基于動(dòng)態(tài)散斑的表面粗糙度在線測(cè)量技術(shù)研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，零件的小型化和高精度的尺寸公差要求，使得零件的尺寸公差可與表面粗糙度高度相比擬。這樣，不再能把粗糙度的技術(shù)要求從公差中分離出去，因此對(duì)表面粗糙度的測(cè)量提出了越來(lái)越高的要求。在工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域中，為了節(jié)省能源和材料、避免或者減少零件在加工過(guò)程中的廢品率、監(jiān)測(cè)加工過(guò)程、對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行百分之百檢查、提高產(chǎn)品質(zhì)量等，都大大增加了對(duì)零件表面形貌的無(wú)損檢測(cè)和高速測(cè)量的要求。 本文在對(duì)基于各種原理的表面粗糙度測(cè)量

2、方法進(jìn)行綜述的基礎(chǔ)上，結(jié)合散斑測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)和機(jī)械加工表面的光學(xué)散射特性，以及在線測(cè)量的要求，提出了基于動(dòng)態(tài)散斑的表面粗糙度在線測(cè)量方法。以隨機(jī)表面的標(biāo)量衍射理論為基礎(chǔ)，研究被測(cè)物體在平移運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，菲涅爾衍射面上形成動(dòng)態(tài)散斑的統(tǒng)計(jì)特性，建立該方法的理論基礎(chǔ)；詳細(xì)分析動(dòng)態(tài)散斑統(tǒng)計(jì)特性和表面粗糙度之間的關(guān)系，結(jié)合圖像處理技術(shù)，提取出能表征表面形貌的特征，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)了表面分類(lèi)器；建立一套模擬加工條件下表面在線測(cè)量的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3、。 論文主要研究?jī)?nèi)容如下：把機(jī)械加工形成的表面看作是隨機(jī)表面，根據(jù)隨機(jī)表面的標(biāo)量衍射理論及粗糙面的散射特性，深入研究了散斑成因及散斑現(xiàn)象的描述方法；分析了衍射面上形成散斑場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)特性；給出了不同加工方法形成的試樣的散斑圖像。 分析了激光照射運(yùn)動(dòng)的弱散射體時(shí)，反射光經(jīng)過(guò)自由空間傳播在菲涅爾衍射場(chǎng)形成動(dòng)態(tài)散斑的統(tǒng)計(jì)特性。研究平面物體分別做橫向和縱向運(yùn)動(dòng)、圓柱體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，形成的動(dòng)態(tài)散斑的統(tǒng)計(jì)特性；以動(dòng)態(tài)散斑光強(qiáng)變化的時(shí)間-空

4、間相關(guān)函數(shù)描述散斑空間結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。并以此為基礎(chǔ)，給出幾種特定情況下描述動(dòng)態(tài)散斑時(shí)間-空間相關(guān)性質(zhì)的參數(shù)——?jiǎng)討B(tài)散斑空間相關(guān)長(zhǎng)度，動(dòng)態(tài)散斑的相關(guān)時(shí)間，動(dòng)態(tài)散斑的平移距離和相關(guān)距離。并依據(jù)參數(shù)分析了動(dòng)態(tài)散斑統(tǒng)計(jì)特性與圓柱體曲率半徑、入射光束相關(guān)的參數(shù)、表面微觀形貌、物體旋轉(zhuǎn)角速度、光學(xué)系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)等之間的關(guān)系。 根據(jù)動(dòng)態(tài)散斑的統(tǒng)計(jì)特性，應(yīng)用圖像處理技術(shù)，從動(dòng)態(tài)散斑圖像中提取出能表征表面形貌的6個(gè)特征，包括斑紋分布范

5、圍、光強(qiáng)平均值、二值特征、散斑顆粒大小、灰度特征、互相關(guān)特征；并根據(jù)特征方差、特征相關(guān)系數(shù)及類(lèi)間距對(duì)特征的有效性進(jìn)行了評(píng)價(jià)；同時(shí)，分析了在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，入射角、切削液、震動(dòng)、曲率半徑、加工方法等對(duì)散斑圖像和特征值的影響。 依據(jù)動(dòng)態(tài)散斑圖像的特征參數(shù)對(duì)形成圖像的表面進(jìn)行分類(lèi)。鑒于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于圖像識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)，確定了采用基于Levenberg-Marquardt算法的數(shù)值優(yōu)化方法改進(jìn)的BP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了分類(lèi)器。網(wǎng)絡(luò)的輸入特征由提取的特征

6、參數(shù)組成，輸出層是類(lèi)別數(shù)，一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)類(lèi)，采用最靠近原則進(jìn)行決策。 建立了一套完整的、能模擬實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)的表面粗糙度在線測(cè)量系統(tǒng)。硬件部分由激光器、CCD、采集卡、鏡頭、驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、計(jì)算機(jī)等組成；測(cè)量軟件利用VisualC++和Matlab工具設(shè)計(jì)完成。以四類(lèi)具有不同粗糙度值的平磨加工試樣16塊和三類(lèi)不同粗糙值外圓磨加工試樣6塊為例，應(yīng)用該系統(tǒng)在多個(gè)運(yùn)動(dòng)速度下進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別，識(shí)別正確率較高。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具