白光干涉技術(shù)在球軸承測(cè)量中的應(yīng)用分析論文

　　引言

　　光學(xué)相干層析技術(shù)是一種非介入式高分辨率光學(xué)成像，它是基于低相干干涉的測(cè)量原理。一般有兩種光學(xué)相干層析技術(shù)，一種是點(diǎn)掃描OCT，另一種是全場(chǎng)OCT。一般的掃描成像是使用掃描儀對(duì)成像空間的1維或2維區(qū)域進(jìn)行掃描成像。而全場(chǎng)OCT可以使用并行測(cè)量的方法同時(shí)測(cè)量多個(gè)橫向位置。

　　一個(gè)典型的球軸承組件包括1個(gè)球、保持架、內(nèi)圈、外圈。不同的應(yīng)用程序使用不同的幾何形狀，如深溝或角接觸球軸承或滾子、滾針軸承、圓錐滾子、關(guān)節(jié)、枕塊或等速軸承等等。這些軸承廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車(chē)、陀螺儀、燃油系統(tǒng)、機(jī)車(chē)、風(fēng)力渦輪機(jī)和機(jī)床。

　　光學(xué)球面曲率半徑測(cè)量常見(jiàn)方法有環(huán)式球徑儀法、牛頓環(huán)干涉法、平板橫向剪切干涉法、自準(zhǔn)直顯微鏡定位法等方法。在這里作者引入全場(chǎng)光學(xué)相干層析成像的技術(shù)。它使用一種并行測(cè)試技術(shù)在全視場(chǎng)下通過(guò)白光照射物體通過(guò)面陣CCD全景成像。FF-0CT避免了橫向掃描成像過(guò)程對(duì)成像速率的影響。掃描過(guò)程引發(fā)的機(jī)械抖動(dòng)以及物體運(yùn)動(dòng)的拖影現(xiàn)象都會(huì)降低成像質(zhì)量。在使用的白光光源下，F(xiàn)F-0CT能夠獲得大圖像尺寸和極小的景深。本文中的成像對(duì)象是反射面。這不同于OCT測(cè)量生物組織的散射，從反射平面得到的光強(qiáng)比從物體內(nèi)部發(fā)出的散射要大很多，因此，在OCT圖像中物體表面的相對(duì)高度是非常明顯的。FF-OCT消除了橫向掃描而得到了更高的幀傳輸速率，提高了傳輸速率。本文中，作者為FF-0CT系統(tǒng)引入延遲測(cè)量單元，分別對(duì)其兩種不同的設(shè)置方式進(jìn)行評(píng)估分析。成像速率由CCD傳感器決定，原則上其頻率可達(dá)幾十赫茲。

　　1、方法

　　基于干涉顯微鏡和光學(xué)輪廓，把光學(xué)干涉成像技術(shù)用于測(cè)量軸承中球體的曲率和表面粗糙度。因?yàn)楦呔�密球軸承的粗糙度小，采用了最快的速率，最高的精密法，相移干涉與延時(shí)干涉相結(jié)合。對(duì)于測(cè)量，使用了一個(gè)20 x物鏡，以測(cè)量面積約240m x315 m橫向分辨率為670nm 。 FF-0CT系統(tǒng)基于麥克爾遜干涉儀，用一個(gè)超亮發(fā)光二極管作為光源。 SLD的中心波長(zhǎng)為850nm，帶寬為20nm。無(wú)極性分光鏡把入射光均分后，兩束光分別攝入目標(biāo)臂和參考臂。為了補(bǔ)償色散，放置一個(gè)相同的分光鏡在參考臂。一個(gè)中性密度濾鏡在參考臂中平衡干涉儀的返回光的光強(qiáng)，一個(gè)色散補(bǔ)償鏡片被放置目標(biāo)臂中。曝光時(shí)間為10ms，讀取所需要的時(shí)間是59ms。參考鏡被安裝在壓電陶瓷上，提供精確的位移，在軸向上提供干涉相移。通過(guò)相移干涉法可以消除直流信號(hào)，得到相干信號(hào)。壓電陶瓷周期與相機(jī)同步。通過(guò)在同一視場(chǎng)中進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，能夠得到重復(fù)性和再現(xiàn)性相對(duì)較高的多個(gè)位置的輪廓測(cè)量參量。光學(xué)輪廓儀可以在一次測(cè)量中，通過(guò)全視場(chǎng)的非接觸測(cè)量方式，得到需測(cè)量位置的曲率半徑及表面粗糙度。

　　2、曲率測(cè)量原理

　　表面形狀可以通過(guò)傳統(tǒng)的B型掃描和C型掃描獲得。Bcan過(guò)幾幅不同極角得到的圖像對(duì)物體表面曲率的形狀進(jìn)行計(jì)算，Ccan從不同的深度獲得圖像的信息，然后對(duì)曲面進(jìn)行重建。但這兩種方法的相同弊端在于耗時(shí)較長(zhǎng)。一種新的方法可以從一次Ccan中推斷出球面的極性變化曲率。在測(cè)量系統(tǒng)中引入多個(gè)延遲單元，把它們?cè)O(shè)置在OCT系統(tǒng)的測(cè)量參考臂上，每一個(gè)延遲單元都對(duì)應(yīng)一個(gè)Ccan的掃描輪廓。從而可以從不同的高度上獲取多個(gè)表面輪廓信息，并從極角和球體的軸向位置推斷出曲率半徑。隨著加入多個(gè)延時(shí)單元到測(cè)量參考臂，在一次OCT成像中，可以得到一個(gè)以上的物體輪廓，這種辦法能夠縮短成像過(guò)程提高測(cè)量精度。

　　由于帶有不同延遲的光分別進(jìn)入干涉儀的兩臂，零光差的干涉光會(huì)生成中央輪廓，其它的所有輪廓由帶有正負(fù)光差的干涉光生成。因此它們呈現(xiàn)出較小的亮度。和以前提出的方法相似，輪廓半徑越大，圖像強(qiáng)度越小。所以，一些大直徑的輪廓線可能不可見(jiàn)，根據(jù)采集到的圖像，經(jīng)過(guò)圖像處理可以直接計(jì)算出球體的曲率半徑。

　　3、表面紋理(粗糙度)分析

　　粗糙度測(cè)量圖片中，分別測(cè)量幾種尺寸相同但等級(jí)規(guī)格不同的軸承球體，即5級(jí)、10級(jí)、24級(jí)、25級(jí)和1000級(jí)。它們每個(gè)級(jí)別的表面粗糙度的最大算數(shù)平均值均超過(guò)了200nm 。

　　不同級(jí)別的軸承球體在干涉測(cè)量?jī)x下的紋理特征以及邊緣形狀。即使表面粗糙度參量是相似的，但其結(jié)構(gòu)組織仍有可能存在較大差異。這些差異的存在仍會(huì)影響到軸承的使用功能。所以更好的測(cè)量和去除這些紋理特征的手段，可以更好地表征粗糙度的形式，更精確地評(píng)估軸承的性能。

　　普通的軸承滾球體在加工過(guò)程中表面會(huì)產(chǎn)生加工波紋，這種波紋的存在也有可能是在軸承的軌道中往復(fù)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的，但這不是球體存在的缺陷。這種波紋是在評(píng)估軸承損壞程度壞或測(cè)量真實(shí)的表面粗糙度需要區(qū)分的。通過(guò)測(cè)量計(jì)算去除這些非正常的信號(hào)并不困難。通常是由低通濾波去除剩余的波紋信號(hào)，這可能會(huì)影響表面紋理或有一定的邊緣效應(yīng)。除去波紋度的最新的趨勢(shì)是通過(guò)使用一種魯棒高斯回歸濾波器。

　　一個(gè)測(cè)量實(shí)例，測(cè)得的球軸承球體(6級(jí))的實(shí)際波紋度與最佳的擬合圓后做減法運(yùn)算。粗糙度精度為100nm。此波紋成為粗糙度計(jì)算的一部分。為了刪減掉這些波紋信號(hào)，用傅里葉濾波與高斯窗口以50 m的長(zhǎng)波長(zhǎng)度作截段取窗函數(shù)。濾波器很容易消除了波紋信號(hào)而沒(méi)有對(duì)邊緣信號(hào)進(jìn)行干擾。則剩下的信號(hào)(去除了波紋信號(hào))測(cè)量精度到達(dá)了30nm 。

　　4、結(jié)論

　　大多數(shù)軸承球體測(cè)量分析儀大多使用接觸式干涉測(cè)量?jī)x器，進(jìn)行尺寸分形與粗糙度缺陷測(cè)量評(píng)估。2維探針測(cè)量只捕獲常規(guī)化的表面輪廓，除非進(jìn)行多次掃描，但這樣又會(huì)使得測(cè)量時(shí)間顯著放緩，這將導(dǎo)致采樣時(shí)間不足，或者在錯(cuò)誤的方向上進(jìn)行掃描，得到有差異的測(cè)量結(jié)果。作者提出了一種新的方法來(lái)測(cè)量球狀體的曲率，在測(cè)量中使用了多個(gè)延時(shí)單元相結(jié)合，F(xiàn)F-0CT系統(tǒng)能夠在單一的OCT圖像中成像多個(gè)圓弧輪廓。設(shè)置多個(gè)(N)個(gè)延時(shí)單元到光源路徑中，可以生成2N-1個(gè)輪廓線。在后續(xù)的圖像信號(hào)處理中，使用強(qiáng)大的高斯濾波以去除殘留的波狀起伏的形式顯示，能夠進(jìn)行更精確的計(jì)算粗糙度和缺陷的表征。較好的白光干涉測(cè)量技術(shù)可以提高生產(chǎn)效率，同時(shí)提高測(cè)量的精度與速度。這種方法存在的缺陷是測(cè)量誤差取決于延遲單元的誤差不同，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)不必要的輪廓線。該系統(tǒng)的橫向分辨率、目標(biāo)圖像的尺寸也限制了輪廓的密度。

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