在线检测工件表面质量的“透明窗”方法研究

An in-process measurement method for workpiece surface quality under coolant condition will be researched in this project..A transparent window will be set up, the coolant and smear metal in transparent window will be moved, then the laser beam can pass through the transparent additional layers and reach the surface of the workpiece for measurement..The project will study the theory of in-process measurement of surface quality when the laser beam pass through the transparent additional layers, and focus on study the laser beam propagation through the transparent window consisted of the additional layers. The scattering theory will be developed to describe the light scattering distribution from a surface with the additional layers, and the relationship between the light scattering distribution and surface characteristic parameters will be built. Surface roughness and surface defect can be separated by analyzing the light scattering distribution images. An experimental system will be set up, and the feasibility of the theories will be proved. Then, a new method under coolant condition to realize the in-process optical measurement of surface roughness and surface defect will be produced..This study can be applied to monitor the workpiece quality in machining process, and consequently improve productivity.

本项目研究在冷却液加工条件下，对工件表面质量进行在线检测的新方法和新理论。拟通过创建“透明窗”，使得测量激光能够穿过透明介质层到达被测工件表面，实现在加工条件下，对冷却液覆盖下的工件表面质量的测量。主要研究内容包括：激光束通过透明介质层进行表面检测的理论研究，着重研究激光在透明介质层中的传播特性对表面检测的影响；建立透明窗测量方式下，空间光散射分布和表面参数之间的关系模型；利用空间光散射分布图像，分离出表面层损伤和表面粗糙度参数；建立一套工件表面质量在线检测系统，验证理论分析的有效性，找出实现冷却液条件下同时检测表面层损伤和表面粗糙度的新方法。本项目的研究成果可应用于加工状态的实时监控，实现加工过程的闭环控制，提高产品质量。

现代制造行业中，冷却液的使用使得工件表面质量的光学在线检测变得困难。本项目针对这一问题展开研究，使用透明窗方法，在被测工件表面上方创造出一块透明测量区域，使得测量光束通过透明介质层到达工件表面实现测量。主要研究内容包括：1)将光散射理论和机器视觉方法相结合，设计并建立了由表面参数检测子系统和透明窗模拟子系统构成的工件表面参数透明窗在线检测系统；2)分析光散射图像和光斑图像，完成了磨削工件表面粗糙度和表面损伤的同步测量；表面粗糙度测量方面，从光散射图像中提取了新的特征参数，并使用BP神经网络、支持向量机和卷积神经网络建立了预测模型，可实现0.025μm -0.8μm范围内的表面粗糙度测量；表面损伤检测方面，利用光斑图像判断损伤的存在，并进行定位和尺寸计算，完成了两种表面损伤类型的尺寸检测；3)研究了激光束通过透明介质层的传播特性，分析了透明介质层对表面检测的影响，得到了透明窗测量方式下，散射图像特征参数和表面粗糙度之间的关系。本项目的研究成果可为工件表面质量的在线检测，进而为加工过程的闭环控制提供理论基础。