表面粗糙度是描述表面微觀輪廓的基本參數(shù)，對于評價產(chǎn)品性能至關(guān)重要。在機械加工、薄膜制備、微納機電系統(tǒng)以及光學精密加工等領(lǐng)域，表面粗糙度是評價產(chǎn)品性能的重要指標之一。為了提高加工檢測效率，實現(xiàn)尺寸形位公差與微觀輪廓的同平臺測量，本文提出一種基于光譜共焦位移傳感器的在線集成表面粗糙度測量方法。
一、測量系統(tǒng)及原理
該在線集成表面粗糙度測量系統(tǒng)以一臺三坐標測量機（CMM）為平臺，構(gòu)建了測量系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由光學探頭、白光光源、微型光譜儀、光纖等組成光譜共焦位移傳感系統(tǒng)，并利用工業(yè)現(xiàn)場常用的三坐標測量機平臺執(zhí)行輪廓掃描。
其中，光學探頭、白光光源、微型光譜儀、光纖等元件組成了光譜共焦位移傳感系統(tǒng)，測量量程為300μm，橫向分辨率為4.5μm，縱向位移測量精度達到納米級別，較好地滿足了表面粗糙度測量對光探針尺寸和精度的要求。
坐標測量平臺利用其高精度和穩(wěn)定的三維空間運動定位能力以及方便在線部署的特點，作為表面粗糙度測量的掃描運動執(zhí)行器。通過特殊光學設計形成的透鏡組將白光光源發(fā)出的多色平行光進行光譜分光，形成一系列波長不同的單色光，同時再將其同軸聚焦，由此在有效量程范圍內(nèi)形成了一個焦點組。每一個焦點的單色光波長都對應著一個軸向位置。測量時通過光譜儀分析光譜峰值結(jié)合峰值提取算法從而確定被測點的高度位置信息。
二、測量流程
表面粗糙度測量方法的具體流程如下：
待測工件定位：將待測工件平穩(wěn)置于坐標測量機測量平臺上，調(diào)用標準紅寶石測針測量其空間位置和姿態(tài)，為按測量工藝要求確定測量位置提供數(shù)據(jù)。
輪廓掃描：測量機測量臂更換掛載光譜共焦傳感器的光學探頭，驅(qū)動探頭運動至工件測量位置，調(diào)整光源光強、光譜儀曝光時間和采集頻率等參數(shù)以保證傳感器處于較好的工作狀態(tài)。編輯掃描步距、速度等運動參數(shù)后啟動輪廓掃描測量，并在上位機上同步記錄掃描過程中的橫向坐標和傳感器高度信息，映射成為測量區(qū)域的二維微觀輪廓。
表面粗糙度計算與評價：將掃描獲取的二維微觀輪廓數(shù)據(jù)輸入到輪廓處理算法內(nèi)進行計算。按照有關(guān)國際標準選擇合適的截止波長，按高斯輪廓濾波方法對原始輪廓進行濾波處理，得到其表面粗糙度輪廓，并計算出粗糙度輪廓的評價中線。再按照表面粗糙度的相關(guān)評價指標的計算方法得出測量結(jié)果，最后得到被測工件的表面粗糙度信息。
三、硬件控制與輪廓處理環(huán)境的建立
為了實現(xiàn)工件微觀輪廓的掃描和表面粗糙度測量的協(xié)調(diào)控制，基于USB和Ethernet通訊接口和協(xié)議，在上位機LabVIEW平臺上開發(fā)了系統(tǒng)的硬件通訊控制模塊。同時配套了高斯輪廓濾波處理及表面粗糙度的評價環(huán)境，建立了非接觸的表面粗糙度測量能力。
四、實驗結(jié)果與討論
為了驗證該方法的可行性和有效性，對標準臺階、表面粗糙度標準樣塊和曲面輪廓樣品進行了測量。實驗結(jié)果表明：該測量系統(tǒng)具有較高的測量精度和重復性，粗糙度參數(shù)Ra的測量重復性為0.0026μm。與傳統(tǒng)的接觸式輪廓儀和掃描白光干涉輪廓儀相比，基于光譜共焦的在線集成表面粗糙度測量方法具有更高的檢測效率和更好的適應性。優(yōu)化零件檢測流程和提高整體檢測效率等方面具有一定的應用前景。
總之，基于光譜共焦的在線集成表面粗糙度測量方法具有非接觸、高精度、高效率等優(yōu)點，可廣泛應用于機械加工、薄膜制備、微納機電系統(tǒng)、光學精密加工等領(lǐng)域。