四种粗加工表面三维分形维数的测定与比较

工件表面形貌对工件表面质量和摩擦性能有着重要的影响。为了对表面形貌特征进行表征,以4组机加工样块为研究对象,测得样件表面粗糙度和表面形貌,并应用盒子法和灰度法计算出其三维分形维数,分析对比三维分形维数与粗糙度以及表面形貌之间的关系。结果表明:三维分形维数与粗糙度基本成正比关系,随着粗糙度的增大而增加;粗糙度相同时,不同加工方式下的三维分形维数不同,分形维数越大,表面形貌越复杂,细节越多,划痕凹坑越明显,表面质量越差;与传统二维轮廓粗糙度表征方法相比,三维分形维数更能全面客观描述表面的整体形貌特征,这为后续的表面质量、摩擦润滑等研究奠定了理论基础。

基于多层序列图像的三维表面粗糙度检测

提出了一种非接触检测工件表面粗糙度的新方法。利用光学测量显微镜景深小这一特点,将CCD沿金属表面垂直方向等间距拍摄部分聚焦的序列图像,然后采用方差聚焦测度算子确定融合图像中每点所属的高度层次,利用高斯插值方法计算微观物体表面更准确的高度信息,重构了三维微观形貌。同时探讨了三维表面粗糙度参数表征的可行性,通过与二维表面粗糙度参数的对比实验,验证了其正确性和可靠性。该方法对表面粗糙度的在线检测和更完整地表征3D形貌等方面具有参考价值。

分形维数与表面粗糙度参数的关系

将分形维数Ｄ与传统的表面粗糙度评定参数Ｒａ和λｑ作了比较。实验结果表明：Ｄ与Ｒａ的线性关系并不明显，而Ｄ与λｑ的相关性较好。三个参数各自反映了表面的不同特征，但不能相互替代。

粗糙表面的分形特征与分形表达研究

利用触针轮廓仪和数据采集系统对磨削和车削表面的粗糙轮廓曲线进行了测量，并就粗糙表面的分形特征作了分析与讨论，同时还提出了粗糙表面的特征粗糙度概念及其定义，并将其用于表面粗糙度水平的表述．研究结果表明：粗糙表面具有明显的分形特征，而且能够通过常规轮廓仪测量和适当的计算方法得到它的分形维数；加工表面具有二重分形特征，第二分形的起点尺度与相关长度几乎成正比；第一分形维数与粗糙度的关系可以用负指数描述；特征粗糙度结合分形维数的相似测量和尺度参数的绝对测量，其数值能够表达表面的粗糙度水平；特征粗糙度不仅能体现表面多尺度测量的标度律特性，而且又不失表达粗糙度的灵敏性和准确性．

两种测度方法表征粗糙表面的效果研究

为了比较结构函数与均方根2种测度方法对粗糙表面的分形表征效果,模拟了具有不同理论分形维数的表面轮廓曲线,然后用结构函数和均方根2种方法对它们进行分形特性表征和分形维数计算,并对表征结果进行了理论分析。研究表明,2种测度方法均具有较好的表征效果。与结构函数测度方法相比,均方根测度方法的分维计算精度高,表征曲线的线性度好,反映分形特征的无标度区间宽,分形表征效果显著。另外,均方根测度方法还具有物理意义明确和分维计算简单的优点。因此均方根测度方法不失为粗糙表面分形表征的一种有效方法。

三维表面粗糙度的均方根波长评定

基于分形几何理论 ,通过分析随机粗糙表面的轮廓谱矩和表面谱矩的特性 ,提出了具有均一性和随机性的三维表面的均方根波长评定方法 ,并给出了理论推导及计算公式 .还通过仿真模拟和对平面磨削试件的实测 ,验证了该方法的正确性 .结论表明 ,对于不满足均一和随机性的表面 ,一般其加工纹理比较明显 ,可直接在垂直于加工纹理的方向上进行测量和评定 。

取样长度和采样点数对分维值的影响

在研究分形几何理论的基础上，以不同的取样长度和采样点数，对大量的机加工粗糙表面进行了测量。结果表明：传统的粗糙度评定参数Ra依赖于取样长度；而分形维数D则是表征粗糙表面的固有参数，与取样长度无关，虽然受采样点数的影响，但当采样点数足够多时，D值将趋于稳定。

土壤表面不平度数据采集系统设计与试验

基于激光测距传感器的基础上,设计开发了非接触式土壤表面不平度测试仪,由Labview软件编制了数据采集系统,测试仪沿着3个方向运动,采集了3种耕作方式下的土壤表面不平度数据。采用均方根法对采集数据进行分形维数的计算,获得了土壤表面不平度的分形特征。结果表明,犁耕表面分形维数均小于1.390,驱动耙耙地表面的分形维数均大于1.550,圆盘耙耙地表面的分形维数介于1.460～1.540,说明分形维数可以准确区分不同耕作方式下的土壤不平度。综合应用分形维数与表面不平度标准差能够准确描述土壤表面的不平度特征。

岩石节理面粗糙度的分形效应与试件尺寸影响分析

岩石节理面的粗糙度是影响岩体形变、位移和强度的主要因素,准确量测岩石节理表面的粗糙度对评价岩石力学特性非常重要。根据分形理论,岩石节理表面具有分形特征,可用分形维数描述节理表面的起伏度,但是岩石节理表面粗糙度一般不具有严格的自相似分形性质,因此,表面分形参数(分形维数D和截距A)的量测结果受到尺度的影响。本文运用三维表面激光形貌仪扫描10个不同尺度的试件(尺寸为100mm×100mm—1000mm×1000mm),结果表明,D和A随试件尺寸增大而减小,两参数都有尺度效应,但存在一个极限尺寸。综合考虑岩石表面尺寸、试件长度以及测量尺度对岩石节理表面粗糙度的影响,提出可靠的分形测量途径。

基于激光散斑分形维数的表面粗糙度测量方法

采用激光照射粗糙工件表面形成散斑图像,通过自相关函数分析散斑图像的二阶统计特性,使用分形算法提取散斑图像自相关函数矩阵的参数,建立分形维数与表面粗糙度对应的样本集合。用最小二乘法多项式拟合该样本集合,得到散斑图像与表面粗糙度值间的多项式关系。实验结果表明,基于激光散斑分形维数的表面粗糙度测量方法是可行的且适用于在线高精度粗糙度检测,在检测时间上从数十秒级提高到秒级,检测精度达到微米级。