表面粗糙度检测技术研究概况

摘要： 表面粗糙度是评价工件表面质量的重要指标之一，工件表面质量的好坏直接影响其使用寿命和使用性能。介绍了表面粗糙度检测的两种方式：接触式测量和非接触式测量，重点阐述了基于计算机视觉技术的非接触式测量方法和研究现状。

Abstract: Surface roughness is key indexes to evaluate surface quality. Surface quality has influence on service life and usability. Two basic measuring methods are introduced: contact measuring and non-contact measuring. Non-contact measuring method based on the computer vision technology is discussed in detail.

关键词： 表面粗糙度；非接触；光学测量

Key words: surface roughness；non-contact；optics measurement

中图分类号：TH6文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）08-0050-02

0引言

随着科学技术的进步和社会的发展，人们对于机械产品表面质量的要求越来越高。表面粗糙度是评价工件表面质量的一个重要指标，国内外很多学者在表面粗糙度检测方面做了大量研究工作。目前测量表面粗糙度的主要方法有：接触式测量和非接触式测量。

1接触式测量

接触式测量就是测量装置的探测部分直接接触被测表面，能够直观地反映被测表面的信息，接触式测量方法主要是触针法，该方法经过几十年的充分发展，以其稳定、可靠的特点被广泛应用。但接触式测量存在很大的缺陷，具体表现在：①对高精度表面及软质金属表面有划伤破坏作用；②受触针尖端圆弧半径的限制，其测量精度有限；③因触针磨损及测量速度的限制，无法实现在线实时测量[1]。

2非接触式测量

为了克服接触式测量方法的不足，人们对非接触式测量方法进行了广泛研究。研究表明，非接触式测量方法具有非接触、无损伤、快速、测量精度高、易于实现在线测量、响应速度快等优点。目前已有的非接触式测量方法包括各种光学测量方法、超声法、扫描隧道显微镜法、基于计算机视觉技术的表面粗糙度检测方法等。这里我们只对基于光学散射原理的测量方法、基于光学干涉原理的测量方法和基于计算机视觉技术的测量方法做简单介绍。

2.1 基于光学散射原理的测量方法当一束光以一定的角度照射到物体表面后，加工表面的粗糙不平将引起发生散射现象。研究表明：表面粗糙度和散射光强度分布有一定的关系。对于表面粗糙度数值较小的表面，散射光能较弱，反射光能较强；反之，表面粗糙度数值较大的表面，散射光能较强，反射光能较弱。

基于光学散射原理测量表面粗糙度的研究方法和理论较多。四川联合大学和哈尔滨理工大学相继提出了一种称之为散射特征值的参数，表征被测物体表面上反射光和散射光的分散度，散射特征值与被测物体表面的粗糙度有很好的对应关系[2]。哈尔滨理工大学利用已知表面粗糙度参数值的标准样块测得其散射特征值，建立―关系曲线，从而实现利用散射特征值测量火炮内膛表面粗糙度[3]。

基于光学散射原理的表面粗糙度检测方法，具有结构简单、体积小、易于集成产品、动态响应好、适于在线测量等优点。该方法的缺点是测量精度不高，用于超光滑表面粗糙度的测量还有待进一步改进。

2.2 基于光学干涉原理的测量方法当相干光照射到工件表面同一位置时，由于光波的相互位相关系，将产生光波干涉现象。一般的干涉法测量是利用被测面和标准参考面反射的光束进行比较，对干涉条纹做适当变换，通过测量干涉条纹的相对变形来定量检测表面粗糙度。该方法的测量精度取决于光的波长。但是由于干涉条纹的分辨率是以光波波长的一半为极限的，仅从条纹的状态无法判断表面是凸起还是凹陷，因此，作为一种具有较好分辨率、宽测量范围的表面粗糙度在线检测技术，这种干涉法测量技术还有待于进一步发展[4]。

基于光学干涉原理，1984年美国洛克西德导弹公司huang采用共模抑制技术研制成功了光学外差轮廓仪，光外差干涉检测技术是一种具有纳米级测量准确度的高精度光学测量方法，适用于精加工、超精加工表面的测量，而且可以进行动态时间的研究；华中理工大学采用光外差干涉方法研制出2D-SROP-1型表面粗糙度轮廓仪[5]。美国的维易科（VEECO）精密仪器有限公司，采用共光路干涉法研制了WYKO激光干涉仪和光学轮廓仪，可用来测量干涉条纹位相[6]。

基于光学干涉原理测量表面粗糙度分辨率高，适于测量超光滑表面粗糙度，但由于该方法的测量精度受光波波长的影响很大，所以其测量范围受到一定影响。

2.3 基于计算机视觉技术的测量方法基于计算机视觉的粗糙度测量方法是指使用摄像机抓取图像，然后将该图像传送至处理单元，通过数字化处理，根据像素分布和灰度、纹理、形状、颜色等信息，选用合理的算法计算工件的粗糙度参数值。近年来，随着计算机技术和工业生产的不断发展，该方法受到越来越多的关注。

北京理工大学的王仲春等人采用显微镜对检测表面进行放大，并通过对CCD采集加工表面微观图像进行处理实现了表面粗糙度的检测[7]。哈尔滨理工大学吴春亚、刘献礼等为解决机械加工表面粗糙度的快速、在线检测，设计了一种表面粗糙度图像检测方法，建立了图像灰度变化信息与表面粗糙度之间的关系模型[8]。英国学者Hossein Ragheb和Edwin R.Hancock通过数码相机拍摄的表面反射图来估计表面粗糙度参数，运用Vernold Harvey修正的B K散射理论模型获得了比Oren Nayar模型更好的粗糙度估计结果[9]。澳大利亚学者Ghassan A.Al-Kindi和Bijan Shirinzadeh对基于显微视觉的不同机械加工表面粗糙度参数获取的可行性进行了评估，讨论了照射光源与表面辐照度模型对检测的影响，结果显示尽管从视觉数据和触针数据所获得的粗糙度参数存在一定差异，但是基于视觉的方法仍是一种可靠的粗糙度参数估计方法[10-11]。

可以看出，基于计算机视觉技术的测量方法主要有统计分析、特征映射和神经网络等黑箱估计法。通过这些方法获得的表面粗糙度参数的估计值受诸多因素的影响，难以给出其准确的物理解释。真正要定量地计算出粗糙度参数，需要科学的计算。

但是随着机械加工自动化水平的提高，基于计算机视觉技术的检测方法处理内容丰富、处理精度高、处理速度快、易于集成等优点将受到越来越多的重视。

3结束语

接触式测量测量速度较慢，容易划伤工件表面，并且不适用于连续生产材料表面的检测。非接触式测量具有无损伤、快速、测量精度高、易于实现在线测量等优点，已成为表面粗糙度检测的重点研究方向。非接触测量以光学法为主，随着计算机技术和工业生产的迅猛发展，基于计算机视觉技术的表面粗糙度非接触式检测方法受到越来越多的重视。

参考文献：

[1]刘斌，冯其波，匡萃方.表面粗糙度测量方法综述[J].光学仪器，2004，26（5）：54-55.

[2]苑惠娟等．非接触式表面粗糙度测量仪[J]．哈尔滨科学技术大学学报，1995，19（6）：30-34．

[3]强熙富，张咏，许文海．扩展激光散射法测量粗糙度的测量范围的研究[J]．计量学报，1990，11（2）：81-85．

[4]王文卓，李大勇，陈捷．表面粗糙度非接触式测量技术研究概况[J]．机械工程师，2004，11：6-9．

[5]王菊香．2D-SROP-1型表面粗糙度轮廓仪[J]．工业计量，1994，（4）：27-29．

[6]徐德衍等．光学表面粗糙度研究的进展与方向[J]．光学仪器，1996，18（1）：32-41．

[7]王仲春，高岳，黄粤熙等.显微成像检测表面粗糙度[J].光学技术，1998，5：46-48.

[8]吴春亚，刘献礼，王玉景等.机械加工表面粗糙度的图像检测方法[J].哈尔滨理工大学学报，2007，12（3）：148-151.

[9]Hossein Ragheb，Edwin R.Hancock.The modified Beckmann Kirchhoff scattering theory for rough surface analysis[J].Pattern Recognition，2007，40：2004-2020.

[10]Ghassan A.Al-Kindi，Bijan Shirinzadeh.An evaluation of surface roughness parameters measurement using vision-based data[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture，2007，47：697-708.

[11]Ghassan A.Al-Kindi，Bijan Shirinzadeh.Feasibility assessment of vision-based surface roughness parameters acquisition for different types of machined specimens[J].Image and Vision Computing，2008，6：1-15.