激光位移傳感器測量表面粗糙度的實驗裝置和方法

花廣如，王進峰，王洪運，劉彥豐

（1. 華北電力大學 機械工程系，河北 保定 071003，2. 華北電力大學 動力工程系，河北 保定 071003）

表面粗糙度是指加工表面具有的較小間距和微小峰谷的不平度。表面粗糙度測量不僅是機械類專業基礎課“互換性與技術測量”的重要實驗之一，也是衡量零件微觀幾何形狀誤差的重要指標[1]。表面粗糙度的測量方式包括觸針法、光切法、干涉法。觸針法通過金剛石探針在零件表面劃過，獲得零件表面的微觀幾何形狀，由于金剛石探針在零件表面產生劃痕，屬于有損測量。因此很多科研工作者研究非接觸式測量表面粗糙度的方法[2-3]。光切法主要利用光切顯微鏡，根據某寬度的光帶經過被測表面反射后形成光帶的寬度計算表面粗糙度[4-5]。光切法的優勢是無損測量，但是測量效率低。為提高測量效率，實現粗糙度的無損測量，主要通過兩種途徑進行。一是利用工業相機獲得測量表面的圖像信息，利用圖像識別技術獲得零件的表面粗糙度[6-7]；二是利用干涉法測量表面粗糙度[8-9]。本實驗利用激光位移傳感器測量對象的表面Z向位移，然后利用Matlab計算粗糙度值。李兵等[10]利用激光微位移傳感器測量自由曲面，并實現曲面重建。彭西風等[11]利用激光位移傳感器進行面角度測量，洪波等[12]利用激光位移傳感器進行角焊縫位姿檢測。大量的工程實踐表面利用激光位移傳感器采集表面數據是實現粗糙度測量的有效途徑。

1 粗糙度測量系統

搭建的基于激光位移傳感器的粗糙度測量系統包括硬件部分和軟件部分，硬件包括激光位移傳感器、計算機、步進電機移動滑臺、PLC、鋁型材框架、步進電機驅動器。軟件包括PLC程序設計軟件、數據采集軟件、數據處理軟件。

硬件部分實物如圖1所示。

圖1 粗糙度測量實驗臺

2 工作原理

系統工作時，被測對象放置在X-Y滑臺上。X-Y滑臺通過聯軸器由兩端的步進電機驅動。下方的可編程控制器PLC控制兩臺驅動器，兩臺驅動器控制步進電機轉動，通過聯軸器帶動滾珠絲杠轉動，從而帶動X-Y滑臺沿X軸或Y軸移動。當被測對象隨十字滑臺移動時，激光位移傳感器測量對象Z向的位移數據。通過激光位移傳感器上位機軟件，取出被測目標的位移數據，通過Matlab軟件處理位移數據，計算被測對象的表面粗糙度值。

激光位移傳感器的參數設置對數據采集影響較大。采樣周期決定了單位長度內采集的數據點多少，采樣周期選為200 μs；傳感器內部固有存儲區的緩沖模式設為連續采集；本實驗的取樣長度為10 mm，結合步進電機的速度以及激光為傳感器的采樣周期綜合考慮，固有存儲區的緩沖數據個數設為1000；其他參數系統默認。

在計算表面粗糙度時,首先要確定測量數據的輪廓中線。輪廓中線是具有理想幾何輪廓形狀和分割輪廓基線的基準線，是評價表面粗糙度的參考線。中間線與工件表面幾何輪廓的對齊是一致的。中線包括最小二乘中線和平均中線。最小二乘中線是輪廓線與等高線的偏移Z(x)的平方和的最小值。輪廓算數平均中線是指取樣長度內，與輪廓走向一致，劃分實際輪廓為上、下兩部分,且使上部分面積之和等于下面積之和的基準線。當在輪廓圖上難以確定最小二乘中線的位置時，可以用算術平均線代替平均中線。輪廓圖形的最小二乘中線位置確定一般比較困難，實驗采用Matlab數值擬合的方法近似代替輪廓圖形的最小二乘中線。利用本方法確定的輪廓中線比較符合在粗糙度測量時所使用的輪廓算術平均中線，且在計算過程中能夠得到準確的結果。

3 實驗過程

以鋁合金件平面和塑料件平面作為測試對象，驗證利用激光位移傳感器測量粗糙度的有效性。不同的測試對象每次測量的取樣長度為10 mm，且每次測量數據點都為1000個數據點。

測量鋁合金件平面的粗糙度的測量結果見圖2。

圖2 鋁合金平面粗糙度測量結果

該輪廓中線擬合方程為

測量塑料件平面的粗糙度測量結果見圖3。

圖3 塑料平面粗糙度測量結果

該輪廓中線擬合方程為

表面粗糙度可通過公式（3）和公式（4）計算。

為了保證能夠粗糙度的準確性，在10 mm取樣長度內的1000個數據，分為5組，在2 mm的長度內分布了200個數據，根據公式（3）和公式（4），可計算5個粗糙度值，取其最大值，作為最終該零件的粗糙度值。

4 結論

為了測量零件表面粗糙度，設計了一種基于激光位移傳感器的粗糙度測量系統。該測量系統包括由激光位移傳感器、滑臺、步進電機等組成的硬件系統和由傳感器上位機軟件和數據處理程序組成的軟件系統。當滑臺帶動被測對象沿X軸和Y軸移動時，激光位移傳感器采集對象表面的Z向位移數據。上位機軟件將傳感器內部存儲區的數據導出后，由Matlab程序計算其表面粗糙度值。為了驗證上述裝置和方法的有效性，分別以鋁合金平面，塑料平面作為測量表面，進行粗糙度測量和計算。實驗結果驗證了該方法能夠測量不同表面的粗糙度值。