为了完成对精密机械表面粗糙度的精确测量, 基于远场角度散斑强度的相关理论, 采用激光散斑方法设计了表面粗糙度测量的实验光路。在实验光路中, 将平面镜与待测粗糙表面固锁在一起, 当转动待测粗糙表面时, 平面镜与分束镜、接收屏组成了测量转动角度的光指针, 提高了转动角度的测量准确度。在数据处理中, 提出了基于MATLAB软件的角度散斑相关度峰值的计算方法, 简化了测量步骤, 提高了测量速度, 进而利用相关度峰值计算求得表面粗糙度。利用设计和组建的系统对平铣表面粗糙度标准模块的表面粗糙度进行了实际测量, 并对测量结果与标准样块的标称值进行比较, 取得了较高的测量准确度。结果表明, 此研究验证了激光散斑方法测量表面粗糙度的可行性, 对进一步完善表面粗糙度的精密测量是有帮助的。

基于角度散斑相关原理开展了对喷砂表面粗糙度样块的粗糙度测量实验研究。通过对散斑图像数据的处理和分析,提出了求取角度散斑相关系数最大值的滑动相关算法。该算法能有效克服表面不平度、波度等因素的不利影响。从最佳测量条件出发,提出了最佳入射角增量的概念,并在此基础上形成了包括散斑图像采集过程和图像数据处理方法在内的一整套表面粗糙度测量方法。该测量方法的核心是对被测表面的多个激光照明区域和多个激光入射角下的远场散斑图像的采集及数据处理。实验结果表明,应用本测量方法得到的轮廓均方根偏差最佳估计值σp与表面样品给定的轮廓算术平均偏差Ra成很好的线性关系。

角度散斑相关是一种不受表面粗糙度轮廓的间距特性影响的粗糙度幅度参量测量方法, 它的数学模型通常建立在集平均的基础上。通过模拟计算随机粗糙表面的远场散斑场, 以散斑图面上的空间平均代替常规的集平均来计算角度散斑相关系数, 并应用集平均的数学模型反演粗糙度参量。结果证实了这种空间平均角度散斑相关粗糙度测量方法的有效性, 在同一表面只需对少数个区域进行测量并对测得的粗糙度参量取平均, 即可获得足够的测量精度。对于Rq大于2.0 μm的表面, 测量相对误差小于15%。根据最佳测量条件, 该方法适用于大粗糙度表面。