辛　洪　常素萍　謝鐵邦

(華中科技大學機械科學與工程學院，武漢 430074)

0　引言

鋼板的毛化[1]能夠改善冷軋鋼板的沖壓成形性、涂敷性和光亮度等性能，因此汽車車身、家電外殼等普遍采用毛化鋼板。目前冷軋鋼板的毛化技術(shù)主要有激光毛化、噴丸毛化和電火花毛化等，鋼板的毛化表面受到冷軋輥的毛化、冷軋工藝過程的影響[2-3]，因此控制冷軋輥和冷軋鋼板的表面形貌有利于提高毛化鋼板的生產(chǎn)質(zhì)量和改進工藝過程。

工程表面形貌的測量主要采用觸針式表面形貌測量儀，有電感式、激光干涉和光柵干涉式。電感式表面形貌測量儀是基于電感原理，測量范圍只有±300μm；激光干涉和光柵干涉式利用干涉原理，測量范圍可達幾毫米，甚至幾十毫米，測量分辨力可達納米，是目前應用較廣的測量儀器[4-6]。這些表面形貌測量儀可用來測量軋制工藝完成后的鋼板的表面，可測量得到二維和三維的形貌；而軋輥的測量則多是用手持式粗糙度測量儀，只能測量得到簡單二維粗糙度參數(shù)的評定值。由于毛化表面的形貌比較復雜，要從毛化結(jié)構(gòu)的形狀、高度和分布等多方面分析評定[7]，來控制鋼板的使用性能和工藝過程。因此需要便攜式的大范圍大量程高精度的表面形貌測量儀，能夠在線測量鋼板和軋輥的三維表面形貌。

本文根據(jù)毛化鋼板和軋輥的表面形貌特點，研制出一臺便攜式、多功能的三維表面形貌測量儀，可進行在線測量鋼板和冷軋輥的毛化表面形貌，進行毛化形貌的分析和評定。

1　儀器總體結(jié)構(gòu)

便攜式三維表面形貌儀器包括觸針式測量傳感器、光學測量系統(tǒng)，X-Y二維驅(qū)動機構(gòu)、控制電路和軟件，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。觸針式測量傳感器基于激光干涉原理，能夠測量毛化表面形貌，進行表面特征的分析和評定。光學測量系統(tǒng)可得到被測表面的顯微圖像，用于分析毛化結(jié)構(gòu)的分布規(guī)律。X-Y二維驅(qū)動機構(gòu)采用共基面結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)大面積高精度的測量。

圖1　儀器總體結(jié)構(gòu)示意圖

計算機根據(jù)測量要求發(fā)送控制信號到控制箱，控制箱產(chǎn)生脈沖信號來驅(qū)動步進電機使工作臺帶動傳感器作二維掃描運動。工件表面的形貌會引起傳感器光信號的變化，激光干涉?zhèn)鞲衅鞯墓庑盘栍蓹z測頭轉(zhuǎn)換為電信號，送入控制箱進行調(diào)整，然后傳給計算機進行計數(shù)，得到位移值。在進行完接觸式測量以后，可以將傳感器替換為物鏡與CCD，用來采集圖像信號，傳給計算機來顯示圖像。最后計算機根據(jù)采集得到的表面三維形貌計算相應參數(shù)。

2　測量傳感器

測量傳感器基于邁克爾遜干涉測長原理，如圖2所示。

圖2　傳感器原理示意圖

激光器發(fā)射的光束經(jīng)過反射鏡入射到分光鏡的分光面上，分光面將入射激光束分成兩束光a與b。測量光a入射到杠桿一端的角錐棱鏡，在角錐棱鏡里做了兩次反射后，反射光c按照原路返回，回到分光鏡的分光面上。參考光b同樣也經(jīng)過參考角錐棱鏡，參考反射鏡，然后原路返回，在分光鏡的分光面處與測量光匯合產(chǎn)生干涉條紋。當觸針在毛化表面上掃描時，表面形貌會使杠桿帶動角錐棱鏡上下移動，測量光路的光程就會發(fā)生變化使干涉條紋移動。

設觸針位移值為Δx，干涉條紋由光電接收器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過電路分析和處理，單片機對干涉條紋硬件四細分進行計數(shù)，計數(shù)值為N。觸針位移值Δx則為

(1)

式中，k為杠桿比；l 為激光波長；θ為兩路差分信號的相位差。

所使用激光器發(fā)出的激光波長為650nm，杠桿比例k為1:1。由式(1)知每移動一個干涉條紋，Δx變化650nm/4=162.5nm。在經(jīng)過硬件四細分后通過12位A/D采樣，分辨力可以達到大約5nm。

由于杠桿的非線性誤差和角錐棱鏡傾斜對光路帶來的誤差，杠桿只有在傾斜小角度范圍內(nèi)測量時，觸針的實際位移值才會與計算值近似相等[8]，在杠桿臂長為30mm時，觸針的測量范圍大約為±3mm。

3　二維掃描工作臺

二維掃描工作臺的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)由步進電機、滾珠絲桿、直線導軌、柔性聯(lián)軸器、定位軸承和定位銷組成，其實物圖如圖3所示。

1.步進電機；2.聯(lián)軸器；3.滾珠絲桿；4.直線導軌；5.X向移動平臺；6.Y向移動平臺；7.手輪；8.傳感器 ；9.光電檢測頭；10.觸針

二維掃描工作臺的精度直接影響到傳感器的測量結(jié)果，為了減小二維掃描工作臺在掃描過程中兩副導軌因不共面而造成的誤差，采用共基面式的安裝方式來安放導軌，X-Y向運動保持在同一平面上。

單一方向上的運動由步進電機、滾珠絲桿和直線滾柱導軌協(xié)作完成。步進電機通過聯(lián)軸器帶動滾柱絲桿轉(zhuǎn)動，絲桿屬于細長軸，其軸線的直線度與絲桿的形狀誤差會導致滾柱絲桿螺母的擺動，從而影響到掃描工作臺的直線度。為了降低其影響，滾柱絲桿螺母與直線導軌間的連接采用銷的連接方式。這樣掃描工作臺的直線度主要取決于直線導軌的直線度，它在測量中的影響可以通過濾波技術(shù)去除。

步進電機的驅(qū)動脈沖數(shù)為10000ppm，滾珠絲桿的螺距為2mm，因此掃描工作臺X-Y方向上的分辨力為0.2μm。毛化鋼板或軋輥的毛化點直徑一般為100～300μm，而毛化點的間距是毛化直徑的1～5倍，多數(shù)情況下會在200～1000μm之間，水平掃描的分辨力為0.2μm能夠滿足測量要求。軋輥具有一定弧度，工作臺測量范圍為30mm×30mm，工作臺在此掃描范圍內(nèi)，觸針的起伏小，測量精度高。

4　儀器控制電路

儀器的控制電路總體上分為兩大部分：測量信號的輸入與電機控制信號的輸出。為了適應儀器便攜式的特點，儀器接口采用傳輸速率高，方便連接，具有即插即用特性的USB2.0接口。圖4為控制電路的總體框圖。

圖4　控制電路框圖

測量信號輸入電路主要包括干涉條紋的變向、計數(shù)與細分。干涉條紋的光強由四個光電二極管轉(zhuǎn)換為電信號，這種微弱的電信號里面摻雜著高頻的噪聲信號，需要用濾波器對信號進行高頻濾波。濾波后的信號需要經(jīng)過差分變?yōu)閮陕废辔幌嗖?0°的正弦信號，在送入調(diào)理電路之前，需要用加法器來調(diào)整信號中的直流量，用放大器校正正弦信號的幅值，以保證李薩如圓的圓度并使中心保持在坐標原點。

在調(diào)理電路中，將上述的兩路信號分別做整形處理與A/D轉(zhuǎn)換處理。A/D轉(zhuǎn)換后的兩路數(shù)字信號直接通過USB接口送交計算機細分，而另一方面的整形，是用比較器將兩路正弦信號整成方波信號，這兩路的方波信號相位差也是90°，這樣就可以根據(jù)兩路信號的相位變化來判斷方向，根據(jù)方波經(jīng)過的周期數(shù)來計數(shù)，然后將得到的計數(shù)結(jié)果通過USB接口送交計算機。一個計數(shù)代表著光程差為1/4個波長，光程差不足1/4波長的部分可以通過軟件細分來實現(xiàn)，再根據(jù)計算得到的光程差來推算出觸針的位移值。

步進電機的驅(qū)動信號是脈沖信號，計算機根據(jù)需要走的行程及速度通過USB接口發(fā)出一定頻率和數(shù)量的脈沖信號，送入步進電機驅(qū)動器來驅(qū)動步進電機。

5　測量應用

為了驗證三維形貌測量儀測量精度，對中國計量院提供的Ra值為0.8的A06476標準矩形多刻線樣板進行測量測試。圖5為測量結(jié)果，Ra=0.817μm，重復測量誤差0.017μm。

對毛化鋼板進行了三維形貌測量試驗， 圖6為測量出的三維形貌圖。對測量結(jié)果進行參數(shù)評定，輪廓算術(shù)平均偏差Ra=0.752μm，微觀不平度十點高度Rz=4.429μm，輪廓最大高度Ry=4.564μm，輪廓微觀不平度的平均間距Sm=0.153mm，輪廓的單峰平均間距S=0.270mm。

圖5　標準多刻線樣板的測量結(jié)果

圖6　毛化鋼板測量圖

毛化軋輥與毛化鋼板的毛化點的排列具有紋理，一些特殊紋理通過接觸式測量不容易測準，可通過圖像法來觀測，圖7是在兩倍放大的情況下觀測到的圖像，毛化點為橫向直線型排列的紋理，毛化點的密度為14.8個/mm2。

圖7　毛化鋼板放大圖像

6　結(jié)論

為了能夠更全面有效的測量毛化表面的三維形貌，本文研制了便攜式表面形貌測量儀，不僅能進行三維表面形貌的高精度大面積的測量，還可進行圖像分析，能夠從毛化結(jié)構(gòu)的形狀、高度和分布等多方面分析表面特性與鋼板的使用性能、工藝參數(shù)等關(guān)系，從而控制毛化鋼板的表面質(zhì)量和生產(chǎn)過程。

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