[发明专利]三维表面粗糙度评定中建立轮廓基准面的新方法

说明书

(一)技术领域：

本发明提供一种三维表面粗糙度评定中建立轮廓基准面的新方法，属于计量技术领域。

(二)背景技术：

表面粗糙度是指零件表面上具有较小波距和微小峰谷的微观几何形状误差，它直接影响零件的耐磨性、耐腐蚀性、疲劳强度、密封性、导热性及使用寿命等。因此表面粗糙度是评价机械零件表面质量的重要技术指标之一。以往对表面粗糙度的评定主要以二维参数为主，只能给出某一法向截面所对应轮廓线的粗糙度信息。比较而言，三维表面粗糙度能够从整体上全面地反映表面轮廓的微观几何形貌特征，因此随着图像分析技术、数字信号处理技术及计算机运行速度的不断提高，三维表面粗糙度评定已成为当今表面形貌测量领域的一个重要研究方向。

在三维表面粗糙度的评定中，评定基准面的建立是进行参数评定的基础和关键。关于三维表面粗糙度的评定，国内外学者开展了大量的研究工作，提出了多种建立粗糙度评定基准面的方法，如最小二乘多项式拟合法、高斯滤波法和小波频谱法等。最小二乘多项式拟合法(见：李柱主编，《互换性与测量技术》，北京：高等教育出版社，2004.)对三维表面粗糙度进行分离和评定的原理是将被测表面表示为多项式函数，利用最小二乘原理通过回归分析的方法确定多项式系数，进而给出评定基准，其优点是原理简单、易于实现；但缺点是多项式函数仅是对表面低频信号的一种近似拟合，由于受到函数形式和多项式阶次的制约，拟合精度难以得到有效地保证。而且对于多次加工生成的工件表面，也很难找到合适的多项式函数作为评定基准面。鉴于国际标准ISO11562中已经将二维表面粗糙度评定的轮廓基准线规定为高斯基准线，并且得到了较好的推广应用，因此三维表面粗糙度评定的国际标准中最有可能采用高斯滤波法。有文献(见：曾文涵等，“三维表面粗糙度高斯滤波快速算法”，计量学报.2003，24(1)：10-13.)研究了基于高斯滤波器的三维表面粗糙度评定基准面的建立方法，并提出了一种实用的快速卷积算法。高斯滤波器的最大优点是其线性相位特性，能够有效地分离出不同的表面成分，进而建立粗糙度评定基准面。但应用高斯滤波的方法进行表面粗糙度评定必须具备三个前提：(1)表面粗糙度服从高斯分布；(2)表面微观形貌由一系列谐波叠加而成；(3)不相关的形状和转化误差已被剔除。因此对于非典型分布或少数据的表面轮廓，高斯滤波的方法具有很大的局限性。还有文献(见：陈庆虎，李柱，“表面粗糙度提取的小波频谱法”，机械工程学报.1999，35(3)：41-44.)将小波分析的方法应用到表面粗糙度评定中，提出了三维表面粗糙度评定的小波基准面，该基准面由小波分解自动产生，无须假定评定基准具有某种特定函数表达式，因而不存在拟合误差。但在基准面求解的过程中，小波分解层次的确定以及基准面的选择具有一定的随机性，导致应用小波基准面进行粗糙度评定的结果在一定程度上具有随意性。

以上三种方法均属于基准评定法，随着三维表面粗糙度评定研究的深入，出现了许多非基准评定方法。国际标准ISO 12085中规定的Motif方法(见：ISO 12085：1996 Geometrical Product Specifications(GPS)-Surface texture：Profile method-Motif parameters.)以图形的方式对轮廓表面粗糙度和波纹度进行描述，能够以较少的评定参数真实地匹配轮廓的局部特性。但Motif方法的四个合并准则均来自于法国汽车业二十多年的实践经验，缺乏相应的理论依据，因而导致Motif方法的应用受到限制。分形法(见：李成贵等，“分形维数与表面的粗糙度参数的关系”，工具技术.1997，32(12)：36-38.)提出了只用一个尺度敏感参数即分形维数表征表面轮廓形貌复杂和细腻程度的方法。但分形维数能否完全表征分形表面的形貌特征尚有待进一步的研究，而且由于实际应用中并非所有的工件表面都具有分形特征，因此分形法很难成为一种普遍适用的方法。

(三)发明内容：

针对目前三维表面粗糙度评定中存在的问题，首次将灰色系统理论中的灰色关联分析方法应用到三维表面粗糙度评定中，通过对被测表面轮廓的原始采样数据实施灰色自适应加权均值滤波，有效地分离出表面轮廓成分，建立三维表面粗糙度评定的灰色基准面。该方法无须假设评定基准具有特定的函数表达式，不仅适合于大样本量、典型分布的普通表面粗糙度的提取，而且对少数据、非典型分布的表面轮廓同样适用。

本发明一种三维表面粗糙度评定中建立轮廓基准面的新方法，其技术方案的制定是基于下列原理考虑的：