表面纹理方向性研究.docx
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表面纹理方向性研究
表面纹理的方向性研究
摘要
表面形貌提供了重要的表面信息,同时对表面的摩擦、润滑特性有重要影响。
从以往的三维表面形貌的研究中可以发现以下特点:
对表面形貌的幅度方向表征较多,而对表面空间方向性表征不够。
因此,三维表面形貌的表征有待完善,表面形貌对润滑性能、流体承载力的影响等问题还需要进一步的分析和研究。
本文着重研究表面的纹理方向性,采用边缘检测方法,通过边缘图像实现表面形貌的纹理表征,用图像的方式直观地给出;同时研究表面功能与表面形貌的关系,采用表面粗糙度均方根和表面纹理方向两个参数分别表征表面幅度和空间两方面的特征,采用与平均流量模型的方法,研究表面的润滑性能;得出了表面纹理角度、粗糙度均方根等对表面润滑性能、流体承载力及润滑性能的影响,实现了表面形貌与表面功能间的联系。
关键词:
表面形貌;纹理方向角度;边缘检测;平均流量模型
DirectionAnalysisofSurfaceTexture
Abstract
Surfacetopographyofthesurfaceprovidesanimportantinformation,whileonthesurfaceoffriction,lubricationofamajorinfluence.Fromthepreviousthree-dimensionalsurfaceofthestudycanbefoundinthefollowingcharacteristics:
thesurfaceofthedirectionoftherateofmorecharacterization,andthedirectionofthesurfacecharacterizationofinadequatespace.Therefore,thecharacterizationofthree-dimensionalsurfacetobeperfect,onthesurfaceoflubricationperformance,theimpactoffluidcarryingcapacityandotherissuesneedfurtheranalysisandresearch.
Thisarticlefocusesonsurfacetexturedirection,usingedgedetectionmethods,toachievethroughtheedgeimageofthesurfacetexturecharacterizedbyvisualimagetogivewayatthesametimeonsurfacefeaturesandsurfaceoftherelationshipbetweentheuseoftheroot-mean-squatdeviation(σ)andsurfacetexturetwoparameterswerecharacterizedsurfacemagnitudeandspatialcharacteristicsofthetwoareas,withanaverageflowmodelusingthemethodtostudythesurfaceoflubricatingproperties;cometothesurfacetextureperspective,theroot-mean-squatdeviation(σ),andsoonLubricationofthesurface,fluidcapacityandperformanceoflubrication,andthesurfacetopographyandthelinkbetweensurfacefeatures.
Keywords:
Three-dimensionalsurfacetopography;Texturedirectionangle;Edgedetection;Averageflowmodel
表格清单
表2-1Robert算子模板………………………………………………………………………5
表2-2Sobel算子模板…………………………………………………………………………5
表2-3Prewitt算子模板………………………………………………………………………6
表2-4Log算子模板…………………………………………………………………………6
插图清单
图2-1纹理方向角度的定义…………………………………………………………………7
图2-2各种单向纹理模拟表面………………………………………………………………8
图2-3各种交叉纹理模拟表面………………………………………………………………9
图2-4圆环纹理表面…………………………………………………………………………9
图2-5模拟表面边缘检测结果……………………………………………………………10
图2-6WYKO轮廓仪测量得到的实际表面灰度图像……………………………………11
图2-7实际表面边缘图像…………………………………………………………………13
图3-1两摩擦副表面之间的接触状态……………………………………………………14
图3-2模拟缸套-活塞环模型………………………………………………………………16
图3-3单向纹理表面流体承载力随θ、σ、h0的变化曲线………………………………18
图3-4交叉纹理表面流体承载力随β、σ、h0的变化曲线……………………………20
第一章绪论
1.1三维表面形貌的现状及表征方法
表面形貌是指零件在加工过程中诸多因素综合作用而残留于零件表面的各种不同形状和尺寸的微观几何形态[1]。
表面形貌不仅直接影响零件的耐磨性、耐腐蚀性和密封性等,而且零件装配后对设备的整体工作性能、使用寿命、振动和噪声等有很大影响。
表面形貌提供了重要的表面信息,同时对表面的摩擦、润滑特性有重要影响,所以,有关表面形貌的研究是一项具有重要意义的课题。
表面形貌极大的影响着表面的使用性能,表面形貌评定的核心是在于对特征信号的无失真提取和对使用性能的定量描述[2]。
表面形貌的研究始于二维轮廓的分析,而三维的定量研究,首先是测量表面仪器的出现。
上世纪70年代,三维表面测量仪器的出现和发展,人们开始对三维表面进行研究。
直到上世纪八十年代,单板机的出现,国内外在学术研究上又掀起了三维分析的新高潮,如W.R.Devise、T.Tsukada、EC.Teague、L.De.Chiffre等;国内有国家计量院、西安交通大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学等,大多在二维轮廓仪测量原理的基础之上,加一纵向导轨,再配上计算机构成三维轮廓测量仪[3]。
随着光学、电子测量仪器的出现,测量精度不断提高,计算机技术以及数字图像处理技术和数据处理能力不断提高,使三维微观形貌分析进入一个崭新的阶段。
近年来,新的数学方法如分形、小波等都被很好地应用于表面表征。
总体来说,三维领域表面形貌的表征评定方法主要有:
基准参数法、Motif法、分形法、小波分析法。
1、基准参数法
该方法是通过测量得到的表面数据,采用参数来定量描述,参数的计算得有一个评定基准。
二维轮廓的参数采用中线作为基准,对于三维表面,就需要一个评定基准面。
因为实际表面本身是被测量的对象,不能将其作为基准面,而设计的几何表面又是理想表面,其具体位置也不太清楚,所以要用某个给定面来体现基准面,要求它不仅具有几何表面的形状、方位,而且和实际表面在空间上走向一致。
此表面可用数学方法来确定,如最小二乘多项式拟合法、滤波法等。
(1)最小二乘多项式法:
将被测表面表示为一多项式函数,利用最小二乘原理确定多项式系数,从而给出评定基准。
这种基准表面确定方法是对表面低频信号的一种近视拟合,受函数形式和多项式阶次的限制,这种方法对于二维轮廓评定较为简单实用,却不适合用于三维功能的评定。
(2)滤波法:
在频域内直接对被测表面原始信号进行分解,生成基准轮廓。
要求滤波器必须是线性的和零相位的;同时要求光滑的截止转化以避免振荡效应。
常用于定义基准表面的两个零相位数字滤波器是:
区域滤波器和高斯滤波器。
但是,高斯滤波器有两个前提条件:
不相关的形状误差和转换误差已消除;表面微观形貌由不同波长的谐波叠加而成。
因此,三维表面的中平面评定基准的确定比二维轮廓的中线制基准麻烦得多,以上评定基准都是在相应二维轮廓评定基准的一种延伸,在三维表面形貌的评定中需要有新的方法来确定更能体现表面形状相一致的评定基准。
在以上评定基准面确定以后,可以采用参数来定量表征三维表面形貌的幅度特征、空间特征、功能特性等。
W.P.Dong[4-5]等采用最小均方根平面作为评定基准,开发了一组评定三维表面形貌的参数,该参数体系分为四类:
幅度参数、空间参数、综合参数和功能参数。
幅度参数是在对应的二维参数基础上的扩展,表征表面高度的统计特性、极值特性和高度分布的形状特征,包括表面粗糙度的均方根偏差、表面十点高度、表面高度分布的偏态、峰态。
空间参数用于评定三维表面的纹理及其分布,包括最快衰减自相关长度、表面峰顶密度、表面结构形状比和表面纹理方向。
综合参数是基于幅度和空间两方面信息的综合,对表面特性进行数字定义,包括表面均方根斜率、算术平均顶点曲率和展开界面面积比。
功能参数包括表面支承指数、中心液体滞留指数、谷区液体滞留指数三个指数和实体体积、中心区液体体积和谷区液体体积三个体积参数。
将表面分成峰区、中心区和谷区三个部分对表面功能进行评定。
形成了一个(14+3)参数体系的参考标准,避免重返二维参数的混乱状态。
但是这个参数体系是建立在表面最小均方根基准面的基础上,对于三维表面求取过于复杂,而且这种基准本身就不能很好的和实际表面形貌相一致,所得参数就存在一定的误差,仅仅在欧共体范围内推广,没有形成统一的国际标准。
2、Motif法
工程表面的粗糙度和波纹度之间一直没有明确的界限,而它们的产生原因及对零件表面性能的影响却不同。
Motif法是从表面原始信息出发,通过预先设置的不同阈值将波纹度和表面粗糙度分离,强调大的轮廓峰和谷对功能的影响,在评定中选择重要的轮廓特征,忽略不重要的特征[2]。
但二维Motif同样对三维表面形貌不能很好地反应,三维Motif目前还没有统一的定义和评定参数。
Pawl[6]等人将表面形貌看作峰、谷两种基本组成成分,分别对峰和谷定义,采用变化树理论表达峰和谷间的联系,给出了变化树的11个简化准则,提出谷对表面连通性有极大的作用。
二维Motif法存在一些缺陷,首先各向异性表面在不同方向上测量得到的二维轮廓不同;不同表面的宽度阈值没有统一的标准;它的四个合并准则也是多年的经验总结,缺乏理论依据;两维分析中定义的形状、波度、粗糙度反映的是高度信息,没有考虑方向特征。
三维Motif目前没有统一的定义方式,Motif的合并准则也是因人而异,更没有统一的评定参数。
3、分形法
近年来,国内外表征和研究机械加工表面微观结构越来越多的使用分形几何这一数学工具。
研究表明,许多机械加工表面呈现出随机性、多尺度性和自仿射性,即具有分形的基本特征[7],因此,采用分形几何理论来分析是合理的、有效的。
在机加工微观形貌表征中,应用最多的分形参数是分形维数。
分形维数表达了表面所具有的复杂结构的多少以及这些结构的细微程度,微细结构在整个表面中所占能量的相对大小,分形维数越大,表面中非规则结
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