1.本发明涉及测量领域，尤其涉及一种超精密车削表面粗糙度的测量方法。
背景技术：2.超精密车削技术广泛应用于制造各类关键零件，表面粗糙度是表征超精密车削表面加工质量的关键指标，准确地获得超精密车削加工表面的粗糙度具有重要意义。超精密车削表面粗糙度主要有接触式测量和非接触式测量两种方法，其中接触式测量方法采用触针与被测表面接触并沿着垂直加工纹理的方向移动，从而获得表面粗糙度数值，该方法极易划伤表面。非接触式测量方法主要采用白光干涉仪等专用设备进行，其测量精度较高但设备昂贵。为此，目前亟需一种能够快速、准确且简易地超精密车削表面粗糙度测量方法。
技术实现要素：3.本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种基于平均镜像光反射率的超精密车削表面粗糙度测量方法，从而快速、准确、简易地测量表面粗糙度数值。
4.本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
5.一种基于平均镜像光反射率的超精密车削表面粗糙度测量方法，包括以下步骤：
6.步骤一、建立单个进给量内经过超精密车削的工件表面的二维刀痕轮廓模型，所述的二维刀痕轮廓模型的表达式为：其中x的取值范围是rz是车削后工件表面粗糙度轮廓的最大高度数值，f是刀具每转进给量，上述二维刀痕轮廓模型中坐标系设置为：刀具与工件初始接触位置的最低点为原点，刀具进给方向为x轴，粗糙度轮廓高度方向为y轴，公式中x是在上述坐标系下二维刀痕轮廓的横坐标,y是二维刀痕轮廓的纵坐标；
7.步骤二、将所述单个进给量内的工件表面的二维刀痕轮廓模型以刀具每转进给量f为周期进行扩展，建立整个工件表面二维刀痕轮廓模型；
8.步骤三、计算经过不同超精密车削的工件表面粗糙度对应的镜像光反射率，具体步骤是：
9.第一步，将步骤二建立的工件表面的二维刀痕轮廓模型导入光学计算软件，光学材料从光学计算软件库中选取并与待测表面的工件材料相同，计算在同一给定入射光波入射角下，在第一个给定的车削后工件表面粗糙度轮廓的最大高度值rz下，且在设定的入射光波长范围内计算不同入射光波长对应的镜像光反射率；
10.第二步，计算不同入射光波长对应的镜像光反射率的平均值，获得在第一个给定的车削后工件表面粗糙度轮廓的最大高度值rz下的平均镜像光反射率rf；
11.第三步，反复修改车削后工件表面粗糙度轮廓的最大高度值rz，采用第一步的方法以及第二步的方法得到不同给定的车削后工件表面粗糙度轮廓的最大高度值rz下分别对应的平均镜像光反射率rf；
12.步骤四、以步骤三获得的各个平均镜像光反射率rf为自变量，以各个平均镜像光反射率rf分别对应的表面粗糙度轮廓的最大高度值rz为因变量，利用三次函数模型结合最小二乘法建立rz和rf之间的数学关系模型；
13.步骤五、对于待测的经过超精密车削的工件表面，利用分光光度计测量工件表面在步骤三设定的入射光波长范围内的镜像光平均反射率rf，其中入射角与步骤三中给定的入射角数值相同，将测量的镜像光平均反射率代入到步骤四建立的数学关系模型中，即可获得表面粗糙度轮廓的最大高度数值。
14.本发明的有益效果是：
15.通过建立表面粗糙度轮廓的最大高度rz和镜像光平均反射率rf之间的数学关系模型，可实现测量镜面的平均反射率即可快速获得表面粗糙度轮廓的最大高度，本方法无需白光干涉仪等专用设备，对表面无损伤，且特别适合大量单一材料制造的超精密车削表面粗糙度的快速、准确测量。
附图说明
16.图1是二维刀痕轮廓模型及其扩展过程的示意图。
具体实施方式
17.下面对本发明的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.本发明的一种基于平均镜像光反射率的超精密车削表面粗糙度测量方法，包括以下步骤：
19.步骤一、建立单个进给量(即工件每转动一圈，刀具沿进给运动方向移动的距离)内经过超精密车削的工件表面的二维刀痕轮廓模型，所述的二维刀痕轮廓模型的表达式为：其中x的取值范围是rz是车削后工件表面粗糙度轮廓的最大高度数值，f是刀具每转进给量，刀具每转进给量设定为1μm/r-16μm/r,如：可以是1μm/r，4μm/r，8μm/r，16μm/r。上述二维刀痕轮廓模型中坐标系设置为：刀具与工件初始接触位置的最低点为原点，刀具进给方向为x轴，粗糙度轮廓高度方向为y轴，公式中x是在上述坐标系下二维刀痕轮廓的横坐标,y是二维刀痕轮廓的纵坐标。
20.步骤二、将所述单个进给量内的工件表面的二维刀痕轮廓模型以刀具每转进给量f为周期进行扩展，建立整个工件表面二维刀痕轮廓模型，具体步骤是：
21.第一步，如图1所示，将步骤一中单个进给量二维刀痕轮廓模型中全部横坐标数值x增加f，纵坐标y数值不变，获得一组新的横纵坐标数值组合(x,y)，该坐标数值组合为范围内的二维刀痕轮廓模型，例如：在上述坐标变换中将横坐标左端点增加之后变成了横坐标右端点增加之后变成了
22.第二步，在新的横纵坐标数值组合(x,y)的基础上不断采用第一步的方法对二维
刀痕轮廓进行扩展，直至扩展的周期数达到某一临界值m为止，m数值范围可以是50-100(如：可以是50，75,100)；得到整个超精密车削工件表面的二维刀痕轮廓模型，所述的二维刀痕轮廓模型中横坐标数值x的取值范围是
23.本步骤是将第一步和第二步获得的直到fm-f≤f≤fm范围内的横坐标按照从小到大的顺序组合起来，对应的纵坐标按照和横坐标对应的顺序组合，这样的横纵坐标组合就是整个工件表面二维刀痕轮廓模型。
24.步骤三、计算经过不同超精密车削的工件表面粗糙度对应的镜像光反射率，具体步骤是：
25.第一步，将步骤二建立的工件表面的二维刀痕轮廓模型导入光学计算软件，如：virtuallab fusion 7.0中，光学材料从光学计算软件库中选取并与待测表面的工件材料相同，计算在同一给定入射光波入射角下，在第一个给定的车削后工件表面粗糙度轮廓的最大高度值rz下，且在设定的入射光波长范围内计算不同入射光波长对应的镜像光反射率；其中优选的入射角是15度，可以更多地获得反射光能量，提高镜像光反射率测量精度；
26.第二步，计算不同入射光波长对应的镜像光反射率的平均值，获得在第一个给定的车削后工件表面粗糙度轮廓的最大高度值rz下的平均镜像光反射率rf；
27.第三步，反复修改车削后工件表面粗糙度轮廓的最大高度值rz，采用第一步的方法以及第二步的方法得到不同给定的车削后工件表面粗糙度轮廓的最大高度值rz下分别对应的平均镜像光反射率rf；
28.下面举例加以说明：
29.如：第一步，计算给定入射光波入射角时车削后工件表面粗糙度轮廓的最大高度值rz为8nm条件下，不同入射光波长对应的镜像光反射率，入射光波长范围设定为300-800nm，即获得300nm，301nm直到800nm波长条件下表面粗糙度轮廓的最大高度rz为8nm时的镜像光反射率f
ro
，共计501组镜像光反射率数值；
30.第二步，计算上述501组镜像光反射率的平均值，即获得了表面粗糙度轮廓的最大高度值rz为8nm条件下的平均镜像光反射率；
31.第三步，重复上述第一步和第二步，分别获得表面粗糙度轮廓的最大高度值rz为9nm，10nm直到200nm条件下的平均镜像光反射率，这样每一个粗糙度数值对应一个平均镜像光反射率rf。
32.步骤四、以步骤三获得的各个平均镜像光反射率rf为自变量，以各个平均镜像光反射率rf分别对应的表面粗糙度轮廓的最大高度值rz为因变量，利用三次函数模型结合最小二乘法建立rz和rf之间的数学关系模型，即rz＝a0+a1rf+a2r
f2
+a3r
f3
,公式中ai(i＝0,1,2和3)是利用计算机软件计算获得的系数，例如可采用matlab 2020或者origin软件计算。
33.步骤五、对于待测的经过超精密车削的工件表面，利用分光光度计测量工件表面在步骤三设定的入射光波长范围(如：300-800nm范围)内的镜像光平均反射率rf，其中入射角与步骤三中给定的入射角数值相同，将测量的镜像光平均反射率代入到步骤四建立的数学关系模型中，即可获得表面粗糙度轮廓的最大高度数值。
34.实施例1
35.开展试验对本方法进行验证。工件材料选用铝合金al6061，利用仿真方法建立的表面粗糙度轮廓的最大高度数值rz和300-800nm范围内镜像光平均反射率rf数学关系是：rz＝a0+a1rf+a2r
f2
+a3r
f3
，式中a0＝223.7,a1＝-244.6,a2＝19.32,a3＝17.14。加工设备选用nanoform700ultra超精密加工机床，分光光度计选用uh4150型分光光度计，同时选用原子力显微镜测量表面粗糙度轮廓的最大高度数值，型号为nanosurf nite b。将本发明获得的测量结果与原子力显微镜测量结果对比，如图表1所示，表中rf是利用分光光度计测量获得的300-800nm镜像光反射率数值。
36.表1表面粗糙度测量对比结果
[0037][0038]
表中ε是两种测量方法的相对误差，其计算公式是
[0039][0040]
式中，r
afm
是利用原子力显微镜获得表面粗糙度rz测量结果，r
op
是利用基于本发明获得的表面粗糙度rz测量结果。
[0041]
表1的对比结果表明：采用基于本发明获得的表面粗糙度结果与采用原子力显微镜获得的表面粗糙度测量结果吻合度较好，两种方法测量结果的相对误差小于10％，这证明了本发明的有效性。
[0042]
以上对本发明的描述仅仅是示意性的，而不是限制性的，所以，本发明的实施方式并不局限于上述的具体实施方式。如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，做出其他变化或变型，均属于本发明的保护范围。
技术特征：1.一种基于平均镜像光反射率的超精密车削表面粗糙度测量方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、建立单个进给量内经过超精密车削的工件表面的二维刀痕轮廓模型，所述的二维刀痕轮廓模型的表达式为：其中x的取值范围是r
z
是车削后工件表面粗糙度轮廓的最大高度数值，f是刀具每转进给量，上述二维刀痕轮廓模型中坐标系设置为：刀具与工件初始接触位置的最低点为原点，刀具进给方向为x轴，粗糙度轮廓高度方向为y轴，公式中x是在上述坐标系下二维刀痕轮廓的横坐标,y是二维刀痕轮廓的纵坐标；步骤二、将所述单个进给量内的工件表面的二维刀痕轮廓模型以刀具每转进给量f为周期进行扩展，建立整个工件表面二维刀痕轮廓模型；步骤三、计算经过不同超精密车削的工件表面粗糙度对应的镜像光反射率，具体步骤是：第一步，将步骤二建立的工件表面的二维刀痕轮廓模型导入光学计算软件，光学材料从光学计算软件库中选取并与待测表面的工件材料相同，计算在同一给定入射光波入射角下，在第一个给定的车削后工件表面粗糙度轮廓的最大高度值r
z
下，且在设定的入射光波长范围内计算不同入射光波长对应的镜像光反射率；第二步，计算不同入射光波长对应的镜像光反射率的平均值，获得在第一个给定的车削后工件表面粗糙度轮廓的最大高度值r
z
下的平均镜像光反射率r
f
；第三步，反复修改车削后工件表面粗糙度轮廓的最大高度值r
z
，采用第一步的方法以及第二步的方法得到不同给定的车削后工件表面粗糙度轮廓的最大高度值r
z
下分别对应的平均镜像光反射率r
f
；步骤四、以步骤三获得的各个平均镜像光反射率r
f
为自变量，以各个平均镜像光反射率r
f
分别对应的表面粗糙度轮廓的最大高度值r
z
为因变量，利用三次函数模型结合最小二乘法建立r
z
和r
f
之间的数学关系模型；步骤五、对于待测的经过超精密车削的工件表面，利用分光光度计测量工件表面在步骤三设定的入射光波长范围内的镜像光平均反射率r
f
，其中入射角与步骤三中给定的入射角数值相同，将测量的镜像光平均反射率代入到步骤四建立的数学关系模型中，即可获得表面粗糙度轮廓的最大高度数值。2.根据权利要求1所述的基于平均镜像光反射率的超精密车削表面粗糙度测量方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，将步骤一中单个进给量二维刀痕轮廓模型中全部横坐标数值x增加f，纵坐标y数值不变，获得一组新的横纵坐标数值组合(x,y)，该坐标数值组合为范围内的二维刀痕轮廓模型；第二步，在新的横纵坐标数值组合(x,y)的基础上不断采用第一步的方法对二维刀痕轮廓进行扩展，直至扩展的周期数达到某一临界值m为止，得到整个超精密车削工件表面的二维刀痕轮廓模型，所述的二维刀痕轮廓模型中横坐标数值x的取值范围是
3.根据权利要求1所述的基于平均镜像光反射率的超精密车削表面粗糙度测量方法，其特征在于：所述的入射角是15度。
技术总结本发明公开了一种基于平均镜像光反射率的超精密车削表面粗糙度测量方法，步骤为：建立单个进给量内经过超精密车削的工件表面的二维刀痕轮廓模型；将该二维刀痕轮廓模型以刀具每转进给量f为周期进行扩展，建立整个工件表面二维刀痕轮廓模型；计算工件表面粗糙度对应的镜像光反射率；以获得的各个平均镜像光反射率R
技术研发人员：王姝淇 何春雷 张文宇 张航 豆志豪
受保护的技术使用者：天津理工大学
技术研发日：2022.05.17
技术公布日：2022/7/5
