[发明专利]内外腔表面粗糙度高精度测量光路结构及自动化测量系统

说明书

本发明公开了一种内外腔表面粗糙度高精度测量光路结构及自动化测量系统，该测量结构及自动化测量系统的关键部件为无损光路测量结构，主要包括集成光路和潜望镜式转折光路，集成光路包括白光光源、第一分束镜和相机，第一分束镜将一部分光出射至潜望镜式转折光路内，潜望镜式转折光路内设有若干平面反射镜将分束镜出射的光反射至潜望镜式转折光路的末端，潜望镜式转折光路的末端连接有Mirau干涉物镜，用于将光束出射到待测的部件内外腔上；相机设置在分束镜的反射光路上，部件内外腔表面反射的测量光与Mirau干涉物镜中的参考光发生干涉，干涉图像由相机拍摄获取。本发明的无损光路测量结构，可以实现不同长径比的部件内外腔的高精度测量。

技术领域

本发明涉及粗糙度检测技术领域，具体为一种内外腔表面粗糙度高精度测量光路结构及自动化测量系统。

背景技术

随着制造业的发展与科技水平的进步，具有内外腔结构形式（通孔圆柱壳体、盲孔圆柱壳体、半封闭球壳体、半封闭椭球壳体等）的部件如特殊轴承，枪弹壳体、内壁微结构等广泛应用于国防工业、汽车工业和航空航天等工业领域。表面粗糙度与机械零件的配合性质、耐磨性、疲劳强度、接触刚度、振动和噪声等有密切关系，对机械产品的使用寿命和可靠性有重要影响。内外腔表面的粗糙度作为该类部件重要的特征参数之一，在制造过程的控制中和在对部件性能的控制中起着重要的作用。然而这类型部件由于其内部环境复杂狭窄、有一定深度且长径比大，所以需要一种能够在有限的空间中实现内外腔表面粗糙度高精度高效率的光路检测结构。

目前表面粗糙度的测量方法主要有触针法、光切法、干涉法三种，触针法利用金刚石触针沿被测表面缓慢滑行，金刚石触针的上下位移量由电学式长度传感器转换为电信号，经放大、滤波、计算后由显示仪表指示出表面粗糙度数值，测量效率高，适用于测量Ra为0.025～6.3μm的表面粗糙度。缺点是接触测量存在压应力容易划伤部件内外腔表面。光切法通常采用双管显微镜测量表面粗糙度，可用作Rz参数评定，测量范围0.5~50μm，但操作相对复杂。干涉测量作为精密测量领域公认的高精度测量方法，被广泛用来检测零部件表面质量。基于光波干涉原理将被测表面的微观形貌误差以干涉条纹图形显示出来，并以高精度复原算法提取表面粗糙度，具备无损测量、场式测量，纳米级轴向分辨力，测量速度快等优点，适用于测量Rz为 0.025～0.8μm的表面粗糙度。

但是，现有白光干涉测量仪多为垂直测量光路，系统体积较大，不具备转折光路，无法伸进狭小内外腔，尤其半封闭的椭球壳体元件，无法实现内外腔壁面粗糙度测量。针对内外腔表面粗糙度测量需求，调研到有研究基于白光干涉原理在传统的Michelson干涉系统的基础上，提出在部件的内部放置圆锥反射镜，利用圆锥反射镜的反射原理，调整测量光的光路方向进行部件内壁粗糙度的测量。然而该方法需要采用高精度的定位装置使圆锥反射镜与部件的轴线严格对准，导致系统测量效率低；并且由于角度误差和对准误差的存在导致测量精度低；此外，根据不同口径的内壁部件需要更换不同半径的圆锥反射镜，高精度圆锥反射镜的制造成本也是该方法面临的一个问题。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种内外腔表面粗糙度高精度测量光路结构及自动化测量系统，可以实现部件内外腔表面粗糙度的高精度测量，潜望镜式转折光路包括设置水平镜筒和竖直镜筒，可以实现不同长径比的部件内外腔的高精度测量。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种内外腔表面粗糙度高精度无损测量光路结构，所述测量光路结构包括集成光路和潜望镜式转折光路，所述集成光路包括白光光源、第一分束镜和相机，第一分束镜将一部分光出射至潜望镜式转折光路内，所述潜望镜式转折光路内设有若干平面反射镜，用于将分束镜出射的光反射至潜望镜式转折光路的末端，所述潜望镜式转折光路包括水平镜筒和竖直镜筒，且水平镜筒和竖直镜筒的长度比值与待测部件的长径比相适应，所述潜望镜式转折光路的末端连接有Mirau干涉物镜，所述Mirau干涉物镜用于将光束出射到待测的部件内外腔上；

所述相机设置在所述分束镜的反射光路上，部件内外腔表面反射的测量光与Mirau干涉物镜中的参考光发生干涉，产生的干涉图像由相机拍摄获取。