白光干涉技術在球軸承測量中的應用分析論文

　　引言

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

　　一個典型的球軸承組件包括1個球、保持架、內圈、外圈。不同的應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、關節(jié)、枕塊或等速軸承等等。這些軸承廣泛應用于飛機、汽車、陀螺儀、燃油系統(tǒng)、機車、風力渦輪機和機床。

　　光學球面曲率半徑測量常見方法有環(huán)式球徑儀法、牛頓環(huán)干涉法、平板橫向剪切干涉法、自準直顯微鏡定位法等方法。在這里作者引入全場光學相干層析成像的技術。它使用一種并行測試技術在全視場下通過白光照射物體通過面陣CCD全景成像。FF-0CT避免了橫向掃描成像過程對成像速率的影響。掃描過程引發(fā)的機械抖動以及物體運動的拖影現象都會降低成像質量。在使用的白光光源下，FF-0CT能夠獲得大圖像尺寸和極小的景深。本文中的成像對象是反射面。這不同于OCT測量生物組織的散射，從反射平面得到的光強比從物體內部發(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)引入延遲測量單元，分別對其兩種不同的設置方式進行評估分析。成像速率由CCD傳感器決定，原則上其頻率可達幾十赫茲。

　　1、方法

　　基于干涉顯微鏡和光學輪廓，把光學干涉成像技術用于測量軸承中球體的曲率和表面粗糙度。因為高精密球軸承的粗糙度小，采用了最快的速率，最高的精密法，相移干涉與延時干涉相結合。對于測量，使用了一個20 x物鏡，以測量面積約240m x315 m橫向分辨率為670nm 。 FF-0CT系統(tǒng)基于麥克爾遜干涉儀，用一個超亮發(fā)光二極管作為光源。 SLD的中心波長為850nm，帶寬為20nm。無極性分光鏡把入射光均分后，兩束光分別攝入目標臂和參考臂。為了補償色散，放置一個相同的分光鏡在參考臂。一個中性密度濾鏡在參考臂中平衡干涉儀的返回光的光強，一個色散補償鏡片被放置目標臂中。曝光時間為10ms，讀取所需要的時間是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。通過相移干涉法可以消除直流信號，得到相干信號。壓電陶瓷周期與相機同步。通過在同一視場中進行測量計算，能夠得到重復性和再現性相對較高的多個位置的輪廓測量參量。光學輪廓儀可以在一次測量中，通過全視場的非接觸測量方式，得到需測量位置的曲率半徑及表面粗糙度。

　　2、曲率測量原理

　　表面形狀可以通過傳統(tǒng)的B型掃描和C型掃描獲得。Bcan過幾幅不同極角得到的圖像對物體表面曲率的形狀進行計算，Ccan從不同的深度獲得圖像的信息，然后對曲面進行重建。但這兩種方法的相同弊端在于耗時較長。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。在測量系統(tǒng)中引入多個延遲單元，把它們設置在OCT系統(tǒng)的測量參考臂上，每一個延遲單元都對應一個Ccan的掃描輪廓。從而可以從不同的高度上獲取多個表面輪廓信息，并從極角和球體的軸向位置推斷出曲率半徑。隨著加入多個延時單元到測量參考臂，在一次OCT成像中，可以得到一個以上的物體輪廓，這種辦法能夠縮短成像過程提高測量精度。

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

　　3、表面紋理(粗糙度)分析

　　粗糙度測量圖片中，分別測量幾種尺寸相同但等級規(guī)格不同的軸承球體，即5級、10級、24級、25級和1000級。它們每個級別的表面粗糙度的最大算數平均值均超過了200nm 。

　　不同級別的軸承球體在干涉測量儀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，但其結構組織仍有可能存在較大差異。這些差異的存在仍會影響到軸承的使用功能。所以更好的測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，更精確地評估軸承的性能。

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

　　一個測量實例，測得的球軸承球體(6級)的實際波紋度與最佳的擬合圓后做減法運算。粗糙度精度為100nm。此波紋成為粗糙度計算的一部分。為了刪減掉這些波紋信號，用傅里葉濾波與高斯窗口以50 m的長波長度作截段取窗函數。濾波器很容易消除了波紋信號而沒有對邊緣信號進行干擾。則剩下的信號(去除了波紋信號)測量精度到達了30nm 。

　　4、結論

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

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