[發明專利]三維表面粗糙度評定中建立輪廓基準面的新方法

無效

• 申請號: 200710176412.0
• 申請日: 2007-10-26
• 公開（公告）號: CN101158573A
• 公開（公告）日: 2008-04-09
• 發明（設計）人: 王中宇;孟浩;付繼華
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01B11/30
• 分類號: G01B11/30;G01B11/24;G06T7/00
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司
• 代理人: 王順榮;唐愛華

(一)技術領域：

本發明提供一種三維表面粗糙度評定中建立輪廓基準面的新方法，屬于計量技術領域。

(二)背景技術：

表面粗糙度是指零件表面上具有較小波距和微小峰谷的微觀幾何形狀誤差，它直接影響零件的耐磨性、耐腐蝕性、疲勞強度、密封性、導熱性及使用壽命等。因此表面粗糙度是評價機械零件表面質量的重要技術指標之一。以往對表面粗糙度的評定主要以二維參數為主，只能給出某一法向截面所對應輪廓線的粗糙度信息。比較而言，三維表面粗糙度能夠從整體上全面地反映表面輪廓的微觀幾何形貌特征，因此隨著圖像分析技術、數字信號處理技術及計算機運行速度的不斷提高，三維表面粗糙度評定已成為當今表面形貌測量領域的一個重要研究方向。

在三維表面粗糙度的評定中，評定基準面的建立是進行參數評定的基礎和關鍵。關于三維表面粗糙度的評定，國內外學者開展了大量的研究工作，提出了多種建立粗糙度評定基準面的方法，如最小二乘多項式擬合法、高斯濾波法和小波頻譜法等。最小二乘多項式擬合法(見：李柱主編，《互換性與測量技術》，北京：高等教育出版社，2004.)對三維表面粗糙度進行分離和評定的原理是將被測表面表示為多項式函數，利用最小二乘原理通過回歸分析的方法確定多項式系數，進而給出評定基準，其優點是原理簡單、易于實現；但缺點是多項式函數僅是對表面低頻信號的一種近似擬合，由于受到函數形式和多項式階次的制約，擬合精度難以得到有效地保證。而且對于多次加工生成的工件表面，也很難找到合適的多項式函數作為評定基準面。鑒于國際標準ISO11562中已經將二維表面粗糙度評定的輪廓基準線規定為高斯基準線，并且得到了較好的推廣應用，因此三維表面粗糙度評定的國際標準中最有可能采用高斯濾波法。有文獻(見：曾文涵等，“三維表面粗糙度高斯濾波快速算法”，計量學報.2003，24(1)：10-13.)研究了基于高斯濾波器的三維表面粗糙度評定基準面的建立方法，并提出了一種實用的快速卷積算法。高斯濾波器的最大優點是其線性相位特性，能夠有效地分離出不同的表面成分，進而建立粗糙度評定基準面。但應用高斯濾波的方法進行表面粗糙度評定必須具備三個前提：(1)表面粗糙度服從高斯分布；(2)表面微觀形貌由一系列諧波疊加而成；(3)不相關的形狀和轉化誤差已被剔除。因此對于非典型分布或少數據的表面輪廓，高斯濾波的方法具有很大的局限性。還有文獻(見：陳慶虎，李柱，“表面粗糙度提取的小波頻譜法”，機械工程學報.1999，35(3)：41-44.)將小波分析的方法應用到表面粗糙度評定中，提出了三維表面粗糙度評定的小波基準面，該基準面由小波分解自動產生，無須假定評定基準具有某種特定函數表達式，因而不存在擬合誤差。但在基準面求解的過程中，小波分解層次的確定以及基準面的選擇具有一定的隨機性，導致應用小波基準面進行粗糙度評定的結果在一定程度上具有隨意性。

以上三種方法均屬于基準評定法，隨著三維表面粗糙度評定研究的深入，出現了許多非基準評定方法。國際標準ISO?12085中規定的Motif方法(見：ISO?12085：1996?Geometrical?Product?Specifications(GPS)-Surface?texture：Profile?method-Motif?parameters.)以圖形的方式對輪廓表面粗糙度和波紋度進行描述，能夠以較少的評定參數真實地匹配輪廓的局部特性。但Motif方法的四個合并準則均來自于法國汽車業二十多年的實踐經驗，缺乏相應的理論依據，因而導致Motif方法的應用受到限制。分形法(見：李成貴等，“分形維數與表面的粗糙度參數的關系”，工具技術.1997，32(12)：36-38.)提出了只用一個尺度敏感參數即分形維數表征表面輪廓形貌復雜和細膩程度的方法。但分形維數能否完全表征分形表面的形貌特征尚有待進一步的研究，而且由于實際應用中并非所有的工件表面都具有分形特征，因此分形法很難成為一種普遍適用的方法。

(三)發明內容：

針對目前三維表面粗糙度評定中存在的問題，首次將灰色系統理論中的灰色關聯分析方法應用到三維表面粗糙度評定中，通過對被測表面輪廓的原始采樣數據實施灰色自適應加權均值濾波，有效地分離出表面輪廓成分，建立三維表面粗糙度評定的灰色基準面。該方法無須假設評定基準具有特定的函數表達式，不僅適合于大樣本量、典型分布的普通表面粗糙度的提取，而且對少數據、非典型分布的表面輪廓同樣適用。

本發明一種三維表面粗糙度評定中建立輪廓基準面的新方法，其技術方案的制定是基于下列原理考慮的：