一種分層粗糙表面的數(shù)字化重構(gòu)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種分層粗糙表面的數(shù)字化重構(gòu)方法，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)分層粗糙表面的仿真模擬；通過(guò)表面測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量實(shí)際粗糙表面，提取2D或3D粗糙表面形貌數(shù)據(jù)，輸入表面分析所需的控制參數(shù)，利用粗糙表面形貌數(shù)據(jù)計(jì)算粗糙表面的整體表面參數(shù)和表面函數(shù)，采用分層思想，將整體粗糙表面分離成若干分量表面，進(jìn)而得到任一分量表面的表面參數(shù)和表面函數(shù)，利用已分離的分量表面，基于疊加原理，重構(gòu)出原始的分層粗糙表面；本發(fā)明適合于分層粗糙表面的數(shù)字化重構(gòu)，特別適用于重構(gòu)多工藝表面(例如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)采用平頂珩磨方式加工的內(nèi)缸表面)和磨損表面。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種分層粗繼表面的數(shù)字化重構(gòu)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種分層粗糖表面的數(shù)字化重構(gòu)方法，特別設(shè)及某一由多個(gè)工藝過(guò)程 共同影響而形成的粗糖表面，適用于重構(gòu)多工藝表面(例如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)采用平頂巧磨方 式加工的內(nèi)缸表面)和磨損表面。
【背景技術(shù)】
[0002] 粗糖表面重構(gòu)已有報(bào)道，如中國(guó)專(zhuān)利CN102609560A提出了一種3D任意粗糖表面的 數(shù)字化模擬方法。該專(zhuān)利中提出一種針對(duì)粗糖高度符合高斯分布表面的數(shù)字化模擬方法， 進(jìn)而通過(guò)引入化hnson或化arson等非高斯轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將模擬方法拓展至非高斯粗糖表面領(lǐng) 域。但高斯和非高斯表面模擬方法都基于粗糖表面為單層粗糖表面，不適用于分層粗糖表 面的重構(gòu)。由于分層粗糖表面往往體現(xiàn)出非高斯特性，上述專(zhuān)利中的非高斯表面模擬方法 固然可用于重構(gòu)分層粗糖表面，但其模擬結(jié)果局限于抓取分層表面的粗糖度(均方根）、斜 度系數(shù)、峰度系數(shù)和自相關(guān)長(zhǎng)度等特征，并不能反映"分層"運(yùn)一本質(zhì)特征。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種分層粗糖表面的數(shù)字 化重構(gòu)方法，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)分層粗糖表面的仿真模擬。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0005] -種分層粗糖表面的數(shù)字化重構(gòu)方法，包括下述步驟：
[0006] 1)測(cè)量實(shí)際粗糖表面，提取2D或3D粗糖表面形貌數(shù)據(jù)Z(X)或z(x，y);
[0007] 2)輸入表面分析所需的控制參數(shù)；
[000引3)利用粗糖表面形貌數(shù)據(jù)計(jì)算粗糖表面的整體表面參數(shù)和表面函數(shù)；
[0009] 4)采用分層思想，將整體粗糖表面分離成若干分量表面，進(jìn)而得到任一分量表面 的表面參數(shù)和表面函數(shù)；
[0010] 5)利用已分離的分量表面，基于疊加原理重構(gòu)原始的分層粗糖表面。
[0011] 所述步驟1)中，通過(guò)表面測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量實(shí)際粗糖表面。
[0012] 所述步驟1)中，所述粗糖表面形貌數(shù)據(jù)若為2D粗糖表面形貌數(shù)據(jù)Z(X)，則X為某一 測(cè)量方向，平行于測(cè)量的粗糖表面Z(X);所述粗糖表面形貌數(shù)據(jù)若為3D表面形貌數(shù)據(jù)z(x， y)，則X為某一測(cè)量方向，y方向正交于X方向，且X和y方向都平行于測(cè)量的粗糖表面z(x，y); Z為某一坐標(biāo)X或(x，y)處的粗糖高度，垂直于測(cè)量表面，正交于X和y方向。
[0013] 所述步驟2)中，所述控制參數(shù)包括自相關(guān)函數(shù)截止系數(shù)和概率材料比曲線即概率 支承率曲線的有效區(qū)間。所述自相關(guān)函數(shù)截止系數(shù)取0.1或0.2,所述有效區(qū)間取[-3,3]。
[0014] 所述步驟3)中，所述計(jì)算粗糖表面的整體表面參數(shù)和表面函數(shù)包括W下步驟：
[0015] 1)計(jì)算粗糖表面基本的整體表面參數(shù):尺寸、數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)、粗糖度即均方根0、斜度系 數(shù)Sk和峰度系數(shù)Ku;
[0016] 2)計(jì)算粗糖表面自相關(guān)函數(shù)ACF，并依據(jù)提前輸入的自相關(guān)函數(shù)截止系數(shù)，計(jì)算粗 糖表面自相關(guān)長(zhǎng)度Ax或(Ax,Ay)，若為2D粗糖表面，只在X方向進(jìn)行，若為3D粗糖表面，在X和y 方向同時(shí)進(jìn)行；
[0017] 3)計(jì)算粗糖表面的概率密度函數(shù)、累積分布函數(shù)和概率材料比曲線。
[0018]所述粗糖表面的整體表面參數(shù)和表面函數(shù)計(jì)算公式和方法為：
[0019] 1)若為2D粗糖表面Z(X),尺寸為L(zhǎng)x,M為X方向數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)目，則X方向分辨率為Ax = W(M-I),若為3D粗糖表面z(x，y)，尺寸為L(zhǎng)xXLy，M，N分別為X和y方向數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)目，則X和y 方向分辨率分別為A X=Lx/(M-1)和A y = Ly/(N-1);
[0020] 2)均方根0、斜度系數(shù)化和峰度系數(shù)Ku計(jì)算公式為
[0021]
[0022]
[0023]
[0024]
[0025]
[0026]
[0027]
[0028] 5)概率密度函數(shù)表示粗糖高度Z在某一高度值附近的可能性函數(shù)，其對(duì)于某一高 度區(qū)間的積分即為累積分布函數(shù)，概率材料比曲線為材料比曲線在高斯坐標(biāo)的投影，投影 關(guān)系為0.13%對(duì)應(yīng)-3,2.28%對(duì)應(yīng)-2,15.87%對(duì)應(yīng)-1,50%對(duì)應(yīng)0,84.13%對(duì)應(yīng) 1,97.72% 對(duì)應(yīng)2，99，87 %對(duì)應(yīng)3，上述=種曲線可采用數(shù)值方式求解。
[0029] 所述步驟4)中，所述將整體粗糖表面分離成若干分量表面是指：
[0030] 1)認(rèn)為所分析的粗糖表面由多個(gè)工藝過(guò)程共同影響而形成，即粗糖表面涵括多個(gè) 分量表面；
[0031] 2)依據(jù)計(jì)算所得的概率材料比曲線，將整體粗糖表面Z分離成若干分量表面Zk, k 為1至n，n>2。分離分量表面的方法為擬合方法，包括間斷方法和連續(xù)方法，其中，間斷方法 采用n段直線分段擬合概率材料比曲線，連續(xù)方法對(duì)整條概率材料比曲線進(jìn)行擬合。
[0032] 所述步驟4)中，所述得到任一分量表面的表面參數(shù)和表面函數(shù)的方式：
[0033] 1)在通過(guò)擬合概率材料比曲線的方式分離分量表面的過(guò)程中，得到各分量表面的 均方根Ok和均值Zmk;
[0034] 2)在單獨(dú)的分量表面內(nèi)，計(jì)算相應(yīng)的表面參數(shù)，包括自相關(guān)函數(shù)ACFk、自相關(guān)長(zhǎng)度 Axk或(AxkAk), W及粗糖峰密度，其中自相關(guān)函數(shù)和自相關(guān)長(zhǎng)度計(jì)算公式如權(quán)利要求7,粗 糖峰密度計(jì)算方法為單一分量表面Zk所含的粗糖峰總數(shù)除Wzk的尺寸。
[0035] 所述步驟5)中，所述基于疊加原理重構(gòu)原始的分層粗糖表面，包括W下步驟：
[0036] I)根據(jù)n個(gè)分量表面的表面參數(shù)(〇k，Axk)或（〇k，Axk，Ayk)，分別生成獨(dú)立的n個(gè)高斯 表面；
[0037] 2)根據(jù)n個(gè)分量表面間的相對(duì)位置，即各分量表面均值Zmk,平移各分量表面Zk = Zk +Zmk;
[0038] 3)比較n個(gè)分量表面在任一坐標(biāo)X或(X，y)處的粗糖高度Zk，保留最小值。
[0039] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可從整體粗糖表面中分離出若干分量表面，并得到各分 量的表面參數(shù)，進(jìn)而采用疊加原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)初始分層粗糖表面的仿真模擬?？朔爽F(xiàn)有粗糖 表面模擬技術(shù)只適用于單層粗糖表面的技術(shù)瓶頸。特別適用于重構(gòu)多工藝表面(例如汽車(chē) 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)采用平頂巧磨方式加工的內(nèi)缸表面)和磨損表面。
【附圖說(shuō)明】
[0040] 圖1為方法原理流程圖。
[0041] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中各向同性分層粗糖表面（尺寸：360miX36化m，數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)： 1024 X 1024)，材料為金屬浸潰碳。
[0042] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中各向同性分層粗糖表面的概率密度函數(shù)和累積分布函數(shù)。
[0043] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中各向同性分層粗糖表面的概率材料比曲線和分量分離結(jié) 果。
[0044] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中各向同性分層粗糖表面與其重構(gòu)結(jié)果的對(duì)比（可視化數(shù) 據(jù))。
[0045] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例中各向同性分層粗糖表面與其重構(gòu)結(jié)果的對(duì)比（概率材料比 曲線）。
[0046] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例中各向異性分層粗糖表面（尺寸：360miX36化m，數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)： 1024 X 1024)，材料為樹(shù)脂浸潰碳。
[0047] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例中各向異性分層粗糖表面的概率密度函數(shù)和累積分布函數(shù)。
[0048] 圖9為本發(fā)明實(shí)施例中各向異性分層粗糖表面的概率材料比曲線和分量分離結(jié) 果。
[0049] 圖10為本發(fā)明實(shí)施例中各向異性分層粗糖表面與其重構(gòu)結(jié)果的對(duì)比（可視化數(shù) 據(jù))。
[0050] 圖11為本發(fā)明實(shí)施例中各向異性分層粗糖表面與其重構(gòu)結(jié)果的對(duì)比(概率材料比 曲線）。
【具體實(shí)施方式】
[0051] W兩個(gè)真實(shí)的3D磨損表面為例(分量數(shù)為2,即n = 2)，按照?qǐng)D1所示原理流程圖，對(duì) 本發(fā)明的分層粗糖表面的數(shù)字化重構(gòu)方法進(jìn)行說(shuō)明。
[0052] 1)通過(guò)表面測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量實(shí)際粗糖表面，提取3D粗糖表面形貌數(shù)據(jù)z(x，y)，如圖2 和圖7所示；
[0053] 2)輸入表面分析所需的控制參數(shù)：自相關(guān)函數(shù)截止系數(shù)取0.2;概率材料比曲線的 有效區(qū)間選擇[-3,3]。
[0054] 3)利用粗糖表面形貌數(shù)據(jù)計(jì)算粗糖表面的整體表面參數(shù)和表面函數(shù)：
[0055] a)尺寸Lx = Ly = 360叫1，X和y方向數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)目M = N= 1024,X和y方向分辨率A X = A y=360皿/(1024-1 )=0.352皿；
[0056] b)利用公式
[0060] 計(jì)算粗糖表面基本的整體表面參數(shù)，如表1所示；[0061] C)利用公式
[0化7;
[0化8;
[0化9;
[0062]
[0063] 計(jì)算粗糖表面自相關(guān)函數(shù)ACF，并依據(jù)提前輸入的自相關(guān)函數(shù)截止系數(shù)(0.2)，利 用公式
[0064]
[0065] 計(jì)算粗糖表面自相關(guān)長(zhǎng)度(Ax, Ay),如表1所示，分析可見(jiàn)，磨損表面分別為各向同 性和各向異性表面；
[0066] d)針對(duì)粗糖表面，采用數(shù)值方法分別計(jì)算粗糖高度的概率密度函數(shù)和累積分布函 數(shù)（如圖3和圖8所示）W及材料比曲線，通過(guò)將材料比曲線投影到高斯坐標(biāo)，投影關(guān)系為 0.13%對(duì)應(yīng)-3,2.28%對(duì)應(yīng)-2,15.87%對(duì)應(yīng)-1,50%對(duì)應(yīng) 0,84.13%對(duì)應(yīng) 1,97.72%對(duì)應(yīng) 2， 99，87 %對(duì)應(yīng)3，得到概率材料比曲線(如圖4和圖9所示）。
[0067] 表1分層粗糖表面的表面參數(shù)
[006引
[0069] 4)采用分層思想，將整體粗糖表面分離成若干分量表面，進(jìn)而得到任一分量表面 的表面參數(shù)和表面函數(shù)：
[0070] a)認(rèn)為所分析粗糖表面由2個(gè)工藝過(guò)程共同影響而形成，即粗糖表面涵括2個(gè)分量 表面；
[0071] b)依據(jù)計(jì)算所得的概率材料比曲線，采用間斷和連續(xù)兩種方法分別進(jìn)行擬合，如 圖4和圖9所示，分離出2個(gè)分量表面；
[0072] C)間斷方法認(rèn)為可采用2段直線分段擬合概率材料比曲線，連續(xù)方法認(rèn)為概率材 料比曲線是連續(xù)曲線，擬合需針對(duì)整條曲線進(jìn)行；
[0073] d)擬合分離過(guò)程中可自行得到2個(gè)分量表面的均方根Ol和02, W及均值Zml和Zm2,如 表2所示；
[0074] 在單獨(dú)的分量表面內(nèi)，利用整體表面參數(shù)計(jì)算中所使用公式，計(jì)算分量表面的表 面參數(shù)，包括自相關(guān)函數(shù)ACFi和ACF2、自相關(guān)長(zhǎng)度(Axi，Ayi)和(心，Ay2)，如表2所示；
[0075] f)在單獨(dú)的分量表面內(nèi)，捜尋粗糖峰，統(tǒng)計(jì)粗糖峰總數(shù)，除W分量表面的尺寸，得 到粗糖峰密度，如表2所示。
[0076] 表2分層粗糖表面分離結(jié)果
[0077]
[0079] 5)利用已分離的分量表面，基于疊加原理重構(gòu)原始的分層粗糖表面：
[0080] a)根據(jù)2個(gè)分量表面的表面參數(shù)（〇1 ,Axi,Ayi)和（〇2,Ax2,Ay2)，分別生成獨(dú)立的2個(gè) 高斯表面zi(x,y)和Z2(x,y);
[0081] b)根據(jù)2個(gè)分量表面間的相對(duì)位置，即各分量表面均值Zml和Zm2,平移各分量表面Zl (x,y)=Zl(x,y)+Zml^Pz2(x,y)=Z2(x,y)+Zm2；
[0082] c)比較2個(gè)分量表面在任一坐標(biāo)(x，y)處的粗糖高度Zi和Z2,保留最小值，形成一個(gè) 新的粗糖表面，即為重構(gòu)的粗糖表面。重構(gòu)的分層粗糖表面與初始的分層粗糖表面的對(duì)比 如圖5和圖10所示，其概率材料比曲線的對(duì)比如圖6和圖11所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種分層粗糙表面的數(shù)字化重構(gòu)方法，其特征在于，包括下述步驟： 1) 測(cè)量實(shí)際粗糙表面，提取2D或3D粗糙表面形貌數(shù)據(jù)z(x)或Z(x，y); 2) 輸入表面分析所需的控制參數(shù)； 3) 利用粗糙表面形貌數(shù)據(jù)計(jì)算粗糙表面的整體表面參數(shù)和表面函數(shù)； 4) 采用分層思想，將整體粗糙表面分離成若干分量表面，進(jìn)而得到任一分量表面的表 面參數(shù)和表面函數(shù)； 5) 利用已分離的分量表面，基于疊加原理重構(gòu)原始的分層粗糙表面。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述分層粗糙表面的數(shù)字化重構(gòu)方法，其特征在于，所述步驟1)中， 通過(guò)表面測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量實(shí)際粗糙表面。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述分層粗糙表面的數(shù)字化重構(gòu)方法，其特征在于，所述步驟1)中， 所述粗糙表面形貌數(shù)據(jù)若為2D粗糙表面形貌數(shù)據(jù)z(x)，則X為某一測(cè)量方向，平行于測(cè)量的 粗糙表面Z(x);所述粗糙表面形貌數(shù)據(jù)若為3D表面形貌數(shù)據(jù)z(x，y)，則X為某一測(cè)量方向，y 方向正交于X方向，且X和y方向都平行于測(cè)量的粗糙表面z(x，y) ;z為某一坐標(biāo)X或(x，y)處 的粗糙高度，垂直于測(cè)量表面，正交于X和y方向。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述分層粗糙表面的數(shù)字化重構(gòu)方法，其特征在于，所述步驟2)中， 所述控制參數(shù)包括自相關(guān)函數(shù)截止系數(shù)和概率材料比曲線即概率支承率曲線的有效區(qū)間。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述分層粗糙表面的數(shù)字化重構(gòu)方法，其特征在于，所述自相關(guān)函數(shù) 截止系數(shù)取0.1或0.2，所述有效區(qū)間取[-3，3]。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述分層粗糙表面的數(shù)字化重構(gòu)方法，其特征在于，所述步驟3)中， 所述計(jì)算粗糙表面的整體表面參數(shù)和表面函數(shù)包括以下步驟： 1) 計(jì)算粗糙表面基本的整體表面參數(shù):尺寸、數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)、粗糙度即均方根〇、斜度系數(shù) Sk和峰度系數(shù)Ku; 2) 計(jì)算粗糙表面自相關(guān)函數(shù)ACF，并依據(jù)提前輸入的自相關(guān)函數(shù)截止系數(shù)，計(jì)算粗糙表 面自相關(guān)長(zhǎng)度λχ或(λ χ，λγ)，若為2D粗糙表面，只在X方向進(jìn)行，若為3D粗糙表面，在X和y方向 同時(shí)進(jìn)行； 3) 計(jì)算粗糙表面的概率密度函數(shù)、累積分布函數(shù)和概率材料比曲線。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述分層粗糙表面的數(shù)字化重構(gòu)方法，其特征在于，所述粗糙表面的 整體表面參數(shù)和表面函數(shù)計(jì)算公式和方法為： 1) 若為2D粗糙表面z(x)，尺寸為L(zhǎng)X，M為X方向數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)目，則X方向分辨率為AX = LX/ (Μ-1)，若為3D粗糙表面z (X，y)，尺寸為L(zhǎng)x X Ly，Μ，N分別為X和y方向數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)目，則x和y方向 分辨率分別為 Δ x=Lx/(M-1)和 Δ y = Ly/(N-1); 2) 均方根〇、斜度系數(shù)Sk和峰度系數(shù)Ku計(jì)算公式為3) 自相關(guān)函數(shù)ACF計(jì)算公式為4) 自相關(guān)長(zhǎng)度λ^(λχ，λγ)計(jì)算公式為5) 概率密度函數(shù)表示粗糙高度ζ在某一高度值附近的可能性函數(shù)，其對(duì)于某一高度區(qū) 間的積分即為累積分布函數(shù)，概率材料比曲線為材料比曲線在高斯坐標(biāo)的投影，投影關(guān)系 為0.13%對(duì)應(yīng)-3,2.28%對(duì)應(yīng)-2，15.87%對(duì)應(yīng)-1，50%對(duì)應(yīng)0,84.13%對(duì)應(yīng)1，97.72%對(duì)應(yīng) 2，99，87 %對(duì)應(yīng)3，上述三種曲線均可采用數(shù)值方式求解。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述分層粗糙表面的數(shù)字化重構(gòu)方法，其特征在于，所述步驟4)中， 所述將整體粗糙表面分離成若干分量表面是指： 1) 認(rèn)為所分析的粗糙表面由多個(gè)工藝過(guò)程共同影響而形成，即粗糙表面涵括多個(gè)分量 表面； 2) 依據(jù)計(jì)算所得的概率材料比曲線，將整體粗糙表面ζ分離成若干分量表面zk，k為1至 n，n多2,分離分量表面的方法為擬合方法，包括間斷方法和連續(xù)方法，其中，間斷方法采用η 段直線分段擬合概率材料比曲線，連續(xù)方法對(duì)整條概率材料比曲線進(jìn)行擬合。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述分層粗糙表面的數(shù)字化重構(gòu)方法，其特征在于，所述步驟4)中， 所述得到任一分量表面的表面參數(shù)和表面函數(shù)的方式： 1) 在通過(guò)擬合概率材料比曲線的方式分離分量表面的過(guò)程中，得到各分量表面的均方 根〇k和均值Zmk; 2) 在單獨(dú)的分量表面內(nèi)，計(jì)算相應(yīng)的表面參數(shù)，包括自相關(guān)函數(shù)ACFk、自相關(guān)長(zhǎng)度Axk或 (λχ1?，λ γ1〇,以及粗糙峰密度，其中自相關(guān)函數(shù)和自相關(guān)長(zhǎng)度計(jì)算公式如權(quán)利要求7中步驟3) 和4)，粗糙峰密度計(jì)算方法為單一分量表面zk所含的粗糙峰總數(shù)除以zk的尺寸。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述分層粗糙表面的數(shù)字化重構(gòu)方法，其特征在于，所述步驟5)中， 所述基于疊加原理重構(gòu)原始的分層粗糙表面，包括以下步驟： 1)根據(jù)η個(gè)分量表面的表面參數(shù)(〇k，Axk)或(ok，Axk，)，分別生成獨(dú)立的η個(gè)高斯表面； 2 )根據(jù)η個(gè)分量表面間的相對(duì)位置，即各分量表面均值Zmk，平移各分量表面Zk = Zk+Zmk ; 3) 比較η個(gè)分量表面在任一坐標(biāo)x或(x，y)處的粗糙高度zk，保留最小值。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105956300SQ201610304568
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月10日
【發(fā)明人】黃偉峰, 胡松濤, 劉向鋒, 劉瑩, 王玉明
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)