研磨表面微观形貌的三维检测及Areal表征

1、第卷第期年月机械设计与研究，文章编号：（）研磨表面微观形貌的三维检测及表征陈国强。张维强。彭文静（湖南工程学院工程训练中心，湖南湘潭，：；南京农业大学工学院，南京）摘要：介绍了三维表面微观形貌的检测方法，分析了采用高斯滤波提取基准中面的原理，针对研磨表面形貌的表征选取了一组表征参数。运用原子力显微镜（）扫描研磨工件的表面，采用高斯滤波提取基准中面进而分离出表面微观形貌的三维信息，在此基础上计算出表征参数值。试验表明研磨表面微观形貌呈现高斯分布规律，采用高斯滤波方法及所选的表征参数能够有效地表征研磨表面的三维微观形貌。关键词：微观形貌；表征；原子力显微镜；高斯滤波中图分类号：文献标识码：（，；，

2、）：，（）￥，鹊眦，：；随着生产和科学技术的迅猛发展，对零件产品的加工精度和表面粗糙度的要求越来越高，包括研磨在内的一些光整加工方法得到了迅速发展，使得对件表面形貌的精确检测及表征日益重要和突出。由于表面形状是三维空间分布的，二维的测量与表征并不能完全反映表面形貌的真实特征。随着近年来检测技术的发展及计算能力、图象处理技术和数值处理技术的大大提高，使得表面形貌的评定方法已从单一的二维形状误差、波纹度、表面粗糙度的分离评估，逐步向三维表面形貌的综合表征和评定转变。准确的检测和科学的评定精密表面的三维微观形貌对于精密工艺的发展及工件表面质量和性能的提高具有指导意义。学探针法、干涉显微镜法、白光相移

3、干涉法、扫描电子显微镜（）、光子隧道显微镜（）、扫描探针显微镜等。触针式轮廓仪是最广泛使用的接触式测量仪，它一般采用金刚石探针扫描被测表面，但其探针常常会划伤被测表面；光学散射法具有测量速度快和仪器结构简单等优点，但它测量的是被测表面的平均特性，不能给出表面的形貌，属于一种参数测量技术；光学探针法的种类较多，但一般误差较大；干涉显微镜具有表面信息直观和测量精度高等优点，缺点是在表面形貌上陡峭的斜坡产生的干涉条纹很细很密，以至于用面阵难以探测和分辨；白光相移干涉法的优点在于可测量范围大，可以实现从纳米级到毫米级的测量，但不适合现场测量；扫描电子显微镜（）需在真空环境下工作。扫描探针显微镜（）是最

4、重要的纳米微粒粒径和表面形貌检测仪器，原子力显微镜（）是中的重要一员旧。原子力显微镜可使测量精度达到纳米级，可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水和其它溶液中，不需要特别的制样技术，并且探测过程对样品几乎无损伤，因而近来应用越来越广泛，是测量表面粗糙度和观察表面三维形貌的理想仪器。表面微观形貌的三维检测表面三维形貌检测是获取零件表面形态特征的一种重要手段，检测的精度决定着特征参数评判的可靠程度。微观形貌测量通常是指在表面粗糙度及波度范围内的形貌检测，表面微观形貌的测量方法可分为接触式和非接触式两大类。接触式主要有触针式轮廓仪，非接触式方法包括光学散射法、光收稿日期：一儿一机械

5、设计与研究第卷表面微观形貌的表征研究表面微观形貌的表征方法随着测量精度、计算机技术、数字图象处理技术以及数据处理能力的不断提高，三维微观形貌分析进入了一个崭新的阶段，目前出现了基准参数法、法、分形法、小波分析、法等多种三维表征方法。当前国际上研究最热的是表征，它是由二维轮廓法延伸出来的维面域表征，是基于形貌中面的三维粗糙度评价方法。年欧共体资助的由英国伯明翰大学承担的大型表面计量研究项目项目开发定义了一套基本的三维表面粗糙度标准参数（）体系，将三维表征参数分为四大类，第一次系统全面的提出了表征参数体系。在年也提出了标准草案”，介绍了表征的参数，与参数体系基本相同。由于标准体系的规范性和统一性高

6、度，表征具有最大的可能成为新的国际标准，国际上众多的维表征研究都是基于此体系展开的，表征具有巨大的研究价值和应用前景。表征基准中面的高斯滤波确定合理准确的确定基准中面决定着表征参数值的准确与否。表面滤波是对表明形貌直接在频域内进行分解，生成的基准轮廓连续变化，可实现与表面原始形貌的良好匹配。随机理论引入表面评定后，表面被假设为一种正态随机过程，所以用高斯函数作为权函数的高斯滤波器得到广泛有效的应用，并于年被制定为国际标准”。定义八算，）为三维表面测量轮廓，假设，（石，）（聋，）（石，）（）选取适当的截止频率，则。（茗，）包含三维表面测萤轮廓的形状和波度误差，可以将其作为表面粗糙度评定的基准面，

7、：（髫，）则为表面粗糙度轮廓。因此，三维表面粗糙度评定基准面可以采用将测量原始轮廓数据通过一个二维低通高斯滤波器（省，）的方法得到”，见下式：。（髫，）厂（茗，）（戈，）（）定义为三维离散采样数据，。，为高斯评定基准面，则”；：¨（）其中：，；，一；腑，分别为数据采样点数；，：【，（蓑）一丌（卷）】；（）高斯滤波为零相移滤波，时频窗面积最小，是一种理想的通用滤波方法。研磨表面的三维形貌表征参数选取由于三维表征比二维表征更为复杂，导致出现了大量的表征参数，使得三维表征参数体系相当繁杂。文献参考现有的参数体系，基于数鼍要少、算法简单、易于被理解接受和进行推广的原则，按照各参数的表征效果从

8、主到辅建立了一个表征参数选取的体系。对于高精密的研磨表面，天津大学的李成贵等已经通过试验研究表面表面纹理方向并不是很明显，其等方性较好，故使用空间参数表征效果并不明显。考虑到与传统检测方法的衔接，在此选取表面三个主要幅度参数及三个功能参数对研磨表明进行表征，另外由于表面的均方根斜率是目前国内外三维测馈和表征中使用最普遍的参数，其表征效果得到了广泛认可故也选其作为研磨表面的表征参数，对各参数一。分析如下：（）表面的均方根偏差曲：这是一个统计幅度参数，定义为在采样区域内，表面偏离基准面的均方根值。其数学式为：式中：肘、为在采样区域内戈向和向的离散采样点数；跞蕊（）（，）为表面的偏离高度（下同）。（

9、）表面高度分布的偏斜度“指表面偏差相对于基准表面的对称性的度量，表达式如下：肘止志；文铂乃），（）若表面高度对称分布，则偏斜度为零，否则，如果表面的分布在低于基准面的一边有大的“尖峰”，则硅；相反，表面的分布在基准面之上有大的“尖峰”，则。（）表面高度分度的峭度既：这个参数描述形貌高度分布的形状，是形貌高度分布的峰度和峭度的度量，由下式给出：吖志；瓤扎乃）（）高斯表面的峭度为，形貌高度分布集中在中心的表面，而一个分散的高度分布表面其“。综合使用和。两个参数，就可以识别磨削表面的稳定性，因为其涉及到顶部的平坦同时也包含深的谷底。通常用来评定机加工表面，有时能很明确的控制表面抗压强度¨“

10、。（）表面支承指数“它定义为均方根偏差对支承面积为时的表面高度的比率，即：÷（）式中：仉惦为的支承面积的表面高度；。为支承面积为时表面支承指数的倒数，表面支承指数值越大，表明支承性能好；一般地，。，对于高斯表面的“约为；对于大多数丁程表面，这个指数在之间¨“。（）中心液体滞留指数“该参数反映在表面的中心区域液体滞留的性能，它被定义为在中心区域每单位面积上的空体体积对表面均方根（）偏差的比率。即：一上生血！立二匕堕！。“一。（）（一）、一一、式中：（。仍）、（。）分别表示支承面积为和时的表面形貌空体体积，。大表明表面中心区域的液体滞留性能好，对于高斯表面，。约为¨。

11、（）谷区液体滞留指数，：表示表面在低谷区域液体的滞留性能，它被定义为在谷区内每单位面积上的空体体积对偏差的比率：。专面音（）。数值越大，则表明表面在谷区内的液体滞留能力强，对于高斯表面，。的典型值约为。第期陈冈强等：研磨表面微观形貌的三维检测及表征（）表面的均方根斜率由：表不采样区域内表面斜翠却而了女矿可窆薹【（丛生盟掣）（堕垫丝掣）】数来准确判断研磨表面的质量。对采样形貌的分析与处理的值，对于离散表面司表不为：（，）对研磨表面的三维检测及表征实验研究采用对研磨表面形貌的三维检测本试验运用原子力显微镜扫描四组不同精度的研磨工从以上参数值可以看出，如果不对原始表面进行处理而直接计算，其参数值很不

12、稳定，规律性不明显，较难从这些参件样块，采样域面积为×，其、值均为，得到表面三维形貌如图所示：图为分离前粗糙度高度分布柱状图，清楚的表明表面高度呈现高斯分布特征，故采用高斯滤波方法进行分析，将表面进行重构并进行高斯滤波处理。当选取的截止频率越小时，基准面图形越平坦，若截止频率越大则图形轮廓越复杂，比较发现选取截止频率范围为较为合适，得到各表面评定基准面如图所示。图，为精度较低表面；，为精度较高表面（后同）图研磨表面维形貌图为了进行直观的分析比较。先对扫描结果进行直接计算，其表征参数值如表所示：表工件研磨工件原始表面三维表征参数值“。由图分离前粗糙度高度分布柱状图一图表面三维形貌高斯基

13、准面 机械设计与研究第卷图分离后的粗糙度形貌对原始三维形貌与高斯基准面进行高度求差运算，得到微观表面粗糙度形貌如图所示：根据以上分析及相关公式计算出粗糙度表面参数值如表所示。表分离后研磨工件表面粗糙度表征参数值工件参考文献：纠由梁嵘，李达成。曹芒，等表面微观形貌测量及其参数评定的发展趋势光学技术，：白春礼扫描隧道显微术及其应用上海：上海科学技术出版社，扭一一“。；川。一，。：¨：（）一，：。纠从表可以看出，、与、表面的幅度参数值和综合参数随表面精度的变化比较明显，功能参数值变化相对比较平稳。、表面的。值明显较小，止均为负值，而且值远大于，。值接近，值接近，。值接近，表明、的表面精度明

14、显更高及其高度分布具有高斯正态分布的规律。引￥：锄曾文涵，高咏生，谢铁邦，等三维表面粗糙度高斯滤波快速算法计量学报，（）：一陈国强基于标准体系的表面微观形貌三维表征研究南京：南京农业大学工学院，李成贵，张国雄袁长良三维表面粗糙度的等方性评定机械下程学报，。（）：一，川¨结论川以上运用原子力显微镜对研瓣工件的表面微观形貌进行扫描，并选取一组表征参数对所测表面的三维形貌进行了表征，试验得到如下结论：（）使用高斯滤波方法能够准确得到表面的表征基准中面；（）研磨工件表面的粗糙度幅度分布随着加工精度的提高明显呈现高斯分布规律，表明高斯滤波方法在精密表面表征中有着很广阔的应用前景；（）表征的幅度

15、参数和综合参数如随着研磨表面形貌变化的反应敏感，功能参数相对比较平稳，综合以上参数可以有效地对研磨表面的三维彤貌进行定量表征。一一（），（）：互李成贵董申维表面微观形貌的表征参数和方法宇航计测技术，：三 ，：李成贵，董申三维表面微观形貌的表征趋势中国机械工程，（）：作者简介：陈国强（一），湖南湘乡人，助教，硕士，主要研究方向为机械设计及理论、机电液集成控制技术。 研磨表面微观形貌的三维检测及Areal表征作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期：陈国强， 张维强， 彭文静， CHEN Guo-qiang， ZHANG Wei-qiang， PENG Wen-jing陈国强,彭文静,CHEN

16、Guo-qiang,PENG Wen-jing(湖南工程学院,工程训练中心,湖南,湘潭,411104 ， 张维强,ZHANG Wei-qiang(南京农业大学,工学院,南京,210031机械设计与研究MACHINE DESIGN & RESEARCH2009,25(2参考文献(12条1. 李成贵;董申 三维表面微观形貌的表征趋势期刊论文-中国机械工程 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. 李成贵;张国雄;袁长良 三维表面粗糙度的等方性评定期刊论文-机械工程学报 1999(015. 陈国强 基于GPS标准体系的表面微观形貌三维表征研究 20076. 曾文涵;高咏生;谢铁邦 三维表面粗糙度高斯滤波快速算法期刊论文-计量学报 2003(017. Stout K J The Development of Methods for the Characterization of Roughhess in Three Dimensions19938. IS0 11562-1996.Ge