（机械制造及其自动化专业论文）表面形貌复合评定理论与方法的研究.pdf

华 中 科 技大 掌 博 士 学 位 论 文 摘要 表面微观形貌测量及特征评定技术， 是发展表面科学、 材料科学、 生命科学以及微 电子技术所必须的重要技术。本文在对国内外关于表面形貌测量及特征评定研究现状 与发展进行分析的基础上，系统地论述了作者对表面形貌特征评定理论与方法的研究 成果。主要研究内容与创新如下: 系统研究了 表面形貌复合评定方法。 应用小波、 分形等理论与方法， 结合表面功能 信息，对工程表面多尺度特征进行综合评定。首次提出表面复合评定包括三个复合: 方法复合，尺度复合以及功能复合。方法复合是小波、分形及统计方法的复合运用。 尺度复合是对表面形貌的多尺度特征评定。功能复合是结合功能信息的表面特征提取 技术。 研究了表面形貌多尺度功能滤波方法。 根据表面功能要求， 提取对这些功能特性有 主要影响的表面多尺度特征信号分量。提出针对平台布磨表面，利用表面支承曲 线的 概率坐标拟合直线斜率，选取表面形貌的小波分解尺度，将平台布磨表面的峰顶部分 和谷底部分分离，实现对粗靳加工过程及细街过程的分别量化评定。这一研究结果已 应用于下一代汽车动力系设计。 研究了一种表面形貌特征提取分形变焦方法。 许多工程表面具有统计自 相似分形特 性，针对这种分形工程表面，提出一种基于小波的表面特征模型。利用小波的变焦特 性，观察和分析不同尺度下的工程表面形貌。 采用分形维方法， 确定特征信息的小波 分量尺度，综合提取表面形貌特征信息。 研究了表面多重分形谱区转折尺度的物理含义. 提出 针对二重分形磨削表面， 重构 转折尺度信息分量，用于磨削过程的动态分析。在研究磨削表面多重分形特性的基础 上， 通过多尺度分析， 根据标度律分析重构转折尺度表面信号分量。发现双分形磨削 表面的转折尺度对应的表面信号分量对磨削过程中砂轮状态非常敏感。 研究了表面微观形貌复合传感技术。 针对表面形貌接触测量技术和非接触测量技术 性能互补性，将两种测量技术融合在一起，设计了一种新型的复合式测量传感器，解 决单一测量方式的不准确性和测量范围的局限性，并在高性价比前提下完成对表面微 观形貌的复合式精密检测。 关键词: 表面 形 貌， 复 合评定， 小波方 法， 分形理论， 复合测量 包 含 本 文 研究 内 容 的 科 研 项目 主 动 剪 切 干 涉 非 球 面 精 密 测 a 及 复 合 评 定 津准 号 : 5 9 9 7 5 0 3 5 ) 获2 0 0 2 年国家自 然科学荃金“ 十佳”项目 奖。 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 ab s t r a c t c h a r a c t e r iz a t i o n a n d m e a s u r e m e n t o f s u r f a c e m i c r o - t o p o g r a p h y i s c r i t i c a l t o比 。 d e v e l o p m e n t o f s u r f a c e s c i e n c e , m a t e r i a l s c i e n c e , b i o l o g i c a l s c i e n c e a n d m i c r o e l e c t r o n i c s . on t h e h a s ; c o f a f u l l r e v i e w 璐 t h e s t a t e征 t h e a r t o n s u r f a c e c h a r a c t e r s -+ inn a n d m e a s u r e m e n t , th i s d i s s e rt a t i o n r e p o r t s th e a u t h o r s r e s e a r c h o n t h e t h e o r y a n d m e th o d f o r c o m p o s i t e c h a r a c t e r i z a t i o n。 e n g in e e r i n g s u r f a c e s . t h e m a i n c o n t r i b u t i o n s恤 t h i s d i s s e r t a t i o n a r e o u t l i n e d a s f o l l o w s ; t h e c o m p o s i t e s u r f a c e c h a r a c t e r iz a t i o n m e t h o d h a s b e e n s t u d i e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n . u t i l i z i n g b o t h o f w a v e l e t t r a n s f o r m a n d f r a c t a l t h e o r y , th e c o m p o s i t e m e t h o d p r o p o s e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n g i v e s 二i n t e g r a t e d c h a r a c te r iz a t i o n f o r e n g in e e r i n g s u r f a c e s 妙m u t t 如 l e s c a l e a n a l y s i s a n d f u n c t i o n a l f e a t u r e e x t r a c t i o n . b y c h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e f u n c t i o n a l c o m p o n e n t s fr o m t h e i n v e s t i g a t e d s u r f a c e t o 卯g r a p h y , 俪 s u 币c c f u n c t i o n a l 缈c a n 忱q u a n t i f i e d . d u e t o t h e f a c t t h a t d i ff e r e n t a s p e c t s o f m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s g e n e r a t e d i ff e r e n t w a v e l e n g t h r e 乡 m e s a n d t h e y a ff e c t t h e f u n c t i o n o f t h e s u r f a c e d i ff e r e n t l y , a m u l t i - s c a l e f u n c t i o n a l f e a t u r e e x t r a c t i o n m e t h o d h a s b e e n d e v e l o p e d t o p r o v i 命功 s i g h t i n t o 伽 p a+笼 s s c o n t r o l a n d f u n c t i o n a l i t y p r e d i c t i o n . w i t h 伽 a p p l i c a t i o n o f t h e f u n c ti o n a l p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n o f c y l i n d e r b o r e s i n t h e d e s i g n o f n e x t g e n e r a t i o n p o w e r t r a i n , t h e p r o p o s e d m e t h o d h a s b e e n u s e d t o c h a r a c t e r i z e p l a t e a u - h o n e d s u r f a c e i r r e g u l a r i t y i n t o t w o f u n d a m e n t a l s u r f a c e a s p e r i t i e s i n c l u d i n g d e e p g r o o v e s a n d f in e p l a t e a u s , w h i c h a r e r e l a t e d t o b e a r i n g c a p a b i li t y a n d o i l r e t e n t i o n , r e s p e c t i v e l y . a f r a c x a l z o o m i n g m e t h o d h a s b e e n d e v e l o p e d f o r s u r f a c e c h a r a c te r i z a t i o n . o n t h e f a c t o f m a n y t y p e s o f - e n g i n e e r i n g s u r f a c e s h a v e b e e n o b s e r v e d t o p r e s e n t s t a t i s t i c a l s e l f - s i m i l a r i t y , t h i s m e t h o d u t i l i z e s t h e f r a c t a l d i m e n s i o n , w h i c h i s p r o v e d t o b e a n in t r i n s ic p a r a m e t e r f o r m e a s u r i n g s u r f a c e i r r e g u l a r it y , t o q u a n t i 勿t h e z o o m i n g i n d e x健w a v e l e t t r a n s f o r m f o r c o m p r e h e n s i v e c h a r a c t e r i z a t i o n o f r o u g h n e s s , w a v i n e s s a n d f o r m e r r o r f ro m p r i m a r y s u r f a c e s t r u c t u r e , t o p o g r a p h i e s o f m a n y g ro u n d w o 抑ie c e s u r f a c e s h a v e b e e n f o u n d t o p r e s e n t b ifr a c ta l b e h a v i o r s a t c e r t a i n s c a l e s . t h e c o rn e r l e n g t h s c a l e a t t h e j u n c t i o n o f tw o f r a c t a l : 。 乡 o n s i s t y p i c a l l y a f f e c t e d b y t h e t o o l c o n d i t io n s s u c h a s t h e g r a i n s i z e o f g r i m 面rg w h e e l s , t h e c o n c e p t o f s u r f a c e c o m p o n e n t s a t t h e c o rn e r l e n g t h s c a l e i s p r e s e n t e d a n d t h e i s s u e s a r e e x a m i n e d u s i n g m u l t i - s c a l e a n a l y s i s . t h e e l e m e n t s a r e f o u n d v e r y s e n s i t iv e t o t h e t o o l c o n d i t io n s s u c h a s t h e w h e e l w e a r , a n d h e n c e c a n 切u t i l i z e d t o m o n i t o r t h e 剖n d i n g p r o c e s s . a c o m p o s i t e s u r f a c e m e a s u re m e n t p r o b e , d e s i g n e d f o r咖 c h a r a c t e r i z a t i o n o f e n g i n e e r i n g s u r f a c e s , i s p r e s e n t e d . t h e p r o b e is o f a h y b r id t y p e a n d i s c a p a b l e o f c o n t a c t a n d n o n - c o n t a c t m e a s u r e m e n t m a k i n g i t s u i t a b l e 狄 a w i d e r a n g e o f a p p l i c a t i o n s . i t i n t e g r a t e s a f o c u s - d e t e c t i o n o p t i c a l s y s t e m w i th a s t y l u s - m i r r o r s y s t e m . k e y w o r d s : s u r f a c e to p o g r a p h y , c o m p o s i t e c h a r a c t e r i z a t i o n , w a v e l e t m e t h o d , f r a c t a l t h e o ry , c o m p o s i t e s u r f a c e m e a s u r e m e n t . t h e p 咧e c t a c t iv e s h e a ri n g i n te r f e m m e t ry f o r a c c u r a te m e a s u r e m e n t o f a s p h e r ic s u r f a c e w i th t x rm p o s it e e v a lu a t io n w i th c o n tr ib u t io n p r e s e n t e d 恤t h is d is s e r t a t io n w a s a w a r d e d s b 幼 ie p r i z e 妙n a t io n a l s c ie n c e f o u n d a t i o n c o mm i t t e e o f c h i n a 1 1 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 丈 招一二 二 二 二 巴 韶 胃 圈 结 二 二 二 二 留 i 概论 对表 t 质量的甜求， 推动着表面形貌遥 踌 究的t,断发展。 从二维轮廓截面的澎量评 定， 到定蜜化 三维表面形 貌的测量评定，检测精度fh 徽米尺度到纳米尺度， 表面形貌 精密测 量及特征评定技术，已 成为 发展表面 科学、材 料科学、 生命科学以 及微电 子技 术莎 萝 必须的重要技米， . 01表 百 i$ 貌及 其研 究意 义 材料0 许多重0,物 理、 化学 过 l*首 先发t 在其表t与屑舞 介质之 i-s i 豹边界， 边界 上 的 相 互 作 用 形 成了 具 有 率 富 信 息 的 表 面 微 观 形 貌( 1 ) . 表 面 形 貌 包 含 着 形 状 、 波 纹 度 和 表 面 粗 猫度 等a 杂 的 r息t= % ft m程 表 面 lff 言， 这 些 特vf 信 息是良 奢 几 蛾 加 工、 凭学 加: . 喷镀涂层等不同 的 表i ff 处 理x艺 过稚形成的， 主要体 现表m的 外在特性， 同时 也与表面的a 在特性如硬度、残余iv办，接触r度l化学成份及其物39特性sx 相关 p ,4) 。 制 件 表 形 貌 影响 着它 的 许多 技 术 性能， 如 表iffi 耐 磨 性、 密 封性、 抗疲 劳性、 配 合性 质、 *i 润?.传 热 性. 导电 性 等t s n 1 . 随 着科学 仪器、 微机电 系统、 光电 信息技术的 a速发展， 各i 部门 对零件的 表 面 蟒缝 要 求 越来 越高; 对于 某些x件， 如x射线 光学 元件、 激光器窗口 和舞步辐射器 元件 ， 其 表 面 粗 糙 皮 要 求 e 接 近 原 子 尺 度fa t . 对 表 而 微 观 t, 貌 的 检 测 和 评 定 因 此 越 来 越受到 人 们的 普遍关注。 表涎 形貌中不同 特征 信息的 形成有 复杂的工艺 因素， 对工 件 表 it 功 能 特 性 eq 影 响 也 各 不 相同19 40 1 。 识 别 并 提 取 表 m me 信 息， 并 对 其 溉 行 分 析 评 定 ， 这 不 r 研 究它 与使 用性能关系的 基础， 也 是正 确识别 其 工艺 成因，实施 表碳 质 量会 凌 轰 m重夔依握， 1 . 表 面形 貌fa究 发 展 早 在 本世 i - 十年 m t , f 玩 s h 9提邃 表勇 赓 li r, 特桂 取 决 于 表 百处 理和 表 葱 轮廓的 质凳(3 ) . 在i 业 应 用 领域 ， 人 们 在m 样 上8 注加 工条 件 要 求的 符号， 对 表m 加工 质 摄 进 行分 类 控制孟1 月 . 然时 期 采 用 m 符兮 没有 给斑参 数 和 数 值的 定 量 z工 要 求， 而 只 给w 某 些定 性 的 加 工 要 求 ， 检 测 过 程 基 本 上 还是 依 靠 人 类 视 觉 和 触 觉 来 估 计 和 判断 ， 从 撇 给l e i 定性豹综合评定， 1 9 2 9 年， 德国 的g s c h m a l tz 研制 的 表澎 记 录 仪 标志了 擞 界 上 第，台 触钟 式 轮 廓记 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 .3表面形貌测量方法概述 表面 评 定研究的 发 展与 测量 方法的 进 步 息息 相关， 因 此， 要 准确把 握 表面 评 定 发 展的脉搏: 有必要对表面测量方法作认真的尽顾。 根据测级原理的特征，表面形貌测量方法可分为以下兰类: 触针法、光学法和f -l 描显微镜法。 1 .3 . 1触针式表面测量 触针 法a 称泰勒法， 是一种最 基本的 表 面检澡 曦 方 法。 经过i ff 七十 年it 充分发展， 成为r 际 唯一公 认的 表 面粗糙度测量 标准方法t t .z l 触针 法测魔糟度较高、爱 程大、 m量结果稳定可靠 、 重复性好。 其缺点是: 触针 与被测表面之间的 接触压力可能造成表面的破坏;测童速度较慢，在三维表面测量时 显得尤为突出。 1 .3 . 2光学式表面测是 光学法是指基子光学嚎理的非接触表面形貌测量法， 可分为光波干涉法、散射法 和聚焦探侧法i = 3 l 光波干涉法利 用标 准参考面 和被侧面反 射的 光束 产生 千涉，由 显微镜将被测面的 微观轮廓起伏转换为 放大了的平面干涉条纹， 然后通过测量千涉条纹的相对变形来间 接 完 成 表面 轮 廓的 测盘. 千 涉法 主要 有 相 移羊 涉 仪、 差 分 干 涉 仪 和外 差干 涉 仪三 种128 3 g 图1 = z 所 示 干 涉 仪 由b 5 u n in g 在1 3 : 4 年 研 v r, ， 来自 试矜 表 面 豹 环 光 与 内 部 参 考 表 面 反 射的 光 相 干涉， 干 涉图 案由c c d 阵 列 检 溯。 干 涉条 纹 相 位 变化与 被 侧 表面 形 貌 具 有线tt关系。 散 射法的 测量 原 理是 利 用光 反 射特 性 和 表面 粗 糙 度 之间 的 相 互关 系3 5 d 用实 验 方 法， 娜 工件表面的反射或漫射率 作为另一 种参盘的a数，这些参童有:入射角、反 射 角、 检 测 器的 接收 角、 每 个定 角的 反 射 率 等 等j3 6 ,3 7 j d 聚 焦 探 测法 又称为 光 学 探 针 法， 它 类 似 于 机 械 触 针 法， 将 聚 焦 光 束 代 替 金 刚 石 触 针 ， 然 后 j t不 同 的 光 学 原 理 来 检 测 被 测表 面 形貌 相 对子 聚 焦 光学 系统 的 微小 99 离 变化。 利 用聚 焦探测 原理 进 行表 面 形 貌 测 iff a q 方 法 有多 种， 根 据聚 焦误 差信 号 检 测方 式 fm不同 ， 主要 有傅 料刀口 法、 差分 法 、 光 强 法、 临界 角 法、 象散 法 及偏 a ,光 束 法等x3 5 .3 63 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 c c d阵列 多层涂镀分光镜 mi r a u 千涉仪 被测表面 图卜2相移干涉仪测量原理 图1 - 3 所示差分聚焦探测测量原理。 聚焦镜通过压电 驱动可作垂直移动， 其移动量 由焦点误差信号控制。焦点误差信号变化与被测表面形貌有关. 激光二极管 激光 分光镜 探测器 准直管 压电驱动聚焦镜 图1 一 3聚焦探测测量原理 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 与其他光学技术相比， 利用干涉接收的表面测量仪器具有测量信息直观和测量精 度高等优点。相移技术在干涉形貌测量中的应用，更使干涉技术测量表面形貌的精度 和速度有了 大幅度提高。 光学散射法的 特点测量速度快和仪器结构简单。由 于它测量 的是被测表面的平均特性，故不能给出表面的形貌，属于一种参数测量技术。聚焦探 测技术本质上都是以一很小的聚焦光点入射到被测表面，来模拟机械触针进行测量。 优点是仪器体积小、测量分辨率高、适合于在线测量。缺点是测量范围小，只能测量 较光滑的表面。 大部分光学形貌仪是在 2 0 世纪 8 0 年代后才研制和开发出 来的.与触针式仪器相 比，光学测试仪器具有非接触、测量速度快等优点。主要不足是:对被测表面清洁度 要求较高， 灰尘和油污对其测量结果影响较大; 在测量含有较大倾斜角的轮廓表面时， 会造成信号畸变和失真等. 1 .3 .3扫描显微镜方法 与上述光学仪器不同， 扫描显微镜没有光学物镜，图像的观察不是通过光学镜面， 而是通过计算机图像监视器.有两种类型的扫描显微镜，一种是电子显微镜，包括扫 描电子显微镜s e m、 透射电子显微镜t e m、 扫描透射电子显微镜s t e m等; 另一种是 扫描探测 显微镜， 包括扫 描隧道显 微镜s t m 、 原子力显 微 镜a f m等 1 ,2 1 扫描电子显微镜用聚焦的电子束作为探针，当探针扫描被测表面时，二次电子从 被 测表面 激发出 来， 二次电 子的 强 度与 被测表面形貌有关( a 7 ,a s 1 。 因此， 通过接收 表面 激 发出 的 二 次电 子， 可 得 到 表面 的 扫 描电 子图 像( 图1 - 4 a 所 示 ) 。 这种 方 法的 垂 直分 辨 率和水平分辨率分别为1 0 n m和2 n m a s e m图像采用立体分析技术间接获得，目 前主 要用于对表面形貌的定性分析。此外，s e m需在真空环境下工作，这在一定程度上限 制了它的应用范围。 扫描探测显微镜通过探测样品与探针之间存在的各种相互作用所表现成的不同特 性实现表面形貌测量。 其中原子力显微镜的基本原理是基于探针与样品之间的原于相 互作用力，在一柔性悬臂梁上利用一根很细的 碳化硅探针接近被测表面，当被测表面 横向 移动时，表面高低起伏变化改变了 表面和探针的间 距， 从而改变了两者间的原子 力13 9 1 ， 通 过 纵向 移 动 针 尖 或 样品， 保持 恒定的 原 子力 来测 量 表 面 形 貌( 图1 一所 示 ) 。 其纵向 分辨率可达0 .0 1 r u n ， 横向 分辨率为1 0 r u n 。 但其横向 测量范围 较小， 仅达到1 0 l m . _ _ 一一.州创. 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 压电元件 探 针 图卜4扫 描 隧 道 显 微 镜 ( s ) - 原 子 力 显 微 镜 (a fk 测 量 原 理 ( a ) s t m原理 ; ( b )原理 现有的表面形貌检测方法各有其优缺点和适用的范围，哪一种方法都不可能被另 一种方法所取代。表面测量方法的研究，可从两方面入手:一方面，研究新的测盘方 法，或完善现有的 测量方法， 使它朝着高精度、智能化、方便快捷及面向 生产实际的 方向发展。另一方面， 研究测量方法的互补性，探索复合测量方法，提高表面仪器的 性价比 和应用范围。本文第七章在表面复合传感方面作了研究。 1 .4表面形貌评定方法及研究现状 从本世纪二十年代到现在，表面形貌评定由定性评定发展到定量评定，由二维评 定到三维评定，取得了突破性进展。表面形貌评定主要包括表面特征信息提取和表面 评定参数两部分。对表面特征的准确识别和提取是精确评定的前提。 1 .4 . 1表面形成及功能特性 表 面 的 形 成 机 理 及 其 特征 取决 于 特定的 加 工方 式 和工艺 规范c4 +s z 。 当 加工 一 个零 件时， 用切削工具切削掉金属颗粒，或者用喷九、 轧延的方法迫使表面 变形，于是在 工件上留 下刀印、划伤或压痕等加工痕迹。 用砂轮磨削和单刃刀具切削或其它加工方 式加工的表面各有不同的形成机理，因此加工表面上留下的纹理、沟槽和凹坑的形状 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 丈 各异。例如单刃刀具切削中，刀尖半径和进给量影响垂直于切削方向上的表面轮廓， 形成周期性的走刀痕迹; 切削瘤、刀具振动等因素改变了 切削方向， 又改变了 切削方 向的表面轮廓。这些因素随着切削条件、切削速度、进给量、切削深度以及刀具几何 形状的 变化而变化，形成了 具有随机性的起伏不平的表面。 这反映了 形成机理的随机 性。 在表面特性研究的 领域内， 相对地说，关于表面功能特性方面的研究较为薄弱， 因为它牵扯到很多学科和技术领域4 3 4 另一种是轮廓算术 平均中线，由该线划分轮廓，使该线与上下两边轮廓包围的面积相等。 2 .包络线 制: 包 络线 制是以 包络线为基 础的 基准 确定方 法【5 1 , 2 。 一定半径的圆 沿 被测轮廓滚动， 滚圆的圆心所描轨迹曲线称为包络线。 包络线能反映表面实际 接触情况:能直接获得滤了波的粗糙度轮廓。缺点是滚圆的选取十分困难。 2滤波法 现有的 a波方式 包 括机械滤波、电 子滤波 和数字滤波1 5 3 -5 7 , 6 0 -6 4 1 。 早 期的 低通模 拟 滤波器采用卷积运算或傅立叶变换削减高频信号，分离表面元素， 其结构和算法均较 为简单。 但是， 滤波器的非线性相移可能造成表面轮廓形状的严重畸变。 1 3 .3 . wh i t e h o u s e 注意到这一现象，首先提出了 相位校正滤波器的概念及方法，但因计算徽太大，未能 得到实际 应 用(2 ) 。 数字滤波器的 传输特性准 确、 稳定， 相 位不易 失真， 且易于 进行 编 程 处 理。 j . r a j a 等 对 表 面轮 廓的 数 字滤 波技 术 进 行了 深 入 研究， 设 计 并比 较了 几 种不 同 数字 滤波器的 性能12 48 1 。 为了 不改变表面的 形状， 滤波器必 须是线性的 或零相位的， 同时要求光滑的截止转换，以 避免边缘衰减。 高 斯 滤 波 器 在 表 面 滤 波中 用得 较为 广 泛， 它 是 一 种零 相 移 滤 波 方 法48 , 7 l针 对高 斯滤波效率较低的缺陷， 提出了多种快速算法，如将快速傅立叶算法引入高斯滤波; 用三角函 数与一系列矩形函 数模拟高斯冲激响 应: 用两阶b u t t e r w o r t h 高通滤波器模拟 高斯滤波的转换特性以 提高运算速度。当 表面具有偏斜的幅度分布时，高斯滤波器的 效果不太理想。 小波分析由于其时域和频域良 好的局部化性质，适于观察分析信号的任意细节， 成 为 优于 传 统 频 域 傅 里 叶 分 析的 数 据处 理 和分 析 工 具6 4 .6 5 .6 7 1 . 近 年 来， 小 波 技术已 开 始用于工程表面形貌评定分析，如将小波用于表面形貌评定基准确定等。通过对表面 形貌信号遂步分解， 并选取适当的分界频率对此信号重构， 可以 精确确定理想的评定 基准。小波基准具有光滑自 然，且对二维表面和三维表面的处理同样方便等优点。目 前在小 波基选择、 分界频率选取等问 题还有待研究. 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 3mo 柱 f 法 基于滚圆的艺系统被早期用子由 包络计算轮廓基准线，因实现起来存在问 题， 未 被 采 用协 周。 另 一 包 络方 法 就是枷曦方法， 它 源于 法国 汽车 业 使用 二十 余 年的 图 形 化表面评定实用方法蛋 ， 卜 钧 。它已 被国际标准玲 01 加8 5 一 1 9 9 6 所采纳。m o 成方法基于 原始轮廓的包络线， 利用合并准则选取重要轮廓特征，分离粗糙度和波纹等表面特征 信 息。 m o tif方法采用7 个参数描 述粗糙度和波纹度。 其中2 个高度 参数 和1 个间 距参 数用于粗糙度评定， 3 个高度参数和1 个间距参数用于波纹度评定， m 。 盯方法是中线 制系统的有效补充，它特别适用于表面功能由 轮廓峰点支配的工件， 如轧制、 密封、 电 接 触、 滑 动 润滑 表 面 等仍 韶 气 上 4 3表面评定参数 表面微观不平度即有高度方向的 特性，也有间距方向的特性，同一零件往往同时 有 几 种 功能 的 要 求， 这 样 就 使 表 面 粗 糙度参 数的 类 型 和 数 量较 多柳 明 。 在现行国标和国际 标准中 规定的表面轮廓参数大致可 分为三类，其中幅度参数 27 个，用来描途表面高度的统计特性、 极值特性和高度分布特性。 如轮廓算术平均偏差 凡、 轮 廓 均方 根 偏 差风、 微 观 不平 度 十点 高 度凡和轮 廓 最大 高 度凡等; 空间 参 数3 个， 描 述 表 面 间 距 特 性 。 包 括 轮 廓 均 方 根 波 长 丙 ， 轮 廓 微 观 不 平 度 的 平 均 间 距凡、 轮 廓的 单峰平均间距5 ; 综合参数12个， 用来综合反映表面轮 廓的形状特性。 这些参数有助 于把 轮廓波 形的 幅 度和间 距差别 不大， 但形状 并不相同的 表 面特征区别开 来淞94 阁， 现有的三维表面评定 参数基本是仿照二维参数的定义提出的。 kj ， 5 七 o u t 等提出的 拼个 三 维 表 面 参 数 可 分 为4 类， 幅 度 参 数， 如表 面 均 方 根 偏 差凡; 空间 参 数， 如 最 小 自 相 关 长 度匀; 综 合 参 数 ， 如 表 面 均 方 根 斜 率气; 功 能 参 数， 包 括 表 面 支 承 指 标备、 核 心 区 含 油 指 标凡私 谷 区 含 油 指 标凡， 以 一侧。 分形几何为解决表面评定中的复杂问 题开辟了一条新的途径，分形维数属子表面 测度相似性的测童参数，它的大小能反映出表面粗糙度水平。 近年来，己有一些基于 分形几何的分析方法在工程表面评定中得到了应用， 如b 怕 叨 的r 肚 c h 钾 仪 k 和尺度法， m aj 明橱 等 修正 的w m盛 数， 2 上 o u 等 研究的 分形 结 构涵 数脚 匆 均 。 分形评定提供了 统计评定的补充方法，己取得一些成果， 俱也存在一些不足， 如 与传统的分析、评判体系无联系，而作为能够完全描述粗糙表面形貌的参数之一，它 应和传统的表面猜度有着某种内 在联系，以体现出 科学发展的 延续性。 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 .4 .4表面评定研究现状 纵观当 今表面计量学领域， 表面形貌评定技术有了许多新的重要发展，但也存在 一些有待完善和加强的地方，主要表现在以下几个方面: 1 .对表面评定的 研究主要集中在粗糙度方面， 对其它表面特征的 研究基本停留 在 定性描述阶段。 2 .强调评定参数的 研究，而对表面特征提取技术研究较少。 3 .表面的功能特征研究较为薄弱， 很多 文献仅仅指出 这一问 题的重要性， 而很少 见到具体的研究成果。 这一问题的解决， 涉及到很多学科和领域。因此， 这一 方面研究的每一点探索和进步，就显得尤为重要. 1 . 5课题来源、本文的主要工作及创新 1 .5 . 1课题来源 工 程 表 面 的 功 能 受 多 种 表 面 特 征 的 影 响 。 如工 程 表 面 的 磨 损 率 是由 表 面 粗 糙 度、 波 纹 度 及 轮 廓 特 征 如 随 机 的 峰 和 谷、 沟 和 脉 等 综 合 确 定 的 。 汽 车 上的 冷 轧 薄 钢 板 表 面 涂层 外 观和 质 量 受 表 面 波 纹和 峰点 分 布等多 种 表面 特 征 影响。 生 物工 程 表面如 人工 关 节 球头， 其 表 面 质 量 与 纹 理结 构 特征 有很 大的 关系。 这些 表面的 功能 特 性 难以 用单一 的 特 征 参 数 描 述。 因 此， 对 表面 特征 信号 综合 分 析， 对 表面 实 施复 合评 定 是很有 必要 的. 小 波分析由 子 其时 域和 频域良 好的局部化性质， 适于观察分析 信号的任意细节， 成为 优于 传 统 频 域 傅 里 叶 分 析的 数据 处 理 和分 析工 具。 分 形 理 论可以 用 简单的 参 数描 述曲 线的 复 杂 程 度， 许 多 方 面 的 应 用研究己 显 示出 分 形 几 何的 一 些 效果 和 作 用。 而 且， 人 们 越来 越 认 识到 小 波 和分 形 存在的 密 切联 系， 综 合 应 用 两 种方法 分 析 工 程应 用问 题 是 可 行 的 近 年 来， 小 波、 分 形、 统 计 分 析 理 论， 已 被 用 于 表 面 形 貌的 评 定 ， 并 取 得 一 定 成 果 113 5 ,1 3 6 , 15 1-1s n o 但 以 三 者 结 合 为 基 础 ， 综 合 应 用 子 表 面 形 状 及 形 貌 复 杂 情 况 的 分 析 的 拿 合 评 定 理 论与 方 法 ， 尚 未 见 报 道。 鉴 于 上 述 情 况 ， 考 虑 到 表 面 形 貌 评 定的 重 要 性 及 国 内 外 相 关 研 究 现 状 及 发 展 趋 势， 华中 科技 大学 精密 测试 研究中 心申 报了 有关表面 形 貌复 合评定 理论 与方法的 研究 项 目。 一 勺 一明 一 月 一一.， 一一阳. 一.一一口 一一 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 .5 .2本文主要工作与创新 几年来，作者对表面形貌复合评定理论与方法进行了 系统的 研究，主要研究内 容 及创新点如下: 1 .系统研究了 表面形貌复合评定方法。针对具有随机性、多尺度性及自 相似等特 性的工程表面形貌，探索综合运用小波理论及分形几何的可行性。首次提出表 面复合评定包括三个复合:方法复合，尺度复合以 及功能复合。方法复合是小 波、分形及统计方法的复合运用。尺度复合是对表面形貌的多尺度特征评定。 功能复合是结合功能信息的表面特征提取技术。 2 .研究了 表面形貌多尺度功能滤波方法。根据表面功能要求，提取对这些功能特 性有主要影响的表面多尺度特征信号分量。提出针对平台街磨表面，利用表面 支承曲线的拟合直线斜率，控制表面多尺度分解尺度，将平台巧磨表面的峰顶 部分和谷底部分分离，实现对粗布加工过程及细晰过程的分别量化评定. 这一 研究结果己 应用于下一代汽车动力系设计。 3 研究建立了 一种表面特征提取分形变焦方法，用来综合提取工程表面形貌特征 信息分量。 许多工程表面具有统计自 相似等分形特性， 针对这种分形工程表面， 提出一种基于小波的表面特征模型;利用小波的变焦特性，观察和分析不同尺 度下的工程表面形貌;采用分形维方法，确定特征信息的小波分量尺度，综合 提取表面形貌特征信息。 4 研究了表面多重分形谱区转折尺度的物理意义，提出针对二重分形磨削表面， 重构转折尺度信息分量， 用于磨削过程的动态分析。在研究磨削表面多重分形 特性的基础上，通过多尺度分析，并根据标度律分析重构转折尺度表面形貌信 息，发现双分形磨削表面的转折尺度对应的表面信号分量对磨削过程中砂轮状 态非常敏感。 5 .研究了表面微观形貌复合传感技术。针对表面形貌接触测量技术和非接触测量 技术性能互补性，在深入研究已 有非接触测量方法，特别是聚焦探测式光学方 法的性能、特点的基础上，将两种测量技术融合在一起，设计了一种新型的复 合式测量传感器及实验系统， 解决单一测量方式的不准确性和测量范围的 局限 性，在高性价比前提下完成对表面微观形貌的复合式精密检测。 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 丈 1 .5 .3本文研究受到下列基金资助 1 . 国 家自 然科学基金项目 “ 主动剪切干涉非球面精密测量及复合评定” (a c ti v e s h e a r i n g i n t e r f e r o m e t r y f o r a c c u r a t e m e a s u r e m e n t o f a s p h e r i c s u r f a c e w i t h c o m p o s i t e e v a l u a t io n , 批 准 号: 5 9 9 7 5 0 3 5 ) . 2 . 国 家自 然 科 学 基 金 杰出 育 年科 学 基金 “ 微纳 米 表 面 形 貌 功能 评 定 研究 ” ( 批 准号: 5 0 0 2 5 5 1 4 ) 0 3武 汉市 青年 科 技 晨光 计划“ 表面 形 貌复 合式 纳 米测量 及 尺度 分形评定 ” 倾 目 编 号:2 0 0 1 5 0 0 5 0 3 叼。 4 .美国 “ 两用科技，研究项目 “ 微系统计量在下一代汽车动力系设计中的应用研究，、 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 2 表面形貌多尺度功能滤波技术 为了控制、改善和合理应用表面功能特性，需要研究了 解表面形貌与其功能特性 之间的内 在联系。为此，猫要提取表面形貌中 与表面功能表现相关的功能特征信息。 传统上将表面 特征信号分为形状误差、波纹度和表面粗糙度，这种分类方法强调了 表 面 形 成的 工艺 因 素 特征， 而忽 略了 表面形 貌 对功能 特性的 影 响1 22 3 ,23 0 1 。 事 实上， 随 机 性和多尺度性是表面形貌的基本特性，不同频带的分量信息对应着不同的表面功能特 性。因此，有必要研究表面形貌多尺度功能滤波技术。 本章从工程应用角度出发，首先对基子统计理论的表面特征提取方法作了论述， 研究了 它们的 优点和局限 性。 这些方法是本文研究的基础。 接着论述采用小波分析技 术的表面形貌特征提取数学模型，以 及多尺度功能滤波技术，并对典型工程表面进行 了分析验证。 2 . 1表面形貌特征提取数学模型 因 表面制备工艺过程复杂性， 表面形貌中交叠了不同工艺过程in素形成的特征信 号分量，同时混杂着各种偶然因素包括仪器测量时带入的噪声 信号。 表面形貌特征提 取的目 的就是识别和提取那些与工艺过程和功能特性相关的特征信息。粗略而言，表 面形貌评定包括三个基本环节，即表面形貌数据采集、表面特征信息提取、表面形貌 评定参数， 如图2 - 1 所示。 其中， 对表面特征信息的 准确提取是正确计算表徽参数及进 行功能评定的重要前提。 特征提取的目 的，就是要根据工程应用需要，采用合适的特 征提取模型， 将这些具备不同 频率特征的误差信息分开，以 便准确地进行表面形貌功 能特性评定。 制造工艺过程设计、优化 表面制备f - i h表面形貌测l t 表面形貌 特征提取 表面形貌 评定参数 性能预测 图2 一 i表面形貌评定过程 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 表面特征提取数学模型的建立可采用两类方法: 1 )根 据 概 率 统 计 理 论 建 立 数学 拟 合 模型 。 采用 某 类特 殊曲 线， 如 多 项式 函 数曲 线， 拟合表面形状，拟合残余误差即原始表面与拟合表面之间的误差信息即为表面 粗糙度信息; 2 )根据随 机过 程理论 建立滤 波数学模型. 与 表面 拟合方法不同， 数字滤波方法不 必将表面形貌假设为某一具体函数，而是直接在频域内 进行分解， 得到表面形 貌各种频率分量。 2 . 1 . 1拟合模型 考虑到互换性和标准化， 工件表面总是具有某种特殊形状。 这就为表面形貌特征 提取中采用特殊函数曲线拟合被测表面提供了可能。一般而言，拟合曲线必须满足: 可用某一数学函数表达:函数曲 线自 然光滑;曲 线具有表面几何形状并与表面或表面 轮廓在空间域走向一致。 对于 平 面 二维 轮 廓， 可 采 用 最小 二 乘中 线 拟 合 模型。 给定 表 面 轮 廓z (x ) ， 采用 最 小 二乘中 线拟合表面轮廓， 设其方程