基于光学显微层析成像垂直扫描原理的金刚石砂轮表面形貌在位测量与分析方法研究

It is critically important for high efficiency and high precision grinding machining to measure and analyze the surface topography of grinding wheels on machine, which is a hot problem to solve. However because of the complexity and particularity of the diamond grinding wheel surface, the existing methods are not very suitable for the demand of wheel measurement on machine and comprehensive analysis. Based on the principle of optical microscope vertical scanning sectioning, a system for grinding wheel measurement on machnine is constructed, which is a noncontact, area sampling instrument with large measurement range and small system volume etc.. Under the driving of the preiciosn stage, a series of 2D images can be captured by a camera with adaptive steps, which are suitable for 3D reconstruction of the surface and comprehensive analysis. The grains of the surface can be easily detected using the redundant information while the 3D surface of the wheel is reconstructed by a focusing measure algorithm. Through the analysis of 2D images feartures and 3D surface characteristics of the wheel, an evaluation system can be constructed for diamond grinding wheel, and the wheel wear can be analysied quantitatively. The method can overcome the drawbacks of general methods and improve the evaluation system of diamond grinding wheel.The methods and theories are not only of significance for diamond grinding wheel measurement and evaluation but also for micro structures analysis and flaws detection.

金刚石砂轮表面形貌在位测量和综合分析，对高效、高精度磨削加工具有重要意义，是迫切需要解决的问题。然而，由于金刚石砂轮表面形貌的复杂性和特殊性，目前的测量方法和分析手段还不能满足对其在位测量和全面分析的需求。本项目拟基于光学显微层析成像垂直扫描测量原理，构建适于金刚石砂轮在位测量系统，具有非接触、面测量、大量程、结构紧凑等特点。光学成像系统在精密机台驱动下实现对被测表面的自适应层析扫描，获取被测表面的系列层析图像，层析图像序列是三维形貌恢复和二维、三维分析的基础。在三维表面形貌恢复的同时，应用其聚焦测度冗余信息实现磨粒快速识别；通过层析图像二维分析和三维表面形貌分析，建立金刚石砂轮表面形貌综合分析评价体系，并阐释基于量化特征的金刚石砂轮磨损演变规律。研究方法可克服通用方法的不足，完善砂轮形貌评价体系。研究的方法和理论不仅对金刚石砂轮测量分析具有重要价值，对微结构分析和瑕疵识别也具有重要意义。

金刚石砂轮表面形貌的全场三维测量与定量评价，对高效、高精度磨削加工具有重要意义。然而，金刚石砂轮表面形貌的复杂性，给全场测量带来极大难度。本项目提出二维全场快速定位扫描与局部形貌三维测量相结合的协同方法，并充分利用其测量过程数据实现快速分析与评价。本项目基于光学显微层析成像垂直扫描测量原理，构建适于金刚石砂轮在位测量系统。显微成像系统在精密机台驱动下实现对磨粒的层析扫描。根据磨粒快速定位的需求，配合以线阵ＣＣＤ回转扫描系统，即可实现全场磨粒的三维测量与重构。全场磨粒信息的获取如下：①基于层析图像熵值识别磨粒的顶端，可快速获取全场磨粒高度。②基于聚焦评价函数从磨粒顶端扫描到结合剂，获取磨粒三维形貌。③根据ＣＣＤ二维扫描获取的磨粒位置，逐一对磨粒重复①和②的测量策略。.在自主研发的测量系统基础上，通过层析图像二维分析和三维分析，建立金刚石砂轮表面形貌综合评价参数体系。①统计参数：借鉴三维表面形貌评价标准ISO25178-2进行统计分析，研究了空间与幅值参数和磨粒各特征之间的具体关系。基于全场磨粒高度进行磨粒等高性分析。进行全场磨粒数、磨粒密度等分析。②个体参数：包括磨粒位置、磨粒形态、周长、出露高度、粒径、面积、形心等参数；基于磨粒光学截面，提出磨粒截层面积、截层体积、磨粒累积高度体积、磨粒截层面积变化率、磨粒截层体积变化率等个体参数；③综合分析：基于测量方法优势，由获取的全场磨粒位置及三维形貌，建立全场磨粒信息数据库，可根据磨粒序号检索和跟踪磨粒三维形貌。提出包含磨粒分布位置与磨粒高度的二维与三维相结合的综合分析方法。.所提出的整体与局部协同测量方法，对解决砂轮大范围表面形貌精确测量具有重要意义。所提炼出来的参数体系是精密表面形貌评价的共性关键问题。研究的方法和理论不仅对金刚石砂轮测量分析具有重要价值，对微结构分析和瑕疵检测与评价也具有重要意义。 .

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