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一種表面微織構(gòu)的檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種表面微織構(gòu)的檢測方法，針對尺寸在微米量級的表面微織構(gòu)形貌，通過二維檢測裝置獲得其三維尺寸。檢測結(jié)果涵蓋微織構(gòu)形貌的深度、直徑、截面輪廓、體積參數(shù)。具體步驟包括：通過二維檢測裝置獲得微織構(gòu)表面的一段輪廓曲線；將輪廓曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過除噪、分割、提取、插值和擬合處理后獲得單個形貌三維曲面。本方法的檢測結(jié)果是若干微織構(gòu)形貌集中、均化的表現(xiàn)，反映了表面微織構(gòu)工藝整體的加工質(zhì)量。最終的有益效果是：降低表面微織構(gòu)的檢測設(shè)備要求，檢測結(jié)果更為客觀，檢測效率大幅提升，適用于平面及圓柱內(nèi)表面的表面微織構(gòu)檢測。
【專利說明】一種表面微織構(gòu)的檢測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種表面微織構(gòu)的檢測方法，適用于單一形貌陣列的表面微織構(gòu)檢測，屬于微納制造領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]表面微織構(gòu)技術(shù)橫跨多個學(xué)科，應(yīng)用日益廣泛。它在材料表面形成尺寸在微米至納米量級的微形貌，微形貌多為凹腔和凸起，對材料的宏觀性能產(chǎn)生顯著影響。在機(jī)械工程領(lǐng)域，表面微織構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于缸套-活塞、模具、刀具、軋輥、凸輪、密封環(huán)、軸承等，使零部件表面摩、擦學(xué)、力學(xué)等性能大幅提升。在材料學(xué)領(lǐng)域，表面微織構(gòu)技術(shù)在太陽能硅板上的應(yīng)用，大幅提高了太陽能板的能量吸收率；對于多晶材料，使其內(nèi)部各晶粒取向接近于單晶的獨(dú)特顯微結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮多晶材料的性能。
[0003]微形貌的三維空間結(jié)構(gòu)決定了微織構(gòu)化表面的外在性能，因此微織構(gòu)工藝效果的評判不得不著眼于對微形貌三維尺寸的精確測量。目前微織構(gòu)化表面的檢測設(shè)備，按檢測原理大體分為光學(xué)檢測設(shè)備和觸針式檢測設(shè)備。光學(xué)檢測設(shè)備利用光的衍射、反射等原理，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形分析獲得微織構(gòu)的三維形貌，結(jié)果準(zhǔn)確，精度可達(dá)納米。觸針式檢測設(shè)備利用探針或觸頭與被測表面接觸，經(jīng)由力學(xué)、位移傳感器獲取被測表面的形貌。因探針或觸頭在一次測量過程中沿一直線掃略，所以基于這一原理的表面檢測設(shè)備只能獲得掃略直線上的二維輪廓信息。由于光學(xué)檢測設(shè)備和觸針式檢測設(shè)備測量結(jié)果存在維度的區(qū)別(三維和二維)，而且三維的檢測結(jié)果包含更過信息量且更為直觀，因此對微織構(gòu)化表面的檢測有向三維化發(fā)展趨勢。在理論研究中越來越多的采用光學(xué)檢測設(shè)備而非觸針式檢測設(shè)備。
[0004]光學(xué)檢測設(shè)備具有檢測結(jié)果準(zhǔn)確和直觀的優(yōu)點(diǎn)，但也存在不足。首先其價格昂貴，為同樣檢測精度的觸針式檢測設(shè)備的5?10倍；其次，多數(shù)光學(xué)檢測設(shè)備對被測表面的光潔度、平整度要求高，難以檢測曲面；在對缸孔內(nèi)壁的微織構(gòu)化表面測量時，需將缸孔切開，制備平面試樣，過程麻煩，跟不上大規(guī)模生產(chǎn)的檢測節(jié)拍。與光學(xué)檢測設(shè)備相比，觸針式檢測設(shè)備測量快速、精度尚可，但其二維的測量方式極易造成表面信息的丟失，更無法精確檢測微形貌的三維尺寸；同時，檢測結(jié)果為表面輪廓的二維曲線，不直觀。因此觸針式檢測設(shè)備同樣不能滿足微織構(gòu)化表面的檢測作業(yè)。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)在微織構(gòu)化表面進(jìn)行檢測作業(yè)時，忽略了組成微織構(gòu)化表面的微形貌的陣列形式是人為可控的。如中國專利200810155787.3就公開了一種激光表面微造型裝置及方法，通過控制激光脈沖的發(fā)射和作用位置，實(shí)現(xiàn)微織構(gòu)化表面的加工。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是解決微織構(gòu)化表面，特別是曲面的檢測問題。本方法對微織構(gòu)化表面的檢測由觸針式檢測設(shè)備完成，在檢測缸孔等曲面時，不需要制備平面試樣，檢測結(jié)果包括了微形貌的全部三維尺寸信息。
[0007]本發(fā)明方法的一種表面微織構(gòu)檢測方法所采取的技術(shù)方案是:通過二維表面檢測裝置獲取一段微織構(gòu)化表面的輪廓曲線，通過對輪廓曲線的反求計(jì)算，數(shù)學(xué)擬合出微形貌的三維形貌。
[0008]本發(fā)明方法的一種表面微織構(gòu)檢測方法的具體技術(shù)方案為:針對沿行方向和列方向展開的微形貌的陣列的微織構(gòu)化表面，其陣列的微形貌在行方向的行間距和列方向上的列間距相同，行方向和列方向的夾角30°、0°。通過二維表面檢測裝置在微織構(gòu)化表面上，沿特定檢測方向，獲得一段該表面的取樣輪廓曲線，取樣輪廓曲線上包含大于等于三個在行方向或列方向連續(xù)排列微形貌的截面輪廓，上述截面輪廓包含各微形貌特定截面位置的輪廓信息。將取樣輪廓曲線中凡是微形貌的截面輪廓曲線提取出來，將上述截面輪廓曲線都視為反求形貌在不同截面下的輪廓曲線。由陣列微形貌在行方向和列方向上的間距，確定各截面輪廓曲線所在平面的間距。通過數(shù)學(xué)擬合的方法，由截面輪廓曲線得到反求形貌的三維空間尺寸，由三維空間尺寸求得反求形貌的體積。
[0009]本發(fā)明方法的有益效果是:
1、能夠低廉的獲得精確、直觀的三維化微織構(gòu)化表面的檢測結(jié)果，大幅降低了三維檢測的成本。
[0010]2、適用于平面及曲面的微織構(gòu)化表面的檢測，檢測快速，成功率100%，適合于大規(guī)模生產(chǎn)所需的檢測節(jié)拍。
[0011]3、反求形貌的檢測結(jié)果來源于多個微形貌，是多個微形貌的集中表現(xiàn)和均化，避免了人為選取檢測微形貌的可能，因此本方法對微織構(gòu)化表面的檢測更為準(zhǔn)確和客觀。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是行方向和列方向不垂直陣列示意圖。
[0013]圖2是行方向和列方向不垂直陣列測量軌跡示意圖。
[0014]圖3是取樣輪廓曲線分析示意圖。
[0015]圖4是所提取特征插值和擬合示意圖。
[0016]圖5是行方向和列方向垂直陣列不意圖。
[0017]圖6是行方向和列方向垂直陣列測量軌跡示意圖。
[0018]圖中，1，微織構(gòu)化表面；2，微形貌；3，形貌邊界；4，直徑；5，列間距；6，行間距；10，優(yōu)選測量路徑；11，實(shí)際測量第一路徑；12，誤差角；13，第二列方向；14實(shí)際測量第二路徑；15，夾角。
[0019]

【具體實(shí)施方式】
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0020]圖1、圖2、圖5和圖6為截取了部分表面微織構(gòu)的示意圖。圖3中的表面輪廓曲線是德國霍梅爾公司的T100觸針式檢測設(shè)備獲得的，其它具有相同功能的檢測設(shè)備均能獲得圖3中所示的表面輪廓曲線。圖4為Matlab軟件運(yùn)行截圖。
[0021]圖3上圖為原始圖樣，它包含了一些標(biāo)尺及標(biāo)記信息；圖3中圖為初步處理后的圖樣，將標(biāo)尺信息及標(biāo)記去除；圖3下圖為提取的截面輪廓圖樣，該圖樣中只含有微形貌2的截面輪廓信息，而平面信息被去除。
[0022]需要特別注意的是，為便于敘述實(shí)施例一和實(shí)施例二都是以圓形微凹腔為對象開展的，本發(fā)明方法適用和保護(hù)范圍包括具有任意凹腔或凸起的陣列微形貌2的微織構(gòu)化表面I的檢測。
[0023]實(shí)施例一。
[0024]本發(fā)明方法在實(shí)施例一中的【具體實(shí)施方式】包括如下步驟:
(a)加工沿行方向和列方向展開的微形貌2的陣列的微織構(gòu)化表面1，其陣列模式通過行間距6、列間距5和行方向與列方向的夾角共同確定。
[0025](b)通過二維檢測裝置獲得上述微織構(gòu)化表面I在行方向垂直方向上的一段取樣輪廓曲線，針對實(shí)施例一的陣列模式，優(yōu)選測量路徑10的方向?yàn)榕c行方向垂直的方向，如圖2 ;實(shí)際測量第一路徑11與優(yōu)選測量路徑10存在誤差角12，誤差角12小于10度；取樣輪廓曲線的原始圖樣見圖3上圖。
[0026](C)將取樣輪廓曲線的原始圖樣導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，經(jīng)除噪、分割、提取、插值和擬合后獲得單個形貌的三維空間曲面。上述除噪、分割、提取特征的過程如圖3所示，圖3上圖為原始圖樣，圖樣中包含3個在列方向聯(lián)系排列的微形貌2的截面輪廓，截面輪廓深度呈梯度變化。通過原始圖樣已經(jīng)能夠粗略讀出單個形貌的深度，其深度大于或等于原始圖樣中最大凹腔深度。上述深度為微型貌深度的最大值。取樣輪廓曲線的原始圖樣經(jīng)除噪和分割處理后得到圖3中圖的初步處理后的圖樣，再經(jīng)提取得到圖3下圖僅含有微形貌2截面輪廓的圖樣。上述除噪和分割的方法為，人為確定原始圖樣的坐標(biāo)原點(diǎn)，其上每一個像素點(diǎn)轉(zhuǎn)化成一個二維坐標(biāo)，則整幅圖樣形成一個坐標(biāo)集，將非微形貌2截面輪廓的坐標(biāo)從坐標(biāo)集中去除，即這些像素點(diǎn)被去除。上述提取特征的方法為，將提取的截面輪廓圖樣中的各截面輪廓都作為單個微形貌2即反求形貌的若干截面輪廓。由陣列微形貌2在行方向和列方向上的間距，確定各截面輪廓曲線所在平面間的間距。在本實(shí)施例中，各截面輪廓曲線所在平面的間距為列間距5與行方向和列方向夾角余弦值的乘積。將上述若干截面輪廓重新繪制在三維坐標(biāo)系中，如圖4中左圖。插值和擬合過程是通過數(shù)學(xué)插值法補(bǔ)充的空間三維坐標(biāo)點(diǎn)，形成微形貌2的三維檢測結(jié)果。首先提取位于材料表面的點(diǎn)坐標(biāo)，將上述點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行二維擬合，所得結(jié)果為實(shí)測形貌邊界3。將形貌邊界3作為邊界條件，與若干截面輪廓共同擬合成反求形貌的空間曲面，如圖4右圖所示。
[0027](d)由上述空間曲面，獲取最終檢測參數(shù)。如通過對曲面的積分求得反求形貌的體積，或微型貌的深度、直徑4和底部不平整度。
[0028]實(shí)施例二。
[0029]實(shí)施例二與實(shí)施例一的區(qū)別在于，實(shí)施例二中的行方向與第二列方向13夾角為90°。在保證取樣輪廓曲線上包含大于等于三個在行方向或列方向連續(xù)排列微形貌2的截面輪廓的前提下，二維表面檢測裝置的實(shí)際測量第二路徑14與第二列方向13存在夾角15，那么各截面輪廓曲線所在平面的間距為列間距5與夾角15正弦值的乘積。實(shí)施例二的其它步驟與實(shí)施例一相同。
【權(quán)利要求】
1.一種表面微織構(gòu)的檢測方法，其特征在于，包括如下步驟: A)針對沿行方向和列方向展開的微形貌(2)的陣列的微織構(gòu)化表面(1)，所述陣列的微形貌(2)在行方向的行間距(6)和列方向上的列間距(5)相同，行方向和列方向的夾角45°;沿織構(gòu)化表面上一條直線方向，通過二維表面檢測裝置獲得一段沿所述直線方向?qū)?yīng)的微形貌(2)的取樣輪廓曲線,所述直線方向上包括大于等于三個在行方向或列方向連續(xù)排列微形貌(2)的截面輪廓，所述截面輪廓包含各微形貌(2)在所述直線方向上不同截面位置的輪廓信息； B)將步驟A)獲得的取樣輪廓曲線中的微形貌(2)的截面輪廓曲線提取出來，將上述截面輪廓曲線都視為一個微形貌(2)在不同截面下的輪廓曲線； C)由陣列微形貌(2)在行方向和列方向上的間距，確定步驟B)中的各截面輪廓曲線所在平面的間距； D)通過數(shù)學(xué)擬合的方法，由截面輪廓曲線反求獲得一個微形貌(2)的三維空間尺寸，并以三維曲面的形式顯示，積分求得反求微形貌的體積。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面微織構(gòu)的檢測方法，其特征在于，所述步驟A)中的二維表面檢測裝置為觸針式表面輪廓儀，分辨率為0.ΟΓΟ.001 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面微織構(gòu)的檢測方法，其特征在于，所述步驟A)中微形貌(2)為頂部開口為圓形的凹腔或底部為圓形的凸起，所述圓形凹腔或凸起的直徑(4)大于0.1 μ m,凹腔深度或凸起高度大于0.1 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種表面微織構(gòu)的檢測方法，其特征在于，當(dāng)行方向與列方向夾角為90°時，二維表面檢測裝置的檢測方向與列方向(13)存在夾角(15)，各截面輪廓曲線所在平面的間距為列間距(5)與夾角(15)正弦值的乘積。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或所述的一種表面微織構(gòu)的檢測方法，其特征在于，當(dāng)行方向與列方向夾角不為90°的情況下，二維表面檢測裝置的檢測方向與行方向呈90°，各截面輪廓曲線所在平面的間距為列間距(5)乘以行方向和列方夾角的余弦值。
【文檔編號】G01B21/20GK104165615SQ201410413943
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月21日
【發(fā)明者】康正陽, 符永宏, 王林森, 符昊, 紀(jì)敬虎 申請人:江蘇大學(xué)