基于光纤传感器的表面粗糙度在线检测研究

０ 引言 表面粗糙度是机械零件表面质量的一个主要
评价指标，它对精密零件（如滚动轴承、活塞、曲轴 等）的使用性能和使用寿命有很大影响。目前通 常是在计量室或生产车间用电动轮廓仪或光学显 微镜对表面粗糙度进行事后抽样检测（被动测 量）。为了实现生产中的质量控制，国内外不少学 者开展了基于光纤传感器的表面粗糙度在线检测 （主动测量）研究［１书］。由于在传感器和检测技术 等方面还存在～些问题，所以表面粗糙度的在线 检测尚处于实验室阶段。笔者在多年试验研究的 基础上，研制出一种比较简单实用的光纤式表面 粗糙度在线检测仪。
表格存放在单片机的程序存储器中，测量时通过单
片机对传感器的输出电压信号Ｕ进行Ａ／Ｄ转换、
采样、查表即可快速显示出表面粗糙度鼢的数值。
２ 在线检测仪的设计要点
在线检测是指在机床上或生产线上进行的检 测，可分为加工过程中的动态测量和加工过程后 的静态测量两种情况。动态测量需考虑切削液和 测量距离变化等因素的影响，要得到表面粗糙度 的准确数值非常困难。动态测量可用于动态监测， 为整个工艺系统的实时监测提供参考。静态测量 不需取下工件即可进行快速检测，若发现加工精 度尚未达到技术要求，还可继续加工。与传统的事 后检测方法相比，在线静态测量具有明显的优越 性，它可以减少工件的装夹次数，减小因重新装夹 带来的定位误差，有利于提高生产效率和产品 质量。 ２．１ 光纤探头的结构设计
文献［１—３］采用由位移传感器、步进电机和精 密丝杠机构组成的位移补偿系统来消除测量距离 变化的影响。笔者从传感器结构和在线测量装置 设计两方面进行过试验研究，研制了一种适于在 线检测的光纤传感器，使其具有一个较大的、对距 离变化不敏感的范围，而在此范围内对表面粗糙 度的变化最为敏感，另外，设计的定位装置采用了 柔性接触的自动补偿办法。这样既可有效地克服 因工件直径减小引起的测量距离变化的影响，又 使整个测量装置大为简化。
万方数据
分光线通过接收光纤束和光电转换器件转换成电 信号，再经过放大电路即可得到光纤传感器的输 出电压信号Ｕ。
图１ 表面粗糙度在线检测系统原理图 图２所示为同一光纤传感器测量不同表面粗 糙度值的外圆磨工件的位移响应特性曲线，其中， ｄ为光纤探头端面与被测表面之间的距离。
０．１５／ｔｉｎ ０．３０ｔＬｍ ＞ Ｉ．２０ｔ，ｍ ３ 幽 唧
５ ４
３
＞＼３出脚 ２ １
（ａ）磨削
（ｂ）车削和刨削
图３ 光纤传感器输出信号与表面粗糙度的关系
以外圆磨的Ｕ—Ｒａ曲线为例，通过曲线拟合
方法可得曲线方程：
砌≈１６３／Ｕ５（“ｍ）
式中，电压Ｕ的单位为Ｖ。这一经验公式只适于特
定的传感器和特定的加工方法与使用条件，系数
需要通过标定。将经验公式对应的砌和Ｕ值制成
笔者曾尝试了双探头方案（一根垂直于被测
表面，另一根与之成一定的夹角），旨在使传感器
两输出信号之比对表面粗糙度的变化更敏感，并
克服不同工件材质和其他系统误差的影响，但试
验结果并不满意：当倾斜的光纤探头只用来接收
反射光时，其输出信号太弱，几乎没有接收到多少
反射光；而当两个探头同时用于发送和接收时，照
射在被测表面上的两个光点又不重合，则测出的
３．２ 动态测量 文献［１］曾提出一个解决冷却液影响的办法：
将光纤探头浸在冷却液中，让冷却液在探头和磨 削表面之间流过，同时对传感器的输出特性曲线 进行标定。笔者认为，工件的转动及其尺寸的减 小可能会引起探头附近冷却液的变化，从而影响 测量结果。于是通过试验找到了一种较好的方 法——挡水吸气法，即首先在磨床的冷却液喷嘴 上固定一块带海绵的挡板，挡掉和刮去大量飞溅 的冷却液；然后通过吸气装置来吸净工件表面上 的少量冷却液。试验中，采用了一台功率为 ４００Ｗ的吸尘器。
因素，测量较为方便迅速。表１所示是光纤传感
器与Ｔａｌｙｓｕｒ｛一６型电动轮廓仪测量结果的比 较，可见测量结果基本一致。
表１ 夕ｌ＇ｌｉｉｌ磨削工件的Ｒｎ测量值比较
ｆｆｍ
测量方式
工件１
工件２
工件３
工件４
光纤传感器
０．１５６
０．２１８
０．２９４
０．５５１
电动轮廓仪
０．１４５
０．２１０
０．２７５
０．５２０
基于光纤传感器的表面粗糙度在线检测研究——李亚非 谢竹生
基于光纤传感器的表面粗糙度在线检测研究
李亚非 谢竹生
长沙理工大学，长沙，４１００７６
摘要：介绍一种基于光纤传感器的表面粗糙度在线检测系统，给出了一系列试验结果；讨论了在线
检测仪的设计要点以及在线检测存在的问题，如光纤探头的结构、传感器的装夹与定位、仪器的元器件
选择、仪器的标定、切削液和测量距离变化的影响等，提出了解决或改进的办法。研究结果表明，该检测
系统具有结构简单、工作效率高、抗干扰能力强等特点，适用于静态条件下的快速检测和动态条件下的
实时监测，有利于提高机械加工质量和生产效率。
关键词：光纤传感器；表面粗糙度；在线检测；主动测量
中图分类号：ＴＨｌ６１．１；ＴＨ７４１．１
针对传感器的装夹与定位装置设计，笔者提 出以下总的设计原则：①便于工件的装卸且不影 响正常的加工；②为了保证合适的测量距离和对 中性，应能对光纤传感器进行快速定位调整和固 定；③应能消除环境杂散光的影响，保证测量精 度；④为适应各种圆柱面和平面工件的测量，测头 定位部分应可换。
遵循上述原则，研制了手持式和固定式两种 装置。手持式可用于各种静态测量的场合，固定
仪器的元器件选择包括传感器和单片机系统 两部分的元器件选择，应力求使得检测仪的精度
高、抗干扰能力强、体积小。为此，采取了如下
措施：
基于光纤传感器的表面粗糙度在线检测研究一一李亚非 谢竹生
（１）仪器采用可充电电池供电，以避免车间 交流电源带来的干扰。电源部分采用以ＭＡＸ７５６ 为核心构成的高效升压型开关稳压电路，设有欠 压检测、自动关机电路。
光纤传感器按照发送光纤束和接收光纤束在
· 万４方１ ２数· 据
０
０．５
１．０
ｉ．５
Ｚ．０
距离ｄ／ｍｍ
图５ 不同光纤传感器的位移响应曲线
从图５可以看出，同心圆型具有较平缓的峰
顶和较大的峰值距离，比较适合表面粗糙度的在
线检测。因为峰顶附近正是测量表面粗糙度的工
作区，平缓的峰顶可以减小距离变化对测量结果 的影响。
由试验得知，当被测对象的材料、形状、加工 方法等不同时，传感器有不同的特性曲线，传感器 元器件参数的变化也会影响其特性曲线。因此， 如何进行仪器的标定和精度校核是必须解决的问 题。传统的将标定曲线方程制成表格一次性固化 在单片机程序存储器中的做法会使仪器产生一定 的测量误差，定期的精度校核也很困难。笔者采 用了如下新颖的解决方案：采用近年发展起来的 串行ＥＥＰＲＯＭ技术，利用其可在线擦写特性，在 标定或校核时，先对仪器的传感器和放大电路进 行调整确定，然后用仪器测量每种加工方法的５ 个不同等级的标准样板或标准试件，将测量结果 自动存入ＥＥＰＲＯＭ中，当从键盘上输入标准样 板或标准试件的表面粗糙度Ｒａ值时（该Ｒａ值可 事先由电动轮廓仪测得），单片机采用分段线性法 自动生成标定曲线表格保存于ＥＥＰＲＯＭ中。这 样，每一台仪器都可以针对不同的应用场合得到 各自的标定曲线，且容易修改，从而保证了测量精 度并扩大了仪器的测量范围。这也为仪器的实用 化和产业化打下了基础。为了使用方便，仪器的 整个标定过程均有汉字提示。 ２．４ 传感器的装夹与定位装置设计
万方数据
式可用于在线检测。以外圆磨削机床用固定式为 例，它采用Ｖ形块来对中和定位，通过调节螺母 使光纤传感器做上下运动，当传感器输出值为最 大时，用锁紧螺母锁紧。整个定位装置借助磁性 百分表座固定在机床固定部件上，并在弹簧力作 用下与工件柔性接触。
３ 磨削表面粗糙度的在线测量
３．１ 静态测量
静态测量可不考虑冷却液和测量距离变化等
结果不是同一个部位。这是因为光纤探头的工作
距离ｄ很小，而探头本身又有一定尺寸大小的 缘故。
笔者还曾研制出一种双同心圆型光纤传感
器Ｈ］，但试验表明，传感器两输出信号之比对不同
试样的表面粗糙度变化不敏感，而在一定范围内 与测量距离的变化有较好的线性关系，反而适合
作非接触式位移传感器。 ２．２ 仪器的元器件选择
（２）传感器的光纤束由直径为５０ｆｆｍ、数值孔 径为０．５８的阶跃型玻璃光导纤维制成；光源选用 性能稳定、功耗低的红外发光二极管；光电转换元 件选用２ＣＲ２１型硅光电池。传感器的输出信号 经ＩＣＬ７６５０自稳零运放放大，由ＡＤＣ０８０４单通 道８位模数转换器送入单片机。
（３）仪器尽量选用ＣＭＯＳ芯片，如单片机选 用内置大容量程序存储器（２０ｋＢ）的８９Ｃ５５，显示 采用１２２Ｘ ３２图形ＬＣＤ模块，串行ＥＥＰＲｏＭ采 用２４Ｃ６４。 ２．３ 仪器的标定与精度校核
测量原理
图１为表面粗糙度在线检测系统原理图。图 中，光纤传感器百度文库光源、Ｙ形分支结构的同心圆型 光纤束、光电转换器件等组成。狈０量时，通过定位 装置对光纤传感器探头进行对中定位和距离调 节，光源发出的光线通过发送光纤束照射到工件 表面，受到表面轮廓的调制后发生反射和散射，部
收稿日期：２００６ ０７—２４ 基金项目：湖南省科研计划资助项目（０１～９４２—７６—２）
文章编号：１００４一１３２Ｘ（２００７）０４一０４１１一０４
Ｉｎ—ｐｒｏｃｅｓｓ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｓｅｎｓｏｒ Ｌｉ Ｙａｆｅｉ Ｘｉｅ Ｚｈｕｓｈｅｎｇ
Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，４１００７６ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ｉｎ—ｐｒｏｃｅｓｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｂａｓｅｄ ６ｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｓｅｎｓｏｒ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｋｅｙ ｐｏｉｎｔｓ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｉｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｎ ｍａ— ｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｂｅ，ｆｉｘｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ，ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｐａｒｔｓ，ｃａｌｉ— ｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｆｌｕｉｄ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｖａｒｙｉｎｇ．Ｓｏｍｅ Ｆｌｅｗ ｉｄｅ— ａｓ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｉｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｑｕｉｃｋ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｓｔａｔｅ ａｎｄ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｔａｔｅ ｏｎ ｍａｃｈｉｎｅ ｔ００１．Ｉｔ ｉｓ ｏｆ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｓｅｎｓｏｒ；ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ；ｉｎ—ｐｒｏｃｅｓｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ａｃｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
距离ｄ／ｍｍ 图２ 光纤传感器的位移响应特性曲线
图２表明：①特性曲线的峰值出现在ｄ一 １．５ｍｍ附近，此处传感器对距离变化不敏感，而 对表面粗糙度的变化最敏感，故测量表面粗糙度 时应将传感器探头固定在峰值距离附近；②在峰 值附近，若允许输出电压变化１０ｍＶ（仪器的最小 分辨率为１０ｍＶ），则允许测量距离变化范围可达 １５０肚ｍ，这对加工余量很小的精密切削加工的在 线检测十分有利，测量距离对测量结果的影响 很小。
图３所示为不同加工方法所得工件的表面粗
糙度参数Ｒａ（觑值由电动轮廓仪测得）与传感器
输出电压信号Ｕ之间的关系。
中国机械工程第１８卷第４期２００７年２月下半月
探头端的不同排布型式，有同心圆型、随机型、相 间直线型、相间圆周型等（图４），其位移响应曲线 如图５所示。
◎磷纤谚剂◎
ｈ超心㈤随机型‘害糟 ‘高艚