基于激光三角法的表面粗糙度测量

摘要

表面粗糙度测量是机械加工领域中一个重要课题，传统的触针法具有接触性及易划伤被测表面等缺点，这限制了它的应用场合。激光三角法由于其非接触性、材料适应性广和测量准确度高等优点从而具有很大的应用潜力。论文研究一种以激光三角法为测量原理结合数字图像处理技术的表面粗糙度测量方法，测量系统中使用线结构光作光源、显微物镜及高精度CCD传感器作位移传感器。
　　论文根据直射式三角测量法的理论推导结果，分析了测量灵敏度的影响因素，并定性分析了测量深度、光学放大倍率与工作角对测量灵敏度的独立影响结果。同时，针对工作角对测量灵敏度的影响进行重点分析，这对系统结构设计具有重要作用。结果表明，考虑到成像系统与激光器径向物理尺寸，工作角不能太小；其次，当工作角逐渐增大到较大角度时为保证清晰成像、需动态调整工作距离和物镜焦距，致使系统光学放大倍率降低，此时，光学放大倍率与工作角对测量灵敏度的综合影响可能是负面的。对于论文中应用的直射式实验系统，最高灵敏度对应的工作角约为70°。
　　激光光带图像中心线的提取是论文所提方法的重要技术步骤。基于线结构光源特性与被测物体表面局部特征，产生的激光光带会出现宽度不均匀，亮度不集中、离散性较大的现象，论文提出改进灰度重心法提取光带中心线。该算法基于自适应二值化处理得到光带各列法向宽度值以及光带的准确边界，再利用光带边界与灰度数据计算灰度重心从而确定出光带的中心位置。结果显示，改进算法中灰度重心的计算范围与光带宽度相一致，具有较高的提取精度和良好的适应性。
　　将高斯滤波应用于光带中心线提取结果，得到平滑后的表面粗糙度轮廓曲线。按照表面粗糙度评定原则计算出被测表面粗糙度结果。
　　为了验证方法的可行性，以刨床标准量具作为被测对象，分别使用本方法与触针法（Mitutoyo SJ-410）进行实验测试。两种方法获得的表面形貌轮廓图在形状和幅值上非常相似，粗糙度统计值也相近，由此说明基于线结构光的激光三角法可以应用于表面粗糙度测量。该方法还具有测量速度快、直观反映表面粗糙度轮廓的特点，因而具有很好的发展前景。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 表面粗糙度测量方法

1.3 研究的目的及意义

1.4 论文主要内容

第二章 激光三角法粗糙度测量原理与关键参数研究

2.1 直射式三角测量原理与公式推导

2.2 斜射式三角测量法原理以及两种结构的特点分析

2.3 斜射直收式激光三角法粗糙度测量的原理与技术方案

2.4 测量系统组成

2.5 测量灵敏度分析

2.6 工作角对测量灵敏度的影响

2.7 本章小结

第三章 激光光带中心线提取

3.1 激光光带中心线提取方法

3.2 改进的灰度重心法

3.3 改进灰度重心法的验证实验

3.3 本章小结

第四章 表面粗糙度评定以及方法实验研究

4.1 表面粗糙度评定相关概念介绍

4.2 表面粗糙度计算

4.3 测量方法实验研究

4.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文