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        基于區(qū)域法的表面形貌濾波

        2014-11-22 02:11:56宋浩鄒星龍盧文龍劉曉軍
        機械工程師 2014年10期
        關(guān)鍵詞:基準面權(quán)函數(shù)高斯

        宋浩,鄒星龍,盧文龍,劉曉軍

        (1.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局 專利審查協(xié)作湖北中心,武漢 430074;2.華中科技大學 機械學院,武漢 430074)

        0 引言

        與表面形貌分析的二維輪廓法相比,區(qū)域法表面形貌分析所含信息量更豐富,更能充分反映被測表面的實際情況[1]。區(qū)域法表面形貌的分析包括區(qū)域法表面形貌的濾波和其評定兩個過程。要準確地評定三維表面,首先需要通過區(qū)域法濾波獲得合適的基準面。目前,典型的區(qū)域法基準面提取方法包括最小二乘平面濾波、多項式曲面擬合和高斯濾波[2]。

        1 最小二乘平面濾波

        最小二乘平面濾波是基于最小二乘原理的,假設(shè)基準面符合二元一次方程,表面內(nèi)的點到基準面的偏距平方和為最小值。對于三維表面z(x,y)最小二乘中面為:

        擬合誤差平方和為

        據(jù)最小二乘原理,ε 分別對系數(shù)a、b、c 求偏導(dǎo)數(shù),并令偏導(dǎo)數(shù)為0,得到最小二乘中面的方程系數(shù)為:

        將基準面參數(shù)a、b、c 代入式(1),可得到基準面f(x,y),則提取粗糙度表面為

        最小二乘平面濾波對適合于平面分布的表面濾波,不用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的表面。

        2 多項式曲面濾波

        多項式曲面擬合濾波的原理與最小二乘平面濾波的原理類似,假設(shè)被測表面z(x,y)的n 多項式擬合中面的方程為

        令qp=z(xi,yj),gp=f(xi,yj),up=xi,vp=yj擬合表面誤差平方和為:

        利用矩陣方法求解多項式系數(shù)aij得到:[V]T[V]{A}=[V]T{Q},式中

        求解矩陣方程得到系數(shù)序列{A}=([V]T[V])[V]T{Q},由于多項式擬合中面運算量隨著次數(shù)增加而增加,所以次數(shù)太高運算時間過長,同時還容易丟失有用的粗糙度信息,所以一般用二次或者三次多項式擬合評定中面。

        3 高斯濾波

        高斯濾波將表面數(shù)據(jù)與高斯權(quán)函數(shù)進行卷積計算,高斯基準面的定義如下[3]:

        其中z(x,y)為原始測量三維表面,g(x,y)為高斯權(quán)函數(shù):

        式中,λcx、λcy分別為x、y 向的截止波長。直接計算卷積比較困難,通過傅里葉變換將表面信號和高斯權(quán)函數(shù)變換到頻域空間,然后直接相乘可得到高斯評定基準面,即

        實測表面為離散的,將式(12)離散化,得

        得到s(λx,λy)以后,通過傅里葉反變換得到時域內(nèi)的高斯基準面。高斯濾波適用于從表面信號中分離波紋度和粗糙度信號,由加權(quán)平均引起的邊界效應(yīng)導(dǎo)致高斯中面邊界畸變,所以需要舍去半個截止波長的邊界數(shù)據(jù)。

        4 實驗測試

        為了檢驗區(qū)域法表面形貌濾波結(jié)果的準確性,進行了相關(guān)實驗測試。實驗結(jié)果如下:圖1為最小二乘平面濾波結(jié)果,圖2為多項式曲面濾波結(jié)果,圖3為三維高斯濾波結(jié)果。結(jié)果表明,所開發(fā)的濾波軟件具有非常好的濾波效果。

        5 結(jié)論

        圖1 最小二乘平面濾波結(jié)果

        圖2 多項式曲面濾波結(jié)果

        圖3 三維高斯濾波結(jié)果

        實現(xiàn)了最小二乘平面濾波、多項式曲面擬合濾波和三維高斯濾波三種區(qū)域法表面形貌濾波技術(shù),實測表面的濾波實驗結(jié)果表明區(qū)域法表面形貌濾波器能夠準確地提取三維表面的波紋度曲面,以得到準確的表面粗糙度信息。

        [1]郭軍.激光干涉表面測量系統(tǒng)及3D-MOTIF 評定研究[D].武漢:華中科技大學,2004.

        [2]ISO/DIS 16610-60 Geometrical Product Specification(GPS)-Filtration-Part 60:Linear areal filters-Basic concepts[S].

        [3]ISO/DIS 16610-61 Geometrical Product Specification(GPS)-Filtration-Part 61:Linear areal filters-Gaussian filters[S].

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