CN104165615A - 一种表面微织构的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种表面微织构的检测方法，针对尺寸在微米量级的表面微织构形貌，通过二维检测装置获得其三维尺寸。检测结果涵盖微织构形貌的深度、直径、截面轮廓、体积参数。具体步骤包括：通过二维检测装置获得微织构表面的一段轮廓曲线；将轮廓曲线数据导入计算机，经过除噪、分割、提取、插值和拟合处理后获得单个形貌三维曲面。本方法的检测结果是若干微织构形貌集中、均化的表现，反映了表面微织构工艺整体的加工质量。最终的有益效果是：降低表面微织构的检测设备要求，检测结果更为客观，检测效率大幅提升，适用于平面及圆柱内表面的表面微织构检测。

Description

一种表面微织构的检测方法

技术领域

本发明涉及一种表面微织构的检测方法，适用于单一形貌阵列的表面微织构检测，属于微纳制造领域。

背景技术

表面微织构技术横跨多个学科，应用日益广泛。它在材料表面形成尺寸在微米至纳米量级的微形貌，微形貌多为凹腔和凸起，对材料的宏观性能产生显著影响。在机械工程领域，表面微织构技术应用于缸套-活塞、模具、刀具、轧辊、凸轮、密封环、轴承等，使零部件表面摩、擦学、力学等性能大幅提升。在材料学领域，表面微织构技术在太阳能硅板上的应用，大幅提高了太阳能板的能量吸收率；对于多晶材料，使其内部各晶粒取向接近于单晶的独特显微结构，充分发挥多晶材料的性能。

微形貌的三维空间结构决定了微织构化表面的外在性能，因此微织构工艺效果的评判不得不着眼于对微形貌三维尺寸的精确测量。目前微织构化表面的检测设备，按检测原理大体分为光学检测设备和触针式检测设备。光学检测设备利用光的衍射、反射等原理，结合计算机图形分析获得微织构的三维形貌，结果准确，精度可达纳米。触针式检测设备利用探针或触头与被测表面接触，经由力学、位移传感器获取被测表面的形貌。因探针或触头在一次测量过程中沿一直线扫略，所以基于这一原理的表面检测设备只能获得扫略直线上的二维轮廓信息。由于光学检测设备和触针式检测设备测量结果存在维度的区别（三维和二维），而且三维的检测结果包含更过信息量且更为直观，因此对微织构化表面的检测有向三维化发展趋势。在理论研究中越来越多的采用光学检测设备而非触针式检测设备。

光学检测设备具有检测结果准确和直观的优点，但也存在不足。首先其价格昂贵，为同样检测精度的触针式检测设备的5~10倍；其次，多数光学检测设备对被测表面的光洁度、平整度要求高，难以检测曲面；在对缸孔内壁的微织构化表面测量时，需将缸孔切开，制备平面试样，过程麻烦，跟不上大规模生产的检测节拍。与光学检测设备相比，触针式检测设备测量快速、精度尚可，但其二维的测量方式极易造成表面信息的丢失，更无法精确检测微形貌的三维尺寸；同时，检测结果为表面轮廓的二维曲线，不直观。因此触针式检测设备同样不能满足微织构化表面的检测作业。

现有技术在微织构化表面进行检测作业时，忽略了组成微织构化表面的微形貌的阵列形式是人为可控的。如中国专利200810155787.3就公开了一种激光表面微造型装置及方法，通过控制激光脉冲的发射和作用位置，实现微织构化表面的加工。

发明内容

本发明的目的是解决微织构化表面，特别是曲面的检测问题。本方法对微织构化表面的检测由触针式检测设备完成，在检测缸孔等曲面时，不需要制备平面试样，检测结果包括了微形貌的全部三维尺寸信息。

本发明方法的一种表面微织构检测方法所采取的技术方案是：通过二维表面检测装置获取一段微织构化表面的轮廓曲线，通过对轮廓曲线的反求计算，数学拟合出微形貌的三维形貌。

本发明方法的一种表面微织构检测方法的具体技术方案为：针对沿行方向和列方向展开的微形貌的阵列的微织构化表面，其阵列的微形貌在行方向的行间距和列方向上的列间距相同，行方向和列方向的夹角30°~90°。通过二维表面检测装置在微织构化表面上，沿特定检测方向，获得一段该表面的取样轮廓曲线，取样轮廓曲线上包含大于等于三个在行方向或列方向连续排列微形貌的截面轮廓，上述截面轮廓包含各微形貌特定截面位置的轮廓信息。将取样轮廓曲线中凡是微形貌的截面轮廓曲线提取出来，将上述截面轮廓曲线都视为反求形貌在不同截面下的轮廓曲线。由阵列微形貌在行方向和列方向上的间距，确定各截面轮廓曲线所在平面的间距。通过数学拟合的方法，由截面轮廓曲线得到反求形貌的三维空间尺寸，由三维空间尺寸求得反求形貌的体积。

本发明方法的有益效果是：

1、 能够低廉的获得精确、直观的三维化微织构化表面的检测结果，大幅降低了三维检测的成本。

2、 适用于平面及曲面的微织构化表面的检测，检测快速，成功率100%，适合于大规模生产所需的检测节拍。

3、 反求形貌的检测结果来源于多个微形貌，是多个微形貌的集中表现和均化，避免了人为选取检测微形貌的可能，因此本方法对微织构化表面的检测更为准确和客观。

附图说明

图1是行方向和列方向不垂直阵列示意图。

图2是行方向和列方向不垂直阵列测量轨迹示意图。

图3是取样轮廓曲线分析示意图。

图4是所提取特征插值和拟合示意图。

图5是行方向和列方向垂直阵列示意图。

图6是行方向和列方向垂直阵列测量轨迹示意图。

图中，1，微织构化表面；2，微形貌；3，形貌边界；4，直径；5，列间距；6，行间距；10，优选测量路径；11，实际测量第一路径；12，误差角；13，第二列方向；14实际测量第二路径；15，夹角。

具体实施方式                                 

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1、图2、图5和图6为截取了部分表面微织构的示意图。图3中的表面轮廓曲线是德国霍梅尔公司的T1000触针式检测设备获得的，其它具有相同功能的检测设备均能获得图3中所示的表面轮廓曲线。图4为Matlab软件运行截图。

图3上图为原始图样，它包含了一些标尺及标记信息；图3中图为初步处理后的图样，将标尺信息及标记去除；图3下图为提取的截面轮廓图样，该图样中只含有微形貌2的截面轮廓信息，而平面信息被去除。

需要特别注意的是，为便于叙述实施例一和实施例二都是以圆形微凹腔为对象开展的，本发明方法适用和保护范围包括具有任意凹腔或凸起的阵列微形貌2的微织构化表面1的检测。

实施例一。

本发明方法在实施例一中的具体实施方式包括如下步骤：

（a）    加工沿行方向和列方向展开的微形貌2的阵列的微织构化表面1，其阵列模式通过行间距6、列间距5和行方向与列方向的夹角共同确定。

（b）    通过二维检测装置获得上述微织构化表面1在行方向垂直方向上的一段取样轮廓曲线，针对实施例一的阵列模式，优选测量路径10的方向为与行方向垂直的方向，如图2；实际测量第一路径11与优选测量路径10存在误差角12，误差角12小于10度；取样轮廓曲线的原始图样见图3上图。

（c）     将取样轮廓曲线的原始图样导入计算机，经除噪、分割、提取、插值和拟合后获得单个形貌的三维空间曲面。上述除噪、分割、提取特征的过程如图3所示，图3上图为原始图样，图样中包含3个在列方向联系排列的微形貌2的截面轮廓，截面轮廓深度呈梯度变化。通过原始图样已经能够粗略读出单个形貌的深度，其深度大于或等于原始图样中最大凹腔深度。上述深度为微型貌深度的最大值。取样轮廓曲线的原始图样经除噪和分割处理后得到图3中图的初步处理后的图样，再经提取得到图3下图仅含有微形貌2截面轮廓的图样。上述除噪和分割的方法为，人为确定原始图样的坐标原点，其上每一个像素点转化成一个二维坐标，则整幅图样形成一个坐标集，将非微形貌2截面轮廓的坐标从坐标集中去除，即这些像素点被去除。上述提取特征的方法为，将提取的截面轮廓图样中的各截面轮廓都作为单个微形貌2即反求形貌的若干截面轮廓。由阵列微形貌2在行方向和列方向上的间距，确定各截面轮廓曲线所在平面间的间距。在本实施例中，各截面轮廓曲线所在平面的间距为列间距5与行方向和列方向夹角余弦值的乘积。将上述若干截面轮廓重新绘制在三维坐标系中，如图4中左图。插值和拟合过程是通过数学插值法补充的空间三维坐标点，形成微形貌2的三维检测结果。首先提取位于材料表面的点坐标，将上述点坐标进行二维拟合，所得结果为实测形貌边界3。将形貌边界3作为边界条件，与若干截面轮廓共同拟合成反求形貌的空间曲面，如图4右图所示。

（d）    由上述空间曲面，获取最终检测参数。如通过对曲面的积分求得反求形貌的体积，或微型貌的深度、直径4和底部不平整度。

实施例二。

实施例二与实施例一的区别在于，实施例二中的行方向与第二列方向13夹角为90°。在保证取样轮廓曲线上包含大于等于三个在行方向或列方向连续排列微形貌2的截面轮廓的前提下，二维表面检测装置的实际测量第二路径14与第二列方向13存在夹角15，那么各截面轮廓曲线所在平面的间距为列间距5与夹角15正弦值的乘积。实施例二的其它步骤与实施例一相同。

Claims (5)

1.一种表面微织构的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

A)针对沿行方向和列方向展开的微形貌（2）的阵列的微织构化表面（1），所述阵列的微形貌（2）在行方向的行间距（6）和列方向上的列间距（5）相同，行方向和列方向的夹角45°~90°；沿织构化表面上一条直线方向，通过二维表面检测装置获得一段沿所述直线方向对应的微形貌（2）的取样轮廓曲线，所述直线方向上包括大于等于三个在行方向或列方向连续排列微形貌（2）的截面轮廓，所述截面轮廓包含各微形貌（2）在所述直线方向上不同截面位置的轮廓信息；

B)将步骤A）获得的取样轮廓曲线中的微形貌（2）的截面轮廓曲线提取出来，将上述截面轮廓曲线都视为一个微形貌（2）在不同截面下的轮廓曲线；

C)由阵列微形貌（2）在行方向和列方向上的间距，确定步骤B）中的各截面轮廓曲线所在平面的间距；

D)通过数学拟合的方法，由截面轮廓曲线反求获得一个微形貌（2）的三维空间尺寸，并以三维曲面的形式显示，积分求得反求微形貌的体积。

2.根据权利要求1所述的一种表面微织构的检测方法，其特征在于，所述步骤A）中的二维表面检测装置为触针式表面轮廓仪，分辨率为0.01~0.001μm。

3.根据权利要求1所述的一种表面微织构的检测方法，其特征在于，所述步骤A）中微形貌（2）为顶部开口为圆形的凹腔或底部为圆形的凸起，所述圆形凹腔或凸起的直径（4）大于0.1μm，凹腔深度或凸起高度大于0.1μm。

4.根据权利要求1或2所述的一种表面微织构的检测方法，其特征在于，当行方向与列方向夹角为90°时，二维表面检测装置的检测方向与列方向（13）存在夹角（15），各截面轮廓曲线所在平面的间距为列间距（5）与夹角（15）正弦值的乘积。

5.根据权利要求1或所述的一种表面微织构的检测方法，其特征在于，当行方向与列方向夹角不为90°的情况下，二维表面检测装置的检测方向与行方向呈90°，各截面轮廓曲线所在平面的间距为列间距（5）乘以行方向和列方夹角的余弦值。