目標(biāo)激光散射特性在鋼板表面微觀輪廓精度測(cè)量中的應(yīng)用研究.pdf

1、冷軋鋼板表面微觀輪廓精度被認(rèn)為是加工過(guò)程中最重要的控制參數(shù)之一。它不僅會(huì)影響鋼板與模具之間的摩擦因數(shù)、儲(chǔ)油條件及鋼板沖壓時(shí)的成形性能，還會(huì)影響到鋼板表面的反射性和著色性等性能。隨著光電技術(shù)、激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用，為表面微觀輪廓精度的檢測(cè)提供了新的理論與技術(shù)，以這些理論技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的非接觸光電檢測(cè)技術(shù)已成為現(xiàn)代產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)的重要手段。本文就是針對(duì)冷軋鋼板表面微觀輪廓精度應(yīng)用非接觸光電檢測(cè)技術(shù)研究的一種可對(duì)多參數(shù)進(jìn)行實(shí)

2、時(shí)在線測(cè)量的技術(shù)與系統(tǒng)。 本文以Beckmann光散射理論為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了鋼板表面微觀輪廓精度測(cè)量系統(tǒng)。文中針對(duì)光在介質(zhì)表面的散射特性，分析探討了Beckmann標(biāo)量積分理論、Rayleigh-Rice矢量微擾理論、S-C-S矢量積分理論等各種散射理論的基本分析方法、假設(shè)條件及各自的適用范圍，并且以Beckmann光散射理論為基礎(chǔ)，建立光散射模型，分析推導(dǎo)了光散射和粗糙度測(cè)量間的定量關(guān)系，建立了粗糙面的近似表達(dá)式。將其應(yīng)用在冷軋鋼板

3、表面微觀輪廓精度的測(cè)量中，并由此建立了冷軋鋼板表面粗糙度參數(shù)輪廓算術(shù)平均偏差Ra、自相關(guān)長(zhǎng)度T的數(shù)學(xué)模型，從而確立了鏡面反射光強(qiáng)和表面粗糙度之間的定量關(guān)系。在此基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)了表面粗糙度參數(shù)Ra測(cè)量分系統(tǒng)和每英寸波峰數(shù)PPI測(cè)量分系統(tǒng)。 在Ra測(cè)量分系統(tǒng)中，為了得到鋼板表面的Ra參數(shù)值，需分別測(cè)量入射光的光強(qiáng)和鏡面反射光的光強(qiáng)，而對(duì)入射激光波長(zhǎng)的選擇及對(duì)激光入射角的選擇是測(cè)量技術(shù)的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)入射激光波長(zhǎng)與表面鏡面反射率的關(guān)系譜

4、線的測(cè)量分析和實(shí)驗(yàn)研究，以及對(duì)0.6328μm和3.39μm入射激光的鏡面反射光強(qiáng)度的測(cè)量分析和實(shí)驗(yàn)研究等，選用了波長(zhǎng)為3.39μm的氦氖激光器做激光光源。同時(shí)，通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，認(rèn)為光束入射角為75°時(shí)是最佳角度。另外，在Ra測(cè)量分系統(tǒng)中，還設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)量校準(zhǔn)系統(tǒng)，借助于表面輪廓算術(shù)平均偏差Ra值已知的標(biāo)準(zhǔn)冷軋鋼板，在同樣條件下測(cè)量被測(cè)鋼板和標(biāo)準(zhǔn)鋼板，并比較它們的測(cè)量結(jié)果，以此來(lái)校準(zhǔn)光路的準(zhǔn)確性和確定工件的合格與否。該分系統(tǒng)可

5、測(cè)量輪廓算術(shù)平均偏差Ra的范圍為0.1μm到1.8μm。 PPI測(cè)量分系統(tǒng)中，采用輪廓基準(zhǔn)中線上方1/2Ra處作為閾值進(jìn)行高點(diǎn)計(jì)數(shù)，得到被測(cè)輪廓每英寸的波峰數(shù)目PPI。依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了不同閾值下T與PPI的關(guān)系，確立了1/T與PPI基本成正比的關(guān)系。依據(jù)Beckmann粗糙表面散射光空間分布的基本模型，推導(dǎo)出可用于實(shí)際計(jì)算的金屬表面散射光功率分布的近似模型，并對(duì)冷軋鋼板表面散射光的空間分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。系統(tǒng)采用波長(zhǎng)0.63

6、5μm的半導(dǎo)體激光器做光源，光束以0°入射角垂直投射到被測(cè)表面，光能量的接收采用硅光電池。該系統(tǒng)PPI的測(cè)量范圍可達(dá)600點(diǎn)。 信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，光強(qiáng)信號(hào)被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，信號(hào)放大后通過(guò)數(shù)據(jù)采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換，被送入計(jì)算機(jī)。根據(jù)Ra和PPI的數(shù)學(xué)模型，采用VisualBasic6.0編程，對(duì)數(shù)值進(jìn)行處理、比較，求出Ra和PPI的平均值、最大值和最小值。用picture控件將每次測(cè)得的粗糙度參數(shù)值以圖像的方式顯示，十分逼真的表

7、現(xiàn)了被測(cè)鋼板的表面形貌。 采用集成技術(shù)，將Ra測(cè)量單元、PPI測(cè)量單元、標(biāo)準(zhǔn)量比較單元及紅外光路指示單元等多個(gè)不同功能的單元集成在一起，實(shí)現(xiàn)多個(gè)參數(shù)的同時(shí)實(shí)時(shí)測(cè)量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)采用該測(cè)量系統(tǒng)得到的Ra和PPI的值與傳統(tǒng)觸針式測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，測(cè)量結(jié)果吻合性很好。該系統(tǒng)測(cè)量重復(fù)性不大于0.05μm，測(cè)量穩(wěn)定性不大于0.01μm。針對(duì)系統(tǒng)中可能存在的系統(tǒng)誤差，對(duì)誤差來(lái)源進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的改善措施和方法。該系統(tǒng)垂直分辨率為0.0