區(qū)域表面紋理分析

在過去的二十年中，人們已經(jīng)開發(fā)了許多分析表面紋理的軟件包，并發(fā)現(xiàn)了其對(duì)組件功能的影響。然而，這些軟件包幾乎完全是面向具有表面紋理分析知識(shí)的計(jì)量專業(yè)人員的。它們?yōu)橛脩籼峁┝舜罅康墓ぞ?，但如果沒有有效專業(yè)指導(dǎo)，這些工具可能會(huì)令人生畏且難以掌握和操作。此外，我們并不總是清楚應(yīng)用工具和更改參數(shù)是如何影響數(shù)據(jù)集的。常見情況是，了解分析軟件的人都不太了解關(guān)于地表的設(shè)計(jì)和具體說明，因此，設(shè)計(jì)、制造和質(zhì)量工程師(他們也可以從這些工具中受益)必須依賴他們的實(shí)驗(yàn)室來為他們解釋表面紋理數(shù)據(jù)，而不是能夠與數(shù)據(jù)本身進(jìn)行交互。其結(jié)果是，工程師們只說明最基本的、很好理解的地表參數(shù)，如平均粗糙度，而不管這些參數(shù)是否有用?，F(xiàn)在，一款新的用于表面紋理分析的軟件已經(jīng)可以使用了，它可以讓工程師和實(shí)驗(yàn)室的專業(yè)人員們共享分析經(jīng)驗(yàn)，以方便他們真正的理解和溝通并提高改善表面功能。通過逐步引入可視化的紋理分析方法，該軟件允許設(shè)計(jì)師、管理人員和工藝工程師探索地表紋理，并進(jìn)行圖形和數(shù)字通信。在本文中，我們介紹了分析表面數(shù)據(jù)的逐步過程。我們將展示Digital Metrology的OmniSurf3D軟件如何以一種工程師和質(zhì)量專業(yè)人員都可以使用的語言直觀地呈現(xiàn)每個(gè)步驟，從而理解和改進(jìn)組件性能。

 

OmniSurf3D 軟件。 三維地表以彩色顯示。地表的大規(guī)模傾斜顯示為一個(gè)透明的藍(lán)色平面。

表面分析強(qiáng)化理解

最強(qiáng)大的地表分析工具是人類的眼睛和大腦。我們每天要觀察數(shù)千次表面，并憑直覺判斷它們是否粗糙、光滑，有無行走安全，有無觸摸危險(xiǎn)，外觀是否美觀等等。使用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)可視化工具進(jìn)行區(qū)域(或“3D”)地表紋理測(cè)量，可以在技術(shù)測(cè)量和人類解釋之間提供鏈接。然而，可惜的是，在大多數(shù)公司中都存在一個(gè)問題:負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、開發(fā)和制造地表的人不一定是那些實(shí)際研究測(cè)量數(shù)據(jù)的人。在許多情況下，那些在實(shí)驗(yàn)室之外工作的人僅僅從實(shí)驗(yàn)室獲得諸如“形式誤差”或“均方根粗糙度”之類的數(shù)字，而這些有限的信息就是他們用來驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和決策的全部信息。有了這個(gè)新的工具，實(shí)驗(yàn)室就有可能測(cè)量和存儲(chǔ)地形數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)師和工程師可以在他們的辦公桌上研究和分析這些數(shù)據(jù)。這是一種非常理想的方法。它可以讓實(shí)驗(yàn)室專注于提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的專業(yè)知識(shí)，而工程部門則可以利用其產(chǎn)品知識(shí)。如何將地表分析工具從實(shí)驗(yàn)室搬到工程師的辦公室呢？這是個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)檐浖ぞ弑仨氁侵庇^的和具有描述性的。如今的工程師紛紛被要求成為熟知許多學(xué)科的專家;因此，地表分析必須要是一種可以提供資料的勘探工具，而不是一種額外的負(fù)擔(dān)。

分析地表紋理的基本步驟

區(qū)域地表紋理的探索和分析的過程大致分為四個(gè)基本步驟：1. 清理或者預(yù)處理數(shù)據(jù)資料
2. 解釋說明指定幾何設(shè)定參數(shù)
3. 通過濾波提取感興趣的地表特征或形狀
4. 用數(shù)值參數(shù)描述感興趣的特征下面幾個(gè)部分將更詳細(xì)地討論這四個(gè)步驟。構(gòu)建良好的分析軟件可以探索這些領(lǐng)域中的任何一個(gè)或所有領(lǐng)域，而不需要用戶遵循冗長、僵化的過程來獲得所需要的結(jié)果。

1. 清理（預(yù)處理）數(shù)據(jù)資料組

地表數(shù)據(jù)可以由許多不同的儀器獲得，包括通過光學(xué)、三維(面積)測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)械筆剖面儀。在基于2D觸控筆的系統(tǒng)中，當(dāng)觸控筆在一個(gè)表面上下移動(dòng)時(shí)，傳感器總是知道觸控筆的位置。然而，在光學(xué)測(cè)量中，情況并非總是如此。有時(shí)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)無法在某些像素處檢測(cè)到數(shù)據(jù)——可能是由于陡坡或地表污染。在其他情況下，光學(xué)儀器可能由于其他成像或檢測(cè)問題而錯(cuò)誤地表示單個(gè)像素的高度，從而導(dǎo)致異常值。以下是一些例子:

 

由于陡峭斜坡導(dǎo)致數(shù)據(jù)點(diǎn)缺失

 

由于傳感器沒有正確檢測(cè)像素而導(dǎo)致的異常值。因此，分析過程的第一步是解釋數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤，例如缺失點(diǎn)和邊遠(yuǎn)數(shù)據(jù)。OmniSurf3D提供了一些工具，可以方便地解釋傳入數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤，而不會(huì)在不經(jīng)意間改變數(shù)據(jù)本身，從而扭曲地表參數(shù)。

 

處理缺失點(diǎn)

缺失點(diǎn)可以用各種插值方法來填補(bǔ)。插值可以提供更好的可視化效果，如果正確執(zhí)行，對(duì)計(jì)算參數(shù)的影響最小。在下面的例子中，我們使用非常快速的雙線性插值方法，根據(jù)相鄰的有效高度來預(yù)測(cè)缺失點(diǎn)的高度。

OmniSurf3D提供了“雙重可視化”視圖，以便在應(yīng)用分析特性時(shí)快速進(jìn)行比較。在這里，原始數(shù)據(jù)顯示在對(duì)偶視圖的左邊，而右邊的數(shù)據(jù)已經(jīng)用插值值填充缺失點(diǎn)進(jìn)行了預(yù)處理。

 

雙線性填充缺失的數(shù)據(jù)。OmniSurf3D的雙可視化顯示左側(cè)為預(yù)處理數(shù)據(jù)，右側(cè)為處理數(shù)據(jù)，清晰顯示了操作效果。圖片由密歇根計(jì)量學(xué)院提供。

處理邊遠(yuǎn)點(diǎn)

根據(jù)邊遠(yuǎn)點(diǎn)的類型，可以用不同的方法進(jìn)行處理它們。糾正“單像素”異常值最常用的方法是中值濾波。中值濾波器查看以感興趣的像素為中心的像素正方形(通常為3×3或5×5)。中心像素被包含在正方形中的像素(通常為9或25)的中值替換。例如，一個(gè)高度為“10”的遠(yuǎn)地點(diǎn)有3×3個(gè)鄰點(diǎn):

 

3×3中值濾波。用鄰域的中值代替3×3正方形的中心像素，去除單像素離群值。3×3中值濾波器對(duì)所有的9個(gè)高度進(jìn)行排序，并將中間像素的高度(以前為“10”)替換為中值“3”。中值濾波器的“正方形”被傳遞到整個(gè)圖像上，從而消除了“單像素噪聲”。同樣，我們可以通過如下所示的OmniSurf3D雙重可視化視圖看到這個(gè)濾波器的效果。注意，當(dāng)刪除邊遠(yuǎn)數(shù)據(jù)點(diǎn)(左)時(shí)，地表的真實(shí)結(jié)構(gòu)就會(huì)變得明顯(右)。

 

中值濾波以去除邊遠(yuǎn)點(diǎn)。OmniSurf3D的雙重可視化(在左邊)顯示了邊遠(yuǎn)數(shù)據(jù)如何抑制表面的實(shí)際形狀。一旦這些異常值被移除，整個(gè)圓柱體(右)就變得明顯起來。其他方法也可用來處理測(cè)量數(shù)據(jù)集中的異常值。在某些情況下，基于簡(jiǎn)單閾值的方法(刪除相鄰區(qū)域)可能很有用。在其他情況下，“魯棒”濾波可以成為抑制異常值的強(qiáng)大工具。

2. 解釋說明指定幾何設(shè)定參數(shù)

為了正確地探索地表“紋理”的高度和深度，我們需要能夠?qū)⒓y理特征從底層幾何中分離出來。例如，要想可視化和描述這個(gè)球面上的涂層結(jié)節(jié)是很困難的(左圖)，直到底層的球形形狀被移除(如圖所示)。

 

相對(duì)于球表面的基本形狀(左)，這個(gè)球面上的結(jié)節(jié)很難辨別。通過去除球面形狀，可以對(duì)精細(xì)特征進(jìn)行可視化和量化(右圖)。請(qǐng)注意這兩個(gè)圖像之間的縮放差異。在ISO 25178系列標(biāo)準(zhǔn)中，幾何形狀去除的操作是“F”或“form removal”，這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了如何收集和報(bào)告表面數(shù)據(jù)。對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)集的分析，為了更好地可視化過濾操作的影響，首先刪除底層幾何是最有意義的。在OmniSurf3D中，可以從表面數(shù)據(jù)中刪除幾個(gè)參考幾何圖形(表單)。這些包括平面、圓柱體、圓錐、球體、非球面、多項(xiàng)式曲面等。選擇基于基礎(chǔ)幾何知識(shí)。例如，如果表面設(shè)計(jì)為平面，那么應(yīng)該使用平面作為參考幾何。如果表面設(shè)計(jì)成圓柱形，則應(yīng)使用圓柱體。在某些情況下，表面形狀不是原始幾何形狀;在許多這種情況下，多項(xiàng)式對(duì)于近似基本形狀非常有用。能夠可視化參考幾何與被測(cè)地表的關(guān)系對(duì)于正確提取和理解地表特征非常重要。例如，將織物或紙張的樣品視為基本平面似乎是自然的;然而，如果樣本是聚束或彎曲的，那么應(yīng)用參考平面可能會(huì)扭曲數(shù)據(jù)，而多項(xiàng)式曲面擬合則不會(huì)。OmniSurf3D可以將參考幾何圖形顯示為一個(gè)透明的表面，通過切割零件表面，可以很容易地看到參考與實(shí)際數(shù)據(jù)的匹配程度。以下是一些例子:

3. 通過濾波提取感興趣的地表特征或形狀

地表由不同尺度或波長的特征組成。例如，一個(gè)路面由許多不同的波長組成:

 

道路的許多波長范圍都是從礫石邊的紋理(短波長)到大的山丘和山谷(長波長)。為了探索感興趣的特定波長區(qū)域，我們必須應(yīng)用濾波來限制或“圍住”感興趣的波長波段。在ISO 25178中，短波限幅濾波器的應(yīng)用被稱為“S”操作。長波限幅濾波器的應(yīng)用稱為“L”操作。這些濾波器(操作符)可以調(diào)整以從一個(gè)表面提取各種形狀。例如，許多地表紋理參考書都提到了地表域:粗糙度、波紋度和形狀。

 

在3-domain方法下，被測(cè)地表分為三個(gè)切面，每個(gè)面都可能與各種功能或過程相關(guān)。在上圖中，我們對(duì)切面進(jìn)行了如下分析：

·粗糙度:S-L(短-長)有限曲面o S算子:0.0025mm高斯濾波器o L算子:0.8 mm高斯濾波器

·波浪度:S-L(短-長)有限曲面o S算子:0.8 mm高斯濾波器o L算子：8.0 mm高斯濾波器

·形式:S-F(簡(jiǎn)稱)有限曲面o S算子:8.0 mm高斯濾波器o F算子：最小平方線

 

要定義濾波器，我們必須確定兩件事:截止波長和濾波器類型。

截止波長定義了數(shù)據(jù)被分成長(波狀)和短(粗糙)波長的點(diǎn)。 截止波長可以描述為“平滑的量”，進(jìn)入波的一面濾波器。 我們可以看到濾波器截止波長選擇的影響如下圖所示:

 

截止波長選擇的影響。 注意0.8 mm的截止線(左)產(chǎn)生了一個(gè)波浪剖面，其中有許多波峰和波谷。 8.0 mm的截止(右)平滑了波紋度曲線，同時(shí)在粗糙度曲線中引入了更大的波長結(jié)構(gòu)。在上面的例子中，我們有一個(gè)初級(jí)表面剖面(頂部的藍(lán)色數(shù)據(jù))顯示了兩次。在左邊，主剖面用一個(gè)相對(duì)較小的截止值(0.8 mm)進(jìn)行過濾。這就得到了一個(gè)波浪剖面(左上角的紅色剖面)，有幾個(gè)波峰和波谷。如果我們從初級(jí)剖面中去掉左邊的波紋剖面，左下角的粗糙度剖面則是剩下的部分。同樣，在右上角，我們有一個(gè)基于較大的(8.0毫米)濾波器截止值的波紋剖面。這個(gè)較大的截止值創(chuàng)建了一個(gè)更平滑的波紋剖面，因此，在右下角的圖中粗糙度有所增加。選擇濾波器的另一個(gè)方面是濾波器類型。這定義了平滑發(fā)生的方式。典型的濾波器類型為高斯濾波器和魯棒濾波器。高斯濾波器是最常用的濾波器，適用范圍最廣。它是基于高斯(或“鐘形曲線”)形狀的移動(dòng)平均線，通過數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個(gè)波紋剖面或表面:

 

高斯濾波器。當(dāng)邊緣特征引起數(shù)據(jù)中不必要的失真時(shí)，應(yīng)該考慮魯棒濾波。這些高斯濾波器的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)會(huì)使地表產(chǎn)生孔隙或劃痕。在提取感興趣的特性時(shí)，一定要選擇濾波器的截止波長(在ISO 25178系列中也稱為濾波器的“嵌套指數(shù)”)。OmniSurf3D提供了多種可視化工具，幫助用戶理解濾波器的影響，更好地理解所研究的地表。短濾波器(S算子)

短濾波器去除“幾何抑制”表面上不需要的短波長。得到的地表稱為“主”地表。濾波量由短濾波器的截止波長(嵌套指數(shù))決定。這個(gè)例子顯示了一個(gè)基于0.080毫米短濾波器的形狀抑制地面和相關(guān)的主地表。

 

短濾波器的應(yīng)用。注意原始地表的細(xì)微細(xì)節(jié)的丟失——在這個(gè)波長范圍內(nèi)，濾波器從數(shù)據(jù)中去除噪聲以顯示粗糙度(右)。

長濾波器(L算子)

長濾波器(L算子)建立表面波長，進(jìn)入波狀表面。為了獲得過濾的(粗糙)表面，去掉了這個(gè)波狀表面。這種濾波器類型和截止波長(嵌套指數(shù))的選擇非常重要，因?yàn)樗鼘?duì)計(jì)算參數(shù)有很大的影響。鑒于這種濾波器選擇的重要性，OmniSurf3D提供了幾個(gè)可視化工具，幫助用戶理解和探索濾波器的影響:

• 一個(gè)透明的波狀曲面圖。這種可視化可以讓用戶看到波紋表面如何“適應(yīng)”主地表。

 

一種透明的波狀表面，顯示在固體主地表內(nèi)部。

• 曲面圖的雙重可視化

 

OmniSurf3D的主要地表/波狀地表(左)和波狀地表(右)的雙重可視化。

 

OmniSurf3D的主要地表/波狀地表(左)和過濾粗糙地表(右)的雙重可視化。這種可視化可以讓用戶快速查看濾波器如何處理您的數(shù)據(jù)。例如，如果將截止波長設(shè)置為較小的值，我們可以很容易地看到表面的袋狀開始出現(xiàn)在波狀域。這意味著報(bào)告的地表紋理參數(shù)將缺少以下這些袋狀:

 

OmniSurf3D的主要地表(左)和波狀地表(右)的雙重可視化。波浪中較細(xì)的“口袋”的存在可能表明截?cái)嘀堤獭?/span>

4. 用數(shù)值參數(shù)描述感興趣的特征

除了地表數(shù)據(jù)的可視化和探索，我們最終還需要數(shù)字來描述和控制我們的地表。如果沒有數(shù)值，我們將很難建立公差和控制制造過程。我們將無法評(píng)估質(zhì)量。然而，我們應(yīng)該記住:用數(shù)字來描述地表的形狀就像用分貝來描述交響樂一樣:一個(gè)數(shù)字所包含的信息是非常多的。因此，我們應(yīng)該先從對(duì)表面的視覺和功能的理解開始。這種理解會(huì)驅(qū)動(dòng)數(shù)值的選擇。一個(gè)表面可以計(jì)算出許多不同的參數(shù)——遠(yuǎn)比這里描述的要多。最好的參考文獻(xiàn)是ISO 25178-2。在此介紹中，將介紹一些基本的分析類別和參數(shù)。注:二維剖面分析中最常見的高度或“粗糙度”參數(shù)是“Ra”(平均粗糙度)參數(shù)。在平面/三維表面紋理中，我們沒有“R”(粗糙度)或“W”(波紋度)的名稱，因?yàn)槲覀儧]有粗糙度或波紋度的概念。在區(qū)域/3D表面紋理中，我們簡(jiǎn)單地使用字母“S”來指定一個(gè)表面。“S”表面由一組受控的表面波長組成，這些波長由S(短濾波器)和/或L(長濾波器)和/或F(形式)算子決定。

描述地表高度

最常見的面積參數(shù)是Sa(平均粗糙度)值，它類似于基于剖面線的“Ra”值。 這個(gè)值是基于所有數(shù)據(jù)點(diǎn)到平均線的平均距離。

 

基于到平均線的平均距離的Sa值。另一個(gè)在三維曲面分析中越來越流行的高度描述是Sq參數(shù)。這是表面高度的標(biāo)準(zhǔn)偏差，因此在數(shù)學(xué)/統(tǒng)計(jì)模型中更有用。

 

基于高度標(biāo)準(zhǔn)差的Sq值。

描述地表界面面積

Sa和Sq描述的是高度，而其他參數(shù)描述的是地表不同之處，可能也是很重要的方面。例如，“Sdr”(已開發(fā)的界面比率)描述了由于粗糙度而產(chǎn)生的表面積與沒有粗糙度時(shí)的表面積之比。報(bào)告的值是由于粗糙度而獲得的面積百分比。

 

Sdr值報(bào)告了由于粗糙度導(dǎo)致的表面積增加。

描述當(dāng)?shù)靥卣?/strong>

區(qū)域“特征”提取方法可以檢測(cè)和分離峰、坑、鞍、脊線、航線等特征:

 

區(qū)域地形的局部特征山峰周圍的區(qū)域被劃分為“山”，坑周圍的區(qū)域被劃分為“谷”?？梢詮倪@些特征來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如平均河谷體積或平均峰值密度。這些參數(shù)可以用來描述一個(gè)表面能很好地容納潤滑劑或油墨，或表面能如何滑動(dòng)或粘附。OmniSurf3D基于檢測(cè)到的特征參數(shù)眾多，為被測(cè)表面提供了這些特征的獨(dú)特三維可視化:

 

OmniSurf3D的山脊線和局部坑谷的顯示。

附加的分析工具

除了上面描述的一般表面參數(shù)外，實(shí)驗(yàn)室專業(yè)人員還可以訪問大量的工具來進(jìn)一步分析表面，并將其紋理與功能關(guān)聯(lián)起來。形態(tài)分析預(yù)測(cè)了軟表面如何與硬表面的相適應(yīng)。這也是個(gè)很有用的工具，來突出在測(cè)量表面中，向上或向下的明顯特征。形態(tài)學(xué)的“關(guān)閉”濾波器可應(yīng)用于數(shù)據(jù)集，以模擬被壓入表面的軟表面(例如墊片)。這種分析方法可以讓工程師探索表面的功能，如密封墊下的泄漏或應(yīng)力引起的山谷或裂縫。相反，形態(tài)學(xué)的“開孔“濾波器可以用來顯示表面的峰值如何與接觸應(yīng)力、油膜滲透和表面缺陷有關(guān)。OmniSurf3D提供了一個(gè)交互式的、非?？焖俚墓ぞ?，用于應(yīng)用形態(tài)過濾和可視化的間隙/空隙或峰值。

 

OmniSurf3D坑/孔隙分析。

總結(jié)

測(cè)量、分析和解釋表面紋理數(shù)據(jù)的能力為設(shè)計(jì)高功能表面和控制制造這些表面所需的過程提供了巨大的可能性。OmniSurf3D通過提供直觀、高效和信息豐富的工具來探索表面紋理，為跨所有工程功能的表面分析提供了一個(gè)通用的平臺(tái)。設(shè)計(jì)人員可以直接對(duì)表面數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，在加工初期改善表面功能，而質(zhì)量工程師和工藝工程師可以深入挖掘，發(fā)現(xiàn)變化的根本原因，更好地控制制造，實(shí)現(xiàn)可重復(fù)和可靠的部件功能。