以及总体方差的检验。整个系统的箱体采用剖分结构，剖分的外壳由上、下两半组成，这样既便于安装各 个部件，又有利于外壳的注塑成型。另外两半外壳采用同一结构，这样减少了模具的制造， 从而节省了成本，外壳之间的配合是通过两端的突起和凹孔的过渡配合来定位，另外可以 通过外加螺栓来实现两外壳间的紧密配合。
权利要求一种钢球表面质量光电检测装置，它设有壳体，其特征是，所述壳体内安装激光器，激光器发射端下方依次为光阑、扩束装置和棱镜装置，棱镜装置两侧为对应的反馈光探测器和检测光探测器，在棱镜装置下方为1/4λ玻片，1/4λ玻片下方为一组相配合的凸透镜和凹透镜。
2.如权利要求1所述的钢球表面质量光电检测装置，其特征是，所述扩束装置为准直 扩束器。
3.如权利要求1所述的钢球表面质量光电检测装置，其特征是，所述棱镜装置为格兰 棱镜。
4.如权利要求1所述的钢球表面质量光电检测装置，其特征是，所述检测光探测器包 括光环探测单元和光核探测单元，其中光核探测单元在检测光探测器中部，光环探测单元 沿圆周方向分布在光核探测单元周围。
专利摘要本实用新型公开了一种钢球表面质量光电检测装置。它将两种检测方法融合，具有较高的精度、较宽的范围、较高的速度，可以同时检验钢球表面粗糙度和表面缺陷两个表面质量参数。其结构为它设有壳体，所述壳体内安装激光器，激光器发射端下方依次为光阑、扩束装置和棱镜装置，棱镜装置两侧为对应的反馈光探测器和检测光探测器，在棱镜装置下方为1/4λ玻片，1/4λ玻片下方为一组相配合的凸透镜和凹透镜。
文档编号G01N21/952GK201662392SQ20092024093
公开日2010年12月1日 申请日期2009年11月4日 优先权日2009年11月4日
发明者张永奎, 李国平, 艾长胜 申请人:济南大学