【摘要】 基于激光共聚焦显微镜技术的非接触式表面形貌测量系统，实现原位粗糙度检测，精度达±5%，适用于工业机器人集成表面质量控制。

在工业制造领域，表面形貌测量直接关系到产品质量评价。基于三维形貌数据计算的表面粗糙度参数（如Ra、Rz）已成为关键质量指标。传统接触式测量易损伤表面，而实验室设备难以实现原位检测。Shaowei Fu团队研发的激光共聚焦非接触测量系统，通过创新性扫描机制突破这一局限。

 

一、核心技术原理

系统采用单点激光共聚焦传感技术，通过精密光学组件实现亚微米级分辨率。核心在于深度响应曲线（DRC）​ 的精准捕获：

1.当被测点位于焦平面时，反射光强穿透针孔达到峰值

2.物镜垂直扫描自动追踪DRC峰值位置

3.高分辨率编码器实时记录表面高度数据

图1 单点共焦系统的结构。(a)目标点集中;(b)目标点已出焦

 

二、双维扫描创新设计

为实现原位表面全覆盖检测，系统集成两大扫描模块：

1.垂直扫描机构：音叉驱动物镜进行Z轴高频振动（1.5kHz），实时追踪表面起伏

2.横向扫描机制：高精度振荡器实现1.1mm测量行程，满足典型特征检测需求

图2 激光共聚焦传感器的工作原理。(a)垂直扫描机构;(b)横向扫描机制。

 

三、工业场景应用优势

经ISO 4287标准验证，系统具备三大核心价值：

  • ​原位集成能力：直接集成于机械臂，根据CAD模型自动调整测量位姿
  • ​智能降噪算法：通过线性校正因子消除散射噪声与镜面反射干扰
  • ​宽量程高精度：Ra测量范围0.2~7μm（带宽300），相对误差≤5%

实验数据表明，该系统特别适用于机器人表面处理、精密零件检测等场景，为智能制造提供实时的表面质量反馈。

 

参考文献：[1] Fu, S.; Cheng, F.; Tjahjowidodo, T.; Zhou, Y.; Butler, D. A Non-Contact Measuring System for In-Situ Surface Characterization Based on Laser Confocal Microscopy. Sensors 2018, 18, 2657. https://doi.org/10.3390/s18082657

 

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