基于多色激光散斑的表面粗糙度测量系统的研究

摘要

随着工业制造的逐步发展,表面粗糙度测量成为器件制作工艺中的一个重要环节。表面粗糙度测量方法中,多色激光散斑测量法具有测量范围广、失调性要求低等优点。然而,对于三色激光散斑或者多色激光散斑测量表面粗糙度的研究很少。因此,以三色激光散斑测量法为基础,进行深入研究,建立一套表面粗糙度的测量系统具有非常重要的实用价值。
　　首先,本文研究了表面粗糙度与散斑特征的关系,建立起散斑延长因子与表面粗糙度的关系,表明了可以通过散斑特征来测量物体表面粗糙度。并引入了对大曲率半径表面的分析,首次讨论了大曲率半径表面对其形成多色激光散斑场以及散斑延长效应的影响。结果表明,对同一粗糙度值的表面,曲率半径越小,其多色散斑场的散斑延长率越小。因此,对具有一定曲率半径的粗糙表面,以其散斑延长率来表征表面粗糙度参数时,必须考虑表面弯曲的影响。
　　然后,设计一套激光同轴、准直的光路和散斑图像采集系统,建立了多色散斑测量表面粗糙度的测量系统。散斑图像采集系统包括图像传感器模块、FPGA及MCU控制模块、上位机的人机交互模块三部分组成。散斑图像采集选用可直接输出数字图像信号的CMOS图像传感器OV7620作为采集系统的前端,并选用FPGA、MCU作为控制器,以及SRAM作为数据存储器。利用Verilog HDL语言设计FPGA对OV7620的数据采集和控制和存储,同时通过MCU的串口通信传送数据到上位机,最后,运用MATLAB及其GUIDE设计上位机的界面和图像处理算法,得到表征表面粗糙度的参数。整个散斑图像采集系统可以完成对从图像采集、传输、显示和处理等功能。
　　最后,利用建立的测量系统,对标准粗糙度样块进行了测量,结果表明,本系统测量速度较快、精度较高,表面粗糙度值可以达到从0.4μm到6.4μm的测量范围。

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第一章 绪论

§1.1 课题来源

§1.3 国内外研究现状

§1.4 论文的主要研究内容

第二章 散斑场理论及模拟分析

§2.1 粗糙表面特性概述

18B§2.2 随机表面的模拟及分析

§2.3 粗糙表面散斑场理论及模拟

20B§2.4 表面粗糙度的参数表征方法

21B§2.5 本章小结

第三章 多色激光散斑测量表面粗糙度的光路系统设计

2B§3.1 表面粗糙度测量系统结构

23B§3.2 激光器输出特性概述

24B§3.3 光路系统的光束处理设计

§3.4 本章小结

第四章 多色激光散斑测量表面粗糙度的图像采集系统设计

6B§4.1 图像传感器模块设计

B§4.2 FPGA各模块及接口设计

§4.3 MCU通信控制设计

29B§4.4 基于MATLAB的人机交互界面设计

30B§4.5 本章小结

第五章 表面粗糙度测量结果及分析

31§5.1 表面粗糙度测量系统的测量结果及数据处理

32B§5.2 大曲率半径粗糙表面对散斑场影响的分析

3B§5.3 不同的波长组合对测量结果的影响分析

§5.4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果

附录A:部分源程序