一種基于激光束衍射光斑特性的超精密車削加工表面三維微觀形貌測量方法
【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，涉及一種通過測量超精密車削加工表 面的激光束衍射光斑的衍射角度和強(qiáng)度進(jìn)而實現(xiàn)對工件表面三維微觀形貌特征測量的方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超精密車削加工中，由于金剛石刀具、切肩與加工表面的摩擦，加工區(qū)域的塑性變 形、刀具的進(jìn)給運(yùn)動、以及切削系統(tǒng)的振動等因素，會引起已加工表面上殘留一定周期和高 度的微觀波峰和波谷，也稱為表面微觀相貌。
[0003] 超精密車削加工表面的微觀形貌對零部件的使用性能和可靠性有直接影響。為了 評價表面質(zhì)量，就要對表面微觀形貌進(jìn)行精確測量。表面微觀形貌的測量，對改進(jìn)加工工 藝、控制加工過程和預(yù)防表面缺陷的產(chǎn)生，具有重要研究意義。
[0004] 現(xiàn)有的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 式測量的特點(diǎn)是測頭要與工件表面相接觸，因此可能會劃傷工件；此外，這類測量方法需要 逐點(diǎn)掃描，測量速度較慢。非接觸式測量方法主要有光散射法、光觸針法、干涉條紋法和散 斑法等，這類方法測量范圍比較小，對于評價整個待測表面而言，具有不可靠性。常用的測 量儀器有白光干涉儀，它對測量環(huán)境要求嚴(yán)格，包括環(huán)境溫度和振動特性等，無法在加工現(xiàn) 場使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種基于激光束衍射光斑特性的超精密車削加工表面三維 微觀形貌測量方法，該方法基于激光束衍射光斑特性，實現(xiàn)對超精密車削加工表面的三維 微觀形貌的測量，進(jìn)而為表面微觀形貌的測量提供一種高精度、高效率、易操作的測量方 法。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0007] -種基于激光束衍射光斑特性的超精密車削加工表面三維微觀形貌測量方法，包 括如下步驟：
[0008] 步驟一：將激光器、線性衰減片、小孔光闌、透鏡、CXD相機(jī)調(diào)整在同一高度，并調(diào) 整透鏡的焦距、C⑶相機(jī)與透鏡的距離，保證衍射光斑成像在CXD相機(jī)的感光元件上。
[0009] 步驟二：將激光器預(yù)熱30-60分鐘。
[0010] 步驟三：將工件安裝在回轉(zhuǎn)工作臺上，打開激光器，激光器輸出的激光束依次經(jīng)線 性衰減片和小孔光闌后照射到工件表面，轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)工作臺以調(diào)整激光束的入射角度，將入 射角度調(diào)整為30° -60°的范圍內(nèi)。
[0011] 步驟四：激光束在工件表面發(fā)生衍射現(xiàn)象，產(chǎn)生衍射光斑，衍射光斑按照不同級次 分布開，通過透鏡后，被調(diào)整為平行光束。
[0012] 步驟五：CCD相機(jī)采集衍射光斑圖像，得到各級衍射光斑的能量和位置關(guān)系，再利 用光柵方程ηλ = d(sina 土sin0)，其中η為光譜級次，λ為入射光波長，d為光柵常數(shù)， a為入射角，β為衍射角，計算出表面三維微觀形貌的大小。
[0013] 本發(fā)明與現(xiàn)有的測量表面三維微觀形貌的方法相比，具有如下優(yōu)勢：
[0014] (1)本發(fā)明所述的測量方法是利用了平面反射光柵的理論，對表面微觀形貌的橫 向周期信息和縱向高度信息都可以測量；
[0015] (2)該裝置對工件表面進(jìn)行非接觸式測量，不會對工件表面造成破壞；
[0016] (3)將波長范圍為405-650nm的激光束作為光源，它具有單色性好、相干性好、準(zhǔn) 直性好的特點(diǎn)，有效地保證了測量精度；
[0017] (4)本發(fā)明的測量方法，光路系統(tǒng)調(diào)整簡單，對測量環(huán)境要求不嚴(yán)格，可以在加工 現(xiàn)場使用該方法。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明的測量裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖2為激光束衍射光斑的分布情況示意圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對本 發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋 在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0021] 如圖1所示，一種基于激光束衍射光斑特性的超精密車削加工表面三維微觀形貌 測量裝置，由激光器1、線性衰減片3、小孔光闌4、工件5、回轉(zhuǎn)工作臺6、透鏡8、C⑶相機(jī)9 組成，激光器1輸出的激光束2通過線性衰減片3,強(qiáng)度會減弱；然后經(jīng)過小孔光闌4,小孔 光闌4對激光束2進(jìn)行濾波，只有強(qiáng)度均勻的中心區(qū)域光斑通過；被調(diào)制的激光束作為入射 光照射到裝卡在回轉(zhuǎn)工作臺6上的工件5表面，由于工件5表面具有刀具切削后殘留的紋 理結(jié)構(gòu)，它起到衍射光柵的作用，激光束2發(fā)生衍射現(xiàn)象，產(chǎn)生衍射光斑7。衍射光斑7按照 不同級次分布開，通過透鏡8后，被調(diào)整為平行光束，CCD相機(jī)9采集衍射光斑圖像。
[0022] 利用上述裝置對超精密車削加工表面三維微觀形貌進(jìn)行測量的方法，具體實施步 驟如下：
[0023] 步驟一：測量之前，先將激光器1預(yù)熱30分鐘，保證激光束2的強(qiáng)度穩(wěn)定而連續(xù)。
[0024] 步驟二：將激光器1、線性衰減片3、小孔光闌4、透鏡8、C⑶相機(jī)9調(diào)整在同一高 度，并調(diào)整透鏡8的焦距、C⑶相機(jī)9與透鏡8的距離，保證衍射光斑7成像在C⑶相機(jī)9的 感光元件上。
[0025] 步驟三：將工件5安裝在回轉(zhuǎn)工作臺6上，轉(zhuǎn)動工作臺6以調(diào)整激光束2的入射角 度，將入射角度調(diào)整為30° -60°的范圍內(nèi)。
[0026] 步驟四：計算各級次衍射光斑的衍射角度。激光束2在工件5表面發(fā)生衍射后，各 級衍射光斑7會按照不同的衍射角度展開，通過透鏡8后，被調(diào)整為平行光束，其中：0級衍 射光斑7-3集中了激光束80-90%的能量，它在激光束的幾何反射方向上，因此0級衍射光 斑7-3的衍射角β。= a ;級次越高能量越弱，測量也就越困難；為了保證測量和計算的方 便，并保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，把+1級衍射光斑7-2、-1級衍射光斑7-4、+2級衍射光斑7-1、-2 級衍射光斑7-5作為被測