金刚石砂轮表面形貌垂直扫描白光干涉测量和识别理论及个性化砂轮形貌评定参数体系的构建

金刚石砂轮表面形貌对精密磨削具有重要意义，但是尚无理想测量仪器和规范的参数评定体系，因此1）针对细粒度磨粒砂轮，搭建基于垂直扫描白光干涉原理的测量系统：采用大数值孔径的Linnik型干涉显微镜结构，配备砂轮定位及扫描驱动装置，优化的光源系统和白光光谱分析理论，特别是基于砂轮表面成分不同反光特性及相邻极值点光强变化率和聚焦特性的磨粒识别理论。2）砂轮形貌量化评定体系构建：借鉴新一代几何产品技术规范GPS之表面形貌标准- - 三维区域参数评定标准25178及12085基础上的三维Motif图形参数，构建适合于砂轮形貌，特别是磨粒分布密度、磨粒出露度等与磨削力、功率消耗和磨削工件表面质量等相关的个性化参数的规范评定体系。研究成果对砂轮成型、修整和加工具有重要意义，可克服通用测量方法的不足，完善规范砂轮形貌的定量评定。所研究的理论和方法对表面微细结构组成和微瑕疵等精密识别和定位问题亦具有重要的意义。

磨削技术是主要的精加工技术，是高端制造业及高效加工的基础技术。砂轮则是磨削系统中重要的组成部分，它直接影响磨削质量、磨削效率以及磨削力、磨削热、磨削功率消耗、润滑、环境等方面。而砂轮最重要的几何特征之一是表面形貌，即磨粒与结合剂组成的开放结构。由于砂轮表面形貌复杂，品种尺寸多样，给测量带来了困难，也给其有效表征和评价增加了难度。尽管领域专家尝试了多种方法，但是事实上依然没有可靠地方式方法对砂轮形貌进行标准化测量和表征。项目在前人研究的基础上，围绕金刚石砂轮表面形貌的测量和评价开展研究，根据研究计划完成了系统硬件的搭建及相应软件的编制，具体有：（1）搭建了基于垂直扫描白光干涉原理的测量系统：鉴于Linnik型干涉显微镜固有的结构不足，改采用Mirau型干涉显微镜结构，结合光源和CCD采样设计了连接镜筒部件，对Z轴精密扫描运动机构进行了设计分析，包括柔性铰链结构、驱动电源等，设计了砂轮专用定位平台及三维扫描驱动平台，对垂直扫描白光光谱进行分析提出了相应的三维表面恢复算法，探索了磨粒的识别理论方法。（2）砂轮形貌量化评定体系构建：借鉴新一代几何产品技术规范GPS之表面形貌标准——三维区域参数评定标准25178-2及12085基础上的三维Motif图形参数研究了适合于砂轮形貌评定的参数。重点对磨粒个体几何参数进行了分析和计算，对磨粒统计参数借鉴标准25178-2进行了分析。应用标准化建模对典型磨粒类型的砂轮进行建模进而对参数进行验算和规律提取。其中对于光源的优化及系统误差分析部分的内容，以及评定方法需要深入研究。由于系统放大倍数不够以及测量对象的尺度限制，尚需要对测量结果进一步分析提炼。取得的成果包括：发表论文11篇，申请专利1项，培养研究生6名，构建了测试系统一套。其中的理论成果包括提出垂直扫描机构自动对焦算法（基于阈值判定法的白光干涉仪自动扫描方法、基于帧差法确定干涉发生区域的原理）、垂直扫描白光干涉表面三维恢复算法（基于粒子群优化算法的改进质心算法）、大面积砂轮测量的拼接算法（基于模板的匹配和小波技术融合）、磨粒的识别算法（基于简单阈值的算法、基于改进CANNY算子的磨粒提取、基于模糊C均值聚类算法的磨粒提取）、磨粒特征计算方法（二、三维）及砂轮表面评定的方法（表面纹理结构评价和幅度参数评价）。项目研究的方法和理论对砂轮的标准化测量和系统表征具有重要意义。