一种分层粗糙表面的分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种分层粗糙表面的分析方法，可从整体粗糙表面中分离出若干分量表面，进而得到分量的表面参数；通过表面测量系统测量实际粗糙表面，提取2D或3D粗糙表面形貌数据，输入表面分析所需的控制参数，利用粗糙表面形貌数据计算粗糙表面的整体表面参数和表面函数；基于整体表面参数和表面函数，采用分层思想，将整体粗糙表面分离成若干分量表面，进而得到任一分量表面的表面参数和表面函数；本发明适合于分层粗糙表面的分析，特别适用于分析多工艺表面(例如汽车发动机内采用平顶珩磨方式加工的内缸表面)和磨损表面。
【专利说明】
-种分层粗繼表面的分析方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种分层粗糖表面的分析方法，特别设及某一由多个工艺过程共同影 响而形成的粗糖表面，适用于分析多工艺表面(例如汽车发动机内采用平顶巧磨方式加工 的内缸表面)和磨损表面。
【背景技术】
[0002] 粗糖表面已有报道，如中国专利CN104809357A提出一种S维粗糖表面多尺度接触 行为的分析方法及装置，其中设及粗糖表面的分析。但其粗糖表面分析环节主要从频带角 度对粗糖表面进行多尺度分离，即高频对应粗糖度，中频对应波纹度，低频对应平面度，将 粗糖度、波纹度和平面度进行分离。
[0003] 在单纯的粗糖度分析方面，中国专利CN102609560A和CN102779200A中先后提出一 种3D任意粗糖表面的数字化模拟方法和一种包含微观表面形貌的结合面接触性能分析方 法。运两个专利中都只针对粗糖表面的粗糖度开展，适用于表面粗糖高度符合高斯分布或 非高斯分布的粗糖表面。但两者都基于粗糖表面是单层的粗糖表面，而不适用于分层粗糖 表面。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种分层粗糖表面的分析 方法，可从整体粗糖表面中分离出分量表面，进而计算分量的表面参数。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0006] -种分层粗糖表面的分析方法，包括下述步骤：
[0007] 1)测量实际粗糖表面，提取2D或3D粗糖表面形貌数据Z(X)或z(x，y);
[000引2)输入表面分析所需的控制参数；
[0009] 3)利用粗糖表面形貌数据计算粗糖表面的整体表面参数和表面函数；
[0010] 4)基于整体表面参数和表面函数，采用分层思想，将整体粗糖表面分离成若干分 量表面，进而得到任一分量表面的表面参数和表面函数。
[0011] 所述步骤1)中，通过表面测量系统测量实际粗糖表面。
[0012] 所述步骤1)中，所述粗糖表面形貌数据若为2D粗糖表面形貌数据Z(X)，则X为某一 测量方向，平行于测量的粗糖表面Z(X);所述粗糖表面形貌数据若为3D表面形貌数据z(x， y)，则X为某一测量方向，y方向正交于X方向，且X和y方向都平行于测量的粗糖表面z(x，y); Z为某一坐标X或(x，y)处的粗糖高度，垂直于测量表面，正交于X和y方向。
[0013] 所述步骤2)中，所述控制参数包括自相关函数截止系数和概率材料比曲线即概率 支承率曲线的有效区间。所述自相关函数截止系数取0.1或0.2,所述有效区间取[-3,3]。
[0014] 所述步骤3)中，所述计算粗糖表面的整体表面参数和表面函数包括W下步骤：
[0015] 1)计算粗糖表面基本的整体表面参数:尺寸、数据点数、粗糖度即均方根0、斜度系 数Sk和峰度系数Ku;
[0016] 2)计算粗糖表面自相关函数ACF，并依据提前输入的自相关函数截止系数，计算粗 糖表面自相关长度Ax或(Ax, Ay),若为2D粗糖表面，只在X方向进行，若为3D粗糖表面，在X和y 方向同时进行；
[0017] 3)计算粗糖表面的概率密度函数、累积分布函数和概率材料比曲线。
[0018]所述粗糖表面的整体表面参数和表面函数计算公式和方法为：
[0019] 1)若为2D粗糖表面Z(X),尺寸为Lx,M为X方向数据点数目，则X方向分辨率为Ax = W(M-I),若为3D粗糖表面z(x，y)，尺寸为LxXLy，M，N分别为X和y方向数据点数目，则X和y 方向分辨率分别为A X=Lx/(M-1)和A y = Ly/(N-1);
[0020] 2)均方根0、斜度系数化和峰度系数Ku计算公式为
[0021]
[0022]
[0023]
[0024]
[0025]
[0026]
[0027]
[0028] 5)概率密度函数表示粗糖高度Z在某一高度值附近的可能性函数，其对于某一高 度区间的积分即为累积分布函数，概率材料比曲线为材料比曲线在高斯坐标的投影，投影 关系为0.13%对应-3,2.28%对应-2,15.87%对应-1,50%对应0,84.13%对应 1,97.72% 对应2，99，87 %对应3，上述=种曲线可采用数值方式求解。
[0029] 所述步骤4)中，所述将整体粗糖表面分离成若干分量表面是指：
[0030] 1)认为所分析的粗糖表面由多个工艺过程共同影响而形成，即粗糖表面涵括多个 分量表面；
[0031] 2)依据计算所得的概率材料比曲线，将整体粗糖表面Z分离成若干分量表面Zk, k 为 1 至n，n>2。
[0032] 所述分离分量表面的方法为拟合方法，包括间断方法和连续方法，其中，间断方法 采用n段直线分段拟合概率材料比曲线，连续方法认为概率材料比曲线是连续曲线，针对整 条概率材料比曲线进行拟合。
[0033] 所述步骤4)中，所述得到任一分量表面的表面参数和表面函数的方式：
[0034] 1)在通过拟合概率材料比曲线的方式分离分量表面的过程中，得到各分量表面的 均方根Ok和均值Zmk;
[0035] 2)在单独的分量表面内，计算相应的表面参数，包括自相关函数ACFk、自相关长度 Axk或(AxkAk)，W及粗糖峰密度，其中自相关函数和自相关长度计算公式如整体表面参数 计算，粗糖峰密度计算方法为单一分量表面Zk所含的粗糖峰总数除Wzk的尺寸。
[0036] 与现有技术相比，本发明可从整体粗糖表面中分离出若干分量表面，进而得到分 量的表面参数。克服了现有粗糖表面分析技术只适用于单层粗糖表面的技术瓶颈。特别适 用于分析多工艺表面(例如汽车发动机内采用平顶巧磨方式加工的内缸表面)和磨损表面。
【附图说明】
[0037] 图1为本发明的方法原理流程图。
[003引图2为本发明实施例中各向同性分层粗糖表面（尺寸：360miX36化m，数据点数： 1024 X 1024)，材料为金属浸溃碳。
[0039] 图3为本发明实施例中各向同性分层粗糖表面的概率密度函数和累积分布函数。
[0040] 图4为本发明实施例中各向同性分层粗糖表面的概率材料比曲线和分量分离结 果。
[0041] 图5为本发明实施例中各向异性分层粗糖表面（尺寸：360miX36化m，数据点数： 1024 X 1024)，材料为树脂浸溃碳。
[0042] 图6为本发明实施例中各向异性分层粗糖表面的概率密度函数和累积分布函数。
[0043] 图7为本发明实施例中各向异性分层粗糖表面的概率材料比曲线和分量分离结 果。
【具体实施方式】
[0044] 下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
[0045] W两个真实的3D磨损表面为例(分量数为2,即n = 2)，按照图1所示原理流程图，对 本发明的分层粗糖表面的分析方法进行说明。
[0046] 1)通过表面测量系统测量实际粗糖表面，提取3D粗糖表面形貌数据z(x，y)，如图2 和图5所示；
[0047] 2)输入表面分析所需的控制参数：自相关函数截止系数取0.2;概率材料比曲线的 有效区间选择[-3,3]。
[0048] 3)利用粗糖表面形貌数据计算粗糖表面的整体表面参数和表面函数：
[00例 a)尺寸Lx = Ly = 360叫1，X和y方向数据点数目M = N= 1024,X和y方向分辨率A X = A y=360皿/(1024-1 )=0.352皿；
[0050] b)利用公式
[0054]计算粗糖表面基本的整体表面参数，如表1所示；
[0化1 ]
[0化2]
[0化3]
[0055] c)利用公式
[0化6]
[0057]计算粗糖表面自相关函数ACF，并依据提前输入的自相关函数截止系数(0.2)，利 用公式
[0化引
[0059] 计算粗糖表面自相关长度(Ax, Ay),如表1所示，分析可见，磨损表面分别为各向同 性和各向异性表面；
[0060] d)针对粗糖表面，采用数值方法分别计算粗糖高度的概率密度函数和累积分布函 数（如图3和图6所示）W及材料比曲线，通过将材料比曲线投影到高斯坐标，投影关系为 0.13%对应-3,2.28%对应-2,15.87%对应-1,50%对应 0,84.13%对应 1,97.72%对应 2， 99，87 %对应3，得到概率材料比曲线(如图4和图7所示）。
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[0062]
[0063] 4)基于整体表面参数和表面函数，采用分层思想，将整体粗糖表面分离成若干分 量表面，进而得到任一分量表面的表面参数和表面函数：
[0064] a)认为所分析粗糖表面由2个工艺过程共同影响而形成，即粗糖表面涵括2个分量 表面；
[0065] b)依据计算所得的概率材料比曲线，采用间断和连续两种方法分别进行拟合，如 图4和图7所不，分离出2个分量表面；
[0066] C)间断方法认为可采用2段直线分段拟合概率材料比曲线，连续方法认为概率材 料比曲线是连续曲线，拟合需针对整条曲线进行；
[0067] d)拟合分离过程中可自行得到2个分量表面的均方根Ol和02, W及均值Zml和Zm2,如 表2所不；
[0068] e)在单独的分量表面内，利用整体表面参数计算中所使用公式，计算分量表面的 表面参数，包括自相关函数ACFi和ACF2、自相关长度(Axi，Ayi)和(心，Ay2)，如表2所示；
[0069] f)在单独的分量表面内，捜寻粗糖峰，统计粗糖峰总数，除W分量表面的尺寸，得 到粗糖峰密度，如表2所示。
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[0071]
【主权项】
1. 一种分层粗糙表面的分析方法，其特征在于，包括下述步骤： 1) 测量实际粗糙表面，提取2D或3D粗糙表面形貌数据Z(X)或Z(x，y); 2) 输入表面分析所需的控制参数； 3) 利用粗糙表面形貌数据计算粗糙表面的整体表面参数和表面函数； 4) 基于整体表面参数和表面函数，采用分层思想，将整体粗糙表面分离成若干分量表 面，进而得到任一分量表面的表面参数和表面函数。2. 根据权利要求1所述分层粗糙表面的分析方法，其特征在于，所述步骤1)中，通过表 面测量系统测量实际粗糙表面。3. 根据权利要求1所述分层粗糙表面的分析方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述粗 糙表面形貌数据若为2D粗糙表面形貌数据 Z(X)，则X为某一测量方向，平行于测量的粗糙表 面z(x);所述粗糙表面形貌数据若为3D表面形貌数据z(x，y)，则X为某一测量方向，y方向正 交于X方向，且X和y方向都平行于测量的粗糙表面Z(x，y) ;z为某一坐标X或(x，y)处的粗糙 高度，垂直于测量表面，正交于X和y方向。4. 根据权利要求1所述分层粗糙表面的分析方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述控 制参数包括自相关函数截止系数和概率材料比曲线即概率支承率曲线的有效区间。5. 根据权利要求4所述分层粗糙表面的分析方法，其特征在于，所述自相关函数截止系 数取0.1或0.2，所述有效区间取[-3，3 ]。6. 根据权利要求1所述分层粗糙表面的分析方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述计 算粗糙表面的整体表面参数和表面函数包括以下步骤： 1) 计算粗糙表面基本的整体表面参数:尺寸、数据点数、粗糙度即均方根〇、斜度系数Sk 和峰度系数Ku; 2) 计算粗糙表面自相关函数ACF，并依据提前输入的自相关函数截止系数，计算粗糙 表面自相关长度λχ或(λ χ，λγ)，若为2D粗糙表面，只在X方向进行，若为3D粗糙表面，在X和y方 向同时进行； 3) 计算粗糙表面的概率密度函数、累积分布函数和概率材料比曲线。7. 根据权利要求6所述分层粗糙表面的分析方法，其特征在于，所述粗糙表面的整体表 面参数和表面函数计算公式和方法为： 1) 若为2D粗糙表面Z(X)，尺寸为LX，M为X方向数据点数目，则X方向分辨率为A x = Lx/ (M-1 )，若为3D粗糙表面z (X，y )，尺寸为Lx X Ly，M，N分别为X和y方向数据点数目，则x和y方向 分辨率分别为 Δ x=Lx/(M-1)和 Δ y = Ly/(N-1); 2) 均方根〇、斜度系数Sk和峰度系数Ku计算公式为3) 自相关函数ACF计算公式为5)概率密度函数表示粗糙高度z在某一高度值附近的可能性函数，其对于某一高度区 间的积分即为累积分布函数，概率材料比曲线为材料比曲线在高斯坐标的投影，投影关系 为0.13%对应-3,2.28%对应-2，15.87%对应-1，50%对应0,84.13%对应1，97.72%对应 2，99，87 %对应3，上述三种曲线均可采用数值方式求解。8. 根据权利要求1所述分层粗糙表面的分析方法，其特征在于，所述步骤4)中，所述将 整体粗糙表面分离成若干分量表面是指： 1) 认为所分析的粗糙表面由多个工艺过程共同影响而形成，即粗糙表面涵括多个分量 表面； 2) 依据计算所得的概率材料比曲线，将整体粗糙表面z分离成若干分量表面zk，k为1至 n,n^2〇9. 根据权利要求8所述分层粗糙表面的分析方法，其特征在于，所述分离分量表面的方 法为拟合方法，包括间断方法和连续方法，其中，间断方法采用η段直线分段拟合概率材料 比曲线，连续方法对整条概率材料比曲线进行拟合。10. 根据权利要求1所述分层粗糙表面的分析方法，其特征在于，所述步骤4)中，所述得 到任一分量表面的表面参数和表面函数的方式： 1) 在通过拟合概率材料比曲线的方式分离分量表面的过程中，得到各分量表面的均方 根Ok和均值Zmk; 2) 在单独的分量表面内，计算相应的表面参数，包括自相关函数ACFk、自相关长度Axk或 (λχ1?，λ γ1〇,以及粗糙峰密度，其中自相关函数和自相关长度计算公式如权利要求7中步骤3) 和4)，粗糙峰密度计算方法为单一分量表面Zk所含的粗糙峰总数除以Zk的尺寸。
【文档编号】G06F17/50GK106021660SQ201610304569
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】黄伟峰, 胡松涛, 刘向锋, 刘莹, 王玉明
【申请人】清华大学