1、第卷第期年月機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，文章編號(hào)：（）研磨表面微觀形貌的三維檢測(cè)及表征陳國強(qiáng)。張維強(qiáng)。彭文靜（湖南工程學(xué)院工程訓(xùn)練中心，湖南湘潭，：；南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，南京）摘要：介紹了三維表面微觀形貌的檢測(cè)方法，分析了采用高斯濾波提取基準(zhǔn)中面的原理，針對(duì)研磨表面形貌的表征選取了一組表征參數(shù)。運(yùn)用原子力顯微鏡（）掃描研磨工件的表面，采用高斯濾波提取基準(zhǔn)中面進(jìn)而分離出表面微觀形貌的三維信息，在此基礎(chǔ)上計(jì)算出表征參數(shù)值。試驗(yàn)表明研磨表面微觀形貌呈現(xiàn)高斯分布規(guī)律，采用高斯濾波方法及所選的表征參數(shù)能夠有效地表征研磨表面的三維微觀形貌。關(guān)鍵詞：微觀形貌；表征；原子力顯微鏡；高斯濾波中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：（，；，

2、）：，（）￥，鵲眥，：；隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)零件產(chǎn)品的加工精度和表面粗糙度的要求越來越高，包括研磨在內(nèi)的一些光整加工方法得到了迅速發(fā)展，使得對(duì)件表面形貌的精確檢測(cè)及表征日益重要和突出。由于表面形狀是三維空間分布的，二維的測(cè)量與表征并不能完全反映表面形貌的真實(shí)特征。隨著近年來檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展及計(jì)算能力、圖象處理技術(shù)和數(shù)值處理技術(shù)的大大提高，使得表面形貌的評(píng)定方法已從單一的二維形狀誤差、波紋度、表面粗糙度的分離評(píng)估，逐步向三維表面形貌的綜合表征和評(píng)定轉(zhuǎn)變。準(zhǔn)確的檢測(cè)和科學(xué)的評(píng)定精密表面的三維微觀形貌對(duì)于精密工藝的發(fā)展及工件表面質(zhì)量和性能的提高具有指導(dǎo)意義。學(xué)探針法、干涉顯微鏡法、白光相移

3、干涉法、掃描電子顯微鏡（）、光子隧道顯微鏡（）、掃描探針顯微鏡等。觸針式輪廓儀是最廣泛使用的接觸式測(cè)量?jī)x，它一般采用金剛石探針掃描被測(cè)表面，但其探針常常會(huì)劃傷被測(cè)表面；光學(xué)散射法具有測(cè)量速度快和儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但它測(cè)量的是被測(cè)表面的平均特性，不能給出表面的形貌，屬于一種參數(shù)測(cè)量技術(shù)；光學(xué)探針法的種類較多，但一般誤差較大；干涉顯微鏡具有表面信息直觀和測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是在表面形貌上陡峭的斜坡產(chǎn)生的干涉條紋很細(xì)很密，以至于用面陣難以探測(cè)和分辨；白光相移干涉法的優(yōu)點(diǎn)在于可測(cè)量范圍大，可以實(shí)現(xiàn)從納米級(jí)到毫米級(jí)的測(cè)量，但不適合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量；掃描電子顯微鏡（）需在真空環(huán)境下工作。掃描探針顯微鏡（）是最

4、重要的納米微粒粒徑和表面形貌檢測(cè)儀器，原子力顯微鏡（）是中的重要一員舊。原子力顯微鏡可使測(cè)量精度達(dá)到納米級(jí)，可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作，甚至可將樣品浸在水和其它溶液中，不需要特別的制樣技術(shù)，并且探測(cè)過程對(duì)樣品幾乎無損傷，因而近來應(yīng)用越來越廣泛，是測(cè)量表面粗糙度和觀察表面三維形貌的理想儀器。表面微觀形貌的三維檢測(cè)表面三維形貌檢測(cè)是獲取零件表面形態(tài)特征的一種重要手段，檢測(cè)的精度決定著特征參數(shù)評(píng)判的可靠程度。微觀形貌測(cè)量通常是指在表面粗糙度及波度范圍內(nèi)的形貌檢測(cè)，表面微觀形貌的測(cè)量方法可分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式主要有觸針式輪廓儀，非接觸式方法包括光學(xué)散射法、光收稿日期：一兒一機(jī)械

5、設(shè)計(jì)與研究第卷表面微觀形貌的表征研究表面微觀形貌的表征方法隨著測(cè)量精度、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字圖象處理技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理能力的不斷提高，三維微觀形貌分析進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段，目前出現(xiàn)了基準(zhǔn)參數(shù)法、法、分形法、小波分析、法等多種三維表征方法。當(dāng)前國際上研究最熱的是表征，它是由二維輪廓法延伸出來的維面域表征，是基于形貌中面的三維粗糙度評(píng)價(jià)方法。年歐共體資助的由英國伯明翰大學(xué)承擔(dān)的大型表面計(jì)量研究項(xiàng)目項(xiàng)目開發(fā)定義了一套基本的三維表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)（）體系，將三維表征參數(shù)分為四大類，第一次系統(tǒng)全面的提出了表征參數(shù)體系。在年也提出了標(biāo)準(zhǔn)草案”，介紹了表征的參數(shù)，與參數(shù)體系基本相同。由于標(biāo)準(zhǔn)體系的規(guī)范性和統(tǒng)一性高

6、度，表征具有最大的可能成為新的國際標(biāo)準(zhǔn)，國際上眾多的維表征研究都是基于此體系展開的，表征具有巨大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。表征基準(zhǔn)中面的高斯濾波確定合理準(zhǔn)確的確定基準(zhǔn)中面決定著表征參數(shù)值的準(zhǔn)確與否。表面濾波是對(duì)表明形貌直接在頻域內(nèi)進(jìn)行分解，生成的基準(zhǔn)輪廓連續(xù)變化，可實(shí)現(xiàn)與表面原始形貌的良好匹配。隨機(jī)理論引入表面評(píng)定后，表面被假設(shè)為一種正態(tài)隨機(jī)過程，所以用高斯函數(shù)作為權(quán)函數(shù)的高斯濾波器得到廣泛有效的應(yīng)用，并于年被制定為國際標(biāo)準(zhǔn)”。定義八算，）為三維表面測(cè)量輪廓，假設(shè)，（石，）（聾，）（石，）（）選取適當(dāng)?shù)慕刂诡l率，則。（茗，）包含三維表面測(cè)螢輪廓的形狀和波度誤差，可以將其作為表面粗糙度評(píng)定的基準(zhǔn)面，

7、：（髫，）則為表面粗糙度輪廓。因此，三維表面粗糙度評(píng)定基準(zhǔn)面可以采用將測(cè)量原始輪廓數(shù)據(jù)通過一個(gè)二維低通高斯濾波器（省，）的方法得到”，見下式：。（髫，）廠（茗，）（戈，）（）定義為三維離散采樣數(shù)據(jù)，。，為高斯評(píng)定基準(zhǔn)面，則”；：¨（）其中：，；，一；腑，分別為數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)；，：【，（蓑）一丌（卷）】；（）高斯濾波為零相移濾波，時(shí)頻窗面積最小，是一種理想的通用濾波方法。研磨表面的三維形貌表征參數(shù)選取由于三維表征比二維表征更為復(fù)雜，導(dǎo)致出現(xiàn)了大量的表征參數(shù)，使得三維表征參數(shù)體系相當(dāng)繁雜。文獻(xiàn)參考現(xiàn)有的參數(shù)體系，基于數(shù)鼉要少、算法簡(jiǎn)單、易于被理解接受和進(jìn)行推廣的原則，按照各參數(shù)的表征效果從

8、主到輔建立了一個(gè)表征參數(shù)選取的體系。對(duì)于高精密的研磨表面，天津大學(xué)的李成貴等已經(jīng)通過試驗(yàn)研究表面表面紋理方向并不是很明顯，其等方性較好，故使用空間參數(shù)表征效果并不明顯?？紤]到與傳統(tǒng)檢測(cè)方法的銜接，在此選取表面三個(gè)主要幅度參數(shù)及三個(gè)功能參數(shù)對(duì)研磨表明進(jìn)行表征，另外由于表面的均方根斜率是目前國內(nèi)外三維測(cè)饋和表征中使用最普遍的參數(shù)，其表征效果得到了廣泛認(rèn)可故也選其作為研磨表面的表征參數(shù)，對(duì)各參數(shù)一。分析如下：（）表面的均方根偏差曲：這是一個(gè)統(tǒng)計(jì)幅度參數(shù)，定義為在采樣區(qū)域內(nèi)，表面偏離基準(zhǔn)面的均方根值。其數(shù)學(xué)式為：式中：肘、為在采樣區(qū)域內(nèi)戈向和向的離散采樣點(diǎn)數(shù)；躒蕊（）（，）為表面的偏離高度（下同）。（

9、）表面高度分布的偏斜度“指表面偏差相對(duì)于基準(zhǔn)表面的對(duì)稱性的度量，表達(dá)式如下：肘止志；文鉑乃），（）若表面高度對(duì)稱分布，則偏斜度為零，否則，如果表面的分布在低于基準(zhǔn)面的一邊有大的“尖峰”，則硅；相反，表面的分布在基準(zhǔn)面之上有大的“尖峰”，則。（）表面高度分度的峭度既：這個(gè)參數(shù)描述形貌高度分布的形狀，是形貌高度分布的峰度和峭度的度量，由下式給出：吖志；瓤扎乃）（）高斯表面的峭度為，形貌高度分布集中在中心的表面，而一個(gè)分散的高度分布表面其“。綜合使用和。兩個(gè)參數(shù)，就可以識(shí)別磨削表面的穩(wěn)定性，因?yàn)槠渖婕暗巾敳康钠教雇瑫r(shí)也包含深的谷底。通常用來評(píng)定機(jī)加工表面，有時(shí)能很明確的控制表面抗壓強(qiáng)度¨“

10、。（）表面支承指數(shù)“它定義為均方根偏差對(duì)支承面積為時(shí)的表面高度的比率，即：÷（）式中：仉惦為的支承面積的表面高度；。為支承面積為時(shí)表面支承指數(shù)的倒數(shù)，表面支承指數(shù)值越大，表明支承性能好；一般地，。，對(duì)于高斯表面的“約為；對(duì)于大多數(shù)丁程表面，這個(gè)指數(shù)在之間¨“。（）中心液體滯留指數(shù)“該參數(shù)反映在表面的中心區(qū)域液體滯留的性能，它被定義為在中心區(qū)域每單位面積上的空體體積對(duì)表面均方根（）偏差的比率。即：一上生血！立二匕墮！?！耙弧＃ǎㄒ唬?、一一、式中：（。仍）、（。）分別表示支承面積為和時(shí)的表面形貌空體體積，。大表明表面中心區(qū)域的液體滯留性能好，對(duì)于高斯表面，。約為¨。

11、（）谷區(qū)液體滯留指數(shù)，：表示表面在低谷區(qū)域液體的滯留性能，它被定義為在谷區(qū)內(nèi)每單位面積上的空體體積對(duì)偏差的比率：。專面音（）。數(shù)值越大，則表明表面在谷區(qū)內(nèi)的液體滯留能力強(qiáng)，對(duì)于高斯表面，。的典型值約為。第期陳岡強(qiáng)等：研磨表面微觀形貌的三維檢測(cè)及表征（）表面的均方根斜率由：表不采樣區(qū)域內(nèi)表面斜翠卻而了女礦可窆薹【（叢生盟掣）（墮墊絲掣）】數(shù)來準(zhǔn)確判斷研磨表面的質(zhì)量。對(duì)采樣形貌的分析與處理的值，對(duì)于離散表面司表不為：（，）對(duì)研磨表面的三維檢測(cè)及表征實(shí)驗(yàn)研究采用對(duì)研磨表面形貌的三維檢測(cè)本試驗(yàn)運(yùn)用原子力顯微鏡掃描四組不同精度的研磨工從以上參數(shù)值可以看出，如果不對(duì)原始表面進(jìn)行處理而直接計(jì)算，其參數(shù)值很不

12、穩(wěn)定，規(guī)律性不明顯，較難從這些參件樣塊，采樣域面積為×，其、值均為，得到表面三維形貌如圖所示：圖為分離前粗糙度高度分布柱狀圖，清楚的表明表面高度呈現(xiàn)高斯分布特征，故采用高斯濾波方法進(jìn)行分析，將表面進(jìn)行重構(gòu)并進(jìn)行高斯濾波處理。當(dāng)選取的截止頻率越小時(shí)，基準(zhǔn)面圖形越平坦，若截止頻率越大則圖形輪廓越復(fù)雜，比較發(fā)現(xiàn)選取截止頻率范圍為較為合適，得到各表面評(píng)定基準(zhǔn)面如圖所示。圖，為精度較低表面；，為精度較高表面（后同）圖研磨表面維形貌圖為了進(jìn)行直觀的分析比較。先對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行直接計(jì)算，其表征參數(shù)值如表所示：表工件研磨工件原始表面三維表征參數(shù)值“。由圖分離前粗糙度高度分布柱狀圖一圖表面三維形貌高斯基

13、準(zhǔn)面 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究第卷圖分離后的粗糙度形貌對(duì)原始三維形貌與高斯基準(zhǔn)面進(jìn)行高度求差運(yùn)算，得到微觀表面粗糙度形貌如圖所示：根據(jù)以上分析及相關(guān)公式計(jì)算出粗糙度表面參數(shù)值如表所示。表分離后研磨工件表面粗糙度表征參數(shù)值工件參考文獻(xiàn)：糾由梁嶸，李達(dá)成。曹芒，等表面微觀形貌測(cè)量及其參數(shù)評(píng)定的發(fā)展趨勢(shì)光學(xué)技術(shù)，：白春禮掃描隧道顯微術(shù)及其應(yīng)用上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，扭一一“。；川。一，。：¨：（）一，：。糾從表可以看出，、與、表面的幅度參數(shù)值和綜合參數(shù)隨表面精度的變化比較明顯，功能參數(shù)值變化相對(duì)比較平穩(wěn)。、表面的。值明顯較小，止均為負(fù)值，而且值遠(yuǎn)大于，。值接近，值接近，。值接近，表明、的表面精度明

14、顯更高及其高度分布具有高斯正態(tài)分布的規(guī)律。引￥：鋤曾文涵，高詠生，謝鐵邦，等三維表面粗糙度高斯濾波快速算法計(jì)量學(xué)報(bào)，（）：一陳國強(qiáng)基于標(biāo)準(zhǔn)體系的表面微觀形貌三維表征研究南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，李成貴，張國雄袁長(zhǎng)良三維表面粗糙度的等方性評(píng)定機(jī)械下程學(xué)報(bào)，。（）：一，川¨結(jié)論川以上運(yùn)用原子力顯微鏡對(duì)研瓣工件的表面微觀形貌進(jìn)行掃描，并選取一組表征參數(shù)對(duì)所測(cè)表面的三維形貌進(jìn)行了表征，試驗(yàn)得到如下結(jié)論：（）使用高斯濾波方法能夠準(zhǔn)確得到表面的表征基準(zhǔn)中面；（）研磨工件表面的粗糙度幅度分布隨著加工精度的提高明顯呈現(xiàn)高斯分布規(guī)律，表明高斯濾波方法在精密表面表征中有著很廣闊的應(yīng)用前景；（）表征的幅度

15、參數(shù)和綜合參數(shù)如隨著研磨表面形貌變化的反應(yīng)敏感，功能參數(shù)相對(duì)比較平穩(wěn)，綜合以上參數(shù)可以有效地對(duì)研磨表面的三維彤貌進(jìn)行定量表征。一一（），（）：互李成貴董申維表面微觀形貌的表征參數(shù)和方法宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，：三 ，：李成貴，董申三維表面微觀形貌的表征趨勢(shì)中國機(jī)械工程，（）：作者簡(jiǎn)介：陳國強(qiáng)（一），湖南湘鄉(xiāng)人，助教，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論、機(jī)電液集成控制技術(shù)。 研磨表面微觀形貌的三維檢測(cè)及Areal表征作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期：陳國強(qiáng)， 張維強(qiáng)， 彭文靜， CHEN Guo-qiang， ZHANG Wei-qiang， PENG Wen-jing陳國強(qiáng),彭文靜,CHEN

16、Guo-qiang,PENG Wen-jing(湖南工程學(xué)院,工程訓(xùn)練中心,湖南,湘潭,411104 ， 張維強(qiáng),ZHANG Wei-qiang(南京農(nóng)業(yè)大學(xué),工學(xué)院,南京,210031機(jī)械設(shè)計(jì)與研究MACHINE DESIGN & RESEARCH2009,25(2參考文獻(xiàn)(12條1. 李成貴;董申 三維表面微觀形貌的表征趨勢(shì)期刊論文-中國機(jī)械工程 2000(052. N K My shkin;A Ya Grigoriev;S A Chizhik Surface roughness and texture analysis in micro-scale 20033. Dong W P

17、;Sullivan P J;Stout K J Comprehensive study of parameters for characterization 3-D surfacetopography-(外文期刊 1994(014. 李成貴;張國雄;袁長(zhǎng)良 三維表面粗糙度的等方性評(píng)定期刊論文-機(jī)械工程學(xué)報(bào) 1999(015. 陳國強(qiáng) 基于GPS標(biāo)準(zhǔn)體系的表面微觀形貌三維表征研究 20076. 曾文涵;高詠生;謝鐵邦 三維表面粗糙度高斯濾波快速算法期刊論文-計(jì)量學(xué)報(bào) 2003(017. Stout K J The Development of Methods for the Characterization of Roughhess in Three Dimensions19938. IS0 11562-1996.Ge