表面紋理方向性研究

1、表面紋理的方向性研究表面紋理的方向性研究摘摘要要表面形貌提供了重要的表面信息，同時(shí)對(duì)表面的摩擦、潤(rùn)滑特性有重要影響。從以往的三維表面形貌的研究中可以發(fā)現(xiàn)以下特點(diǎn)：對(duì)表面形貌的幅度方向表征較多，而對(duì)表面空間方向性表征不夠。因此，三維表面形貌的表征有待完善，表面形貌對(duì)潤(rùn)滑性能、流體承載力的影響等問(wèn)題還需要進(jìn)一步的分析和研究。本文著重研究表面的紋理方向性，采用邊緣檢測(cè)方法，通過(guò)邊緣圖像實(shí)現(xiàn)表面形貌的紋理表征，用圖像的方式直觀地給出；同時(shí)研究表面功能與表面形貌的關(guān)系，采用表面粗糙度均方根和表面紋理方向兩個(gè)參數(shù)分別表征表面幅度和空間兩方面的特征，采用與平均流量模型的方法，研究表面的潤(rùn)滑性能；得出了表面紋

2、理角度、粗糙度均方根等對(duì)表面潤(rùn)滑性能、流體承載力及潤(rùn)滑性能的影響，實(shí)現(xiàn)了表面形貌與表面功能間的聯(lián)系。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：表面形貌；紋理方向角度；邊緣檢測(cè)；平均流量模型DirectionAnalysis of Surface TextureAbstractSurface topography of the surface provides an important information, while on thesurface of friction, lubrication of a major influence. From the previous three-dimensionalsurfa

3、ce of the study can be found in the following characteristics: the surface of thedirectionof the rateof more characterization,andthe directionof the surfacecharacterization of inadequate space. Therefore, the characterization of three-dimensionalsurface to be perfect, on the surface of lubrication p

4、erformance, the impact of fluid carryingcapacity and other issues need further analysis and research.This article focuses on surface texture direction, using edge detection methods, toachieve through the edge image of the surface texture characterized by visual image to giveway at the same time on s

5、urface features and surface of the relationship between the use ofthe root-mean-squat deviation () and surface texture two parameters were characterizedsurface magnitude and spatial characteristics of the two areas, with an average flow modelusing the method to study the surface of lubricating prope

6、rties; come to the surface textureperspective, the root-mean-squat deviation (), and so on Lubrication of the surface, fluidcapacity and performance of lubrication, and the surface topography and the link betweensurface features.Keywords: Three-dimensional surface topography; Texture direction angle

7、; Edgedetection; Average flow model目目錄錄第一章第一章 緒緒論論. - 1 -1.1 三維表面形貌的現(xiàn)狀及表征方法.- 1 -1.2 三維表面形貌圖像表征原理.- 4 -1.3 本論文的主要內(nèi)容.- 4 -第二章第二章 表面紋理方向性表征表面紋理方向性表征邊緣檢測(cè)邊緣檢測(cè).- 5 -2.1 邊緣檢測(cè)方法的概述.- 5 -2.2 表面形貌的模擬.- 6 -2.3 模擬表面邊緣檢測(cè)效果分析.- 9 -2.4 測(cè)量表面及其邊緣檢測(cè)分析.- 11 -2.5 模擬表面和測(cè)量表面邊緣檢測(cè)方法效果比較.- 13 -第三章第三章 三維表面紋理的方向性對(duì)潤(rùn)滑性能的影響三維表面

8、紋理的方向性對(duì)潤(rùn)滑性能的影響.- 14 -3.1 平均流量模型簡(jiǎn)介.- 14 -3.2 壓力流量因子的推導(dǎo).- 14 -3.3 表面紋理對(duì)潤(rùn)滑性能及承載力的影響.- 15 -3.3.1 平均壓力的求解.- 15 -3.3.2 流體承載量、表面剪切摩擦力的計(jì)算.- 17 -3.3.3 流體承載力計(jì)算結(jié)果分析.- 17 -3.3.4 流體承載力、上表面摩擦力計(jì)算結(jié)果分析.- 20 -總總結(jié)結(jié).- 21 -參參 考考 文文 獻(xiàn)獻(xiàn).- 22 -致致謝謝.- 24 -附錄附錄 MATLABMATLAB 的簡(jiǎn)介的簡(jiǎn)介.- 25 -附錄附錄 部分源程序部分源程序.- 26 -表表 格格 清清 單單表 2-1

9、 Robert 算子模板5表2-2 Sobel算子模板5表 2-3 Prewitt 算子模板6表 2-4 Log 算子模板6插插 圖圖 清清 單單圖 2-1 紋理方向角度的定義7圖 2-2 各種單向紋理模擬表面8圖 2-3 各種交叉紋理模擬表面9圖 2-4 圓環(huán)紋理表面9圖 2-5 模擬表面邊緣檢測(cè)結(jié)果10圖 2-6 WYKO 輪廓儀測(cè)量得到的實(shí)際表面灰度圖像11圖 2-7 實(shí)際表面邊緣圖像13圖 3-1 兩摩擦副表面之間的接觸狀態(tài)14圖 3-2 模擬缸套-活塞環(huán)模型16圖 3-3 單向紋理表面流體承載力隨、h0的變化曲線18圖 3-4 交叉紋理表面流體承載力隨 、 h0的變化曲線20- 1

10、-第一章第一章 緒緒論論1.1 三維表面形貌的現(xiàn)狀及表征方法表面形貌是指零件在加工過(guò)程中諸多因素綜合作用而殘留于零件表面的各種不同形狀和尺寸的微觀幾何形態(tài)1。 表面形貌不僅直接影響零件的耐磨性、 耐腐蝕性和密封性等，而且零件裝配后對(duì)設(shè)備的整體工作性能、使用壽命、振動(dòng)和噪聲等有很大影響。表面形貌提供了重要的表面信息，同時(shí)對(duì)表面的摩擦、潤(rùn)滑特性有重要影響，所以，有關(guān)表面形貌的研究是一項(xiàng)具有重要意義的課題。表面形貌極大的影響著表面的使用性能，表面形貌評(píng)定的核心是在于對(duì)特征信號(hào)的無(wú)失真提取和對(duì)使用性能的定量描述2。 表面形貌的研究始于二維輪廓的分析，而三維的定量研究，首先是測(cè)量表面儀器的出現(xiàn)。上世紀(jì)

11、70 年代，三維表面測(cè)量?jī)x器的出現(xiàn)和發(fā)展，人們開(kāi)始對(duì)三維表面進(jìn)行研究。直到上世紀(jì)八十年代，單板機(jī)的出現(xiàn)， 國(guó)內(nèi)外在學(xué)術(shù)研究上又掀起了三維分析的新高潮， 如 W.R.Devise 、T.Tsukada 、EC.Teague 、L.De.Chiffre 等；國(guó)內(nèi)有國(guó)家計(jì)量院、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等，大多在二維輪廓儀測(cè)量原理的基礎(chǔ)之上，加一縱向?qū)к墸倥渖嫌?jì)算機(jī)構(gòu)成三維輪廓測(cè)量?jī)x3。隨著光學(xué)、電子測(cè)量?jī)x器的出現(xiàn)，測(cè)量精度不斷提高，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及數(shù)字圖像處理技術(shù)和數(shù)據(jù)處理能力不斷提高，使三維微觀形貌分析進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。近年來(lái)，新的數(shù)學(xué)方法如分形、小波等都被很好地應(yīng)用于表面表征

12、?？傮w來(lái)說(shuō)， 三維領(lǐng)域表面形貌的表征評(píng)定方法主要有： 基準(zhǔn)參數(shù)法、 Motif 法、分形法、小波分析法。1、基準(zhǔn)參數(shù)法該方法是通過(guò)測(cè)量得到的表面數(shù)據(jù)，采用參數(shù)來(lái)定量描述，參數(shù)的計(jì)算得有一個(gè)評(píng)定基準(zhǔn)。二維輪廓的參數(shù)采用中線作為基準(zhǔn)，對(duì)于三維表面，就需要一個(gè)評(píng)定基準(zhǔn)面。因?yàn)閷?shí)際表面本身是被測(cè)量的對(duì)象，不能將其作為基準(zhǔn)面，而設(shè)計(jì)的幾何表面又是理想表面，其具體位置也不太清楚，所以要用某個(gè)給定面來(lái)體現(xiàn)基準(zhǔn)面，要求它不僅具有幾何表面的形狀、方位，而且和實(shí)際表面在空間上走向一致。此表面可用數(shù)學(xué)方法來(lái)確定 ，如最小二乘多項(xiàng)式擬合法、濾波法等。 （1）最小二乘多項(xiàng)式法 ：將被測(cè)表面表示為一多項(xiàng)式函數(shù)，利用最小二

13、乘原理確定多項(xiàng)式系數(shù)，從而給出評(píng)定基準(zhǔn)。這種基準(zhǔn)表面確定方法是對(duì)表面低頻信號(hào)的一種近視擬合，受函數(shù)形式和多項(xiàng)式階次的限制，這種方法對(duì)于二維輪廓評(píng)定較為簡(jiǎn)單實(shí)用，卻不適合用于三維功能的評(píng)定。 （2）濾波法：在頻域內(nèi)直接對(duì)被測(cè)表面原始信號(hào)進(jìn)行分解，生成基準(zhǔn)輪廓。要求濾波器必須是線性的和零相位的；同時(shí)要求光滑的截止轉(zhuǎn)化以避免振蕩效應(yīng)。常用于定義基準(zhǔn)表面的兩個(gè)零相位數(shù)字濾波器是：區(qū)域?yàn)V波器和高斯濾波器。但是，高斯濾波器有兩個(gè)前提條件：不相關(guān)的形狀誤差和轉(zhuǎn)換誤差已消除；表面微觀形貌由不同波長(zhǎng)的諧波疊加而成。因此，三維表面的中平面評(píng)定基準(zhǔn)的確定比二維輪廓的中線制基準(zhǔn)麻煩得多，以上評(píng)定- 2 -基準(zhǔn)都是在相

14、應(yīng)二維輪廓評(píng)定基準(zhǔn)的一種延伸，在三維表面形貌的評(píng)定中需要有新的方法來(lái)確定更能體現(xiàn)表面形狀相一致的評(píng)定基準(zhǔn)。在以上評(píng)定基準(zhǔn)面確定以后，可以采用參數(shù)來(lái)定量表征三維表面形貌的幅度特征、空間特征、功能特性等。W.P.Dong4-5等采用最小均方根平面作為評(píng)定基準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)了一組評(píng)定三維表面形貌的參數(shù)，該參數(shù)體系分為四類(lèi)：幅度參數(shù)、空間參數(shù)、綜合參數(shù)和功能參數(shù)。幅度參數(shù)是在對(duì)應(yīng)的二維參數(shù)基礎(chǔ)上的擴(kuò)展，表征表面高度的統(tǒng)計(jì)特性、極值特性和高度分布的形狀特征，包括表面粗糙度的均方根偏差、表面十點(diǎn)高度、表面高度分布的偏態(tài)、峰態(tài)。空間參數(shù)用于評(píng)定三維表面的紋理及其分布，包括最快衰減自相關(guān)長(zhǎng)度、表面峰頂密度、表面結(jié)構(gòu)形

15、狀比和表面紋理方向。綜合參數(shù)是基于幅度和空間兩方面信息的綜合，對(duì)表面特性進(jìn)行數(shù)字定義，包括表面均方根斜率、算術(shù)平均頂點(diǎn)曲率和展開(kāi)界面面積比。功能參數(shù)包括表面支承指數(shù)、中心液體滯留指數(shù)、谷區(qū)液體滯留指數(shù)三個(gè)指數(shù)和實(shí)體體積、中心區(qū)液體體積和谷區(qū)液體體積三個(gè)體積參數(shù)。將表面分成峰區(qū)、中心區(qū)和谷區(qū)三個(gè)部分對(duì)表面功能進(jìn)行評(píng)定。形成了一個(gè)（14+3）參數(shù)體系的參考標(biāo)準(zhǔn)，避免重返二維參數(shù)的混亂狀態(tài)。但是這個(gè)參數(shù)體系是建立在表面最小均方根基準(zhǔn)面的基礎(chǔ)上，對(duì)于三維表面求取過(guò)于復(fù)雜，而且這種基準(zhǔn)本身就不能很好的和實(shí)際表面形貌相一致，所得參數(shù)就存在一定的誤差，僅僅在歐共體范圍內(nèi)推廣，沒(méi)有形成統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。2、Mo

16、tif 法工程表面的粗糙度和波紋度之間一直沒(méi)有明確的界限，而它們的產(chǎn)生原因及對(duì)零件表面性能的影響卻不同。Motif 法是從表面原始信息出發(fā)，通過(guò)預(yù)先設(shè)置的不同閾值將波紋度和表面粗糙度分離，強(qiáng)調(diào)大的輪廓峰和谷對(duì)功能的影響，在評(píng)定中選擇重要的輪廓特征，忽略不重要的特征2。但二維 Mo t if 同樣對(duì)三維表面形貌不能很好地反應(yīng), 三維 Mo t if 目前還沒(méi)有統(tǒng)一的定義和評(píng)定參數(shù)。Pawl6等人將表面形貌看作峰、谷兩種基本組成成分，分別對(duì)峰和谷定義，采用變化樹(shù)理論表達(dá)峰和谷間的聯(lián)系，給出了變化樹(shù)的 11 個(gè)簡(jiǎn)化準(zhǔn)則，提出谷對(duì)表面連通性有極大的作用。二維 Mo t if 法存在一些缺陷，首先各向異

17、性表面在不同方向上測(cè)量得到的二維輪廓不同；不同表面的寬度閾值沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；它的四個(gè)合并準(zhǔn)則也是多年的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，缺乏理論依據(jù)；兩維分析中定義的形狀、波度、粗糙度反映的是高度信息，沒(méi)有考慮方向特征。三維 Mo t if 目前沒(méi)有統(tǒng)一的定義方式，Mot if 的合并準(zhǔn)則也是因人而異，更沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)定參數(shù)。3、分形法近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外表征和研究機(jī)械加工表面微觀結(jié)構(gòu)越來(lái)越多的使用分形幾何這一數(shù)學(xué)工具。研究表明，許多機(jī)械加工表面呈現(xiàn)出隨機(jī)性、多尺度性和自仿射性， 即具有分形的基本特征7， 因此， 采用分形幾何理論來(lái)分析是合理的、 有效的。在機(jī)加工微觀形貌表征中，應(yīng)用最多的分形參數(shù)是分形維數(shù)。分形維數(shù)表達(dá)了表

18、面所具有的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多少以及這些結(jié)構(gòu)的細(xì)微程度，微細(xì)結(jié)構(gòu)在整個(gè)表面中所占能量的相對(duì)大小，分形維數(shù)越大，表面中非規(guī)則結(jié)構(gòu)越多，結(jié)構(gòu)越精細(xì)，所具- 3 -有的能量相對(duì)越大，具有更強(qiáng)的填充能力2。袁長(zhǎng)良8等人用 W-M 分形函數(shù)來(lái)表征微觀形貌，發(fā)現(xiàn)所得分形維數(shù) D 是不依賴于測(cè)量尺度而變化的固有參數(shù)，并根據(jù)分形幾何建立的表面輪廓的數(shù)學(xué)模型可模擬出表面。 費(fèi)斌9等人明確提出了有關(guān)分形參數(shù)的物理意義， 基于 W-M 函數(shù)建立的分形參數(shù)與傳統(tǒng)表面精度指標(biāo)之間的關(guān)系。楊培中10利用三角域上的分形插值曲面理論，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行表面粗糙度的三維評(píng)定，可以大大減少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)量，提高三維評(píng)定效率。劉小君11以分形理論為

19、基礎(chǔ)，對(duì)磨損前后的缸套內(nèi)腔表面輪廓進(jìn)行測(cè)量，分形分析結(jié)果表明，缸套內(nèi)腔表面具有多重分形特征。分形維數(shù)沒(méi)有統(tǒng)一的計(jì)算方法，李成貴12-15等人利用分形理論，提出粗糙表面輪廓的分形維數(shù)計(jì)算方法，根據(jù)分形幾何理論建立表面輪廓的數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬表面輪廓，為三維表面形貌的參數(shù)評(píng)定提供理論依據(jù)。近年來(lái)，新的分形維數(shù)計(jì)算方法不斷出現(xiàn)，王安良16提出應(yīng)用小波變換計(jì)算表面形貌分形特征參數(shù)。夏勇17等人提出了一種可變結(jié)構(gòu)元的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)分形維數(shù)估計(jì)方法。P.Podisadlo18等人提出了一種表征摩擦表面的新方法分形小波混合法，這種方法是利用小波表征表面各個(gè)尺度，再利用分形表征不變尺度上的特征。分形表征表面的理論在不

20、斷完善，綜合以上分形研究結(jié)果，可以看出分形分析也存在以下的局限性：并非所有表面都具有分形特征，分形維數(shù)能否表征實(shí)際表面有待進(jìn)一步研究，分形的數(shù)學(xué)模型沒(méi)有考慮表面的功能特性，沒(méi)有唯一確定的分形維數(shù)的計(jì)算方法。4、小波分析小波分析是將原始信號(hào)分解為尺度空間上的基本成分組，可將不同成分分離后再極好地重構(gòu)。利用小波變換分析工程表面特征，首先要對(duì)原始信號(hào)在不同分辨率下進(jìn)行多尺度近似，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)偏差、波紋度、粗糙度等特征波長(zhǎng)，根據(jù)多尺度近似提供的信息將多尺度表面特征分離19，小波變換用于機(jī)械加工表面評(píng)定主要是采用小波分解產(chǎn)生基準(zhǔn)線（面） 。陳慶虎20-21等人提出由小波分解產(chǎn)生的基準(zhǔn)線光滑自然、沒(méi)有特定

21、的函數(shù)形式等特點(diǎn)，產(chǎn)生的三維基準(zhǔn)面能精確地把表面粗糙度和其他輪廓成分分離；宋康22等人利用小波函數(shù)通過(guò)循環(huán)迭代得到的極限函數(shù)，能夠很好的解釋機(jī)械加工磨削表面分形特征的形成。王安良23等人提出用小波變換方法評(píng)價(jià)機(jī)械加工表面形貌的分形特征有很好的準(zhǔn)確性，并提出利用小波變換計(jì)算表面粗糙度分形維數(shù)的新方法。 S.H.LEE24等人提出利用小波變換對(duì)三維表面粗糙度 Mo t if 的檢測(cè)和多尺度分析開(kāi)辟新天地。小波分析為表面形貌的評(píng)定解決了長(zhǎng)期以來(lái)基準(zhǔn)面難于確定的問(wèn)題，但是現(xiàn)有的小波濾波技術(shù)尚存在許多未解決的問(wèn)題：小波分解的有效性受小波基和小波分解次數(shù)的限制，沒(méi)有固定的選擇方法來(lái)決定；現(xiàn)有小波雖然分離了

22、各種表面形貌特征，但只能得到真實(shí)表面的有限信息。從以上表面形貌的表征方法可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)表面形貌的幅度方向表征較多，而對(duì)表面空間方向性表征不夠；大多數(shù)表面表征參數(shù)與表面性能之間沒(méi)有必然的聯(lián)系，因此，本文著重從表面紋理的方向性入手，采用邊緣檢測(cè)方法，通過(guò)邊緣圖像實(shí)現(xiàn)表面形貌的紋理表征，用圖像的方式直觀顯示；同時(shí)采用平均流量模型，- 4 -將表面形貌與表面摩擦、潤(rùn)滑性能聯(lián)系起來(lái)，研究研究表面功能與表面形貌的關(guān)系。1.2 三維表面形貌圖像表征原理一幅圖像可以用一個(gè)二維數(shù)組 f(x, y)來(lái)表示，x，y 分別表示 2-D 空間 XY 平面上一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的位置，f 代表圖像在點(diǎn)(x, y)的某種性質(zhì) F 的值

23、 ，例如：灰度圖像表示灰度值，對(duì)應(yīng)客觀景物被觀測(cè)到的亮度25?；叶戎档拇笮∨c表面微觀結(jié)構(gòu)在每個(gè)采樣點(diǎn)的高度成線性關(guān)系，這樣通過(guò)一幅灰度圖像完全可以表征表面微觀特征。圖像信息具有直觀、形象、易懂和信息量大的特點(diǎn)，而且可以通過(guò)圖像處理的方法對(duì)表面的特征進(jìn)行提取和分析，從而實(shí)現(xiàn)表面形貌的表征。本章針對(duì)模擬不同紋理特征的表面圖像以及采用 WYKO 三維光學(xué)輪廓儀測(cè)量得到的表面灰度圖像，采用邊緣檢測(cè)的方法，提取圖像的方向性特征，從而實(shí)現(xiàn)表征表面形貌紋理方向特性。1.3 本論文的主要內(nèi)容論文主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)部分：第一章 緒論部分，主要對(duì)三維表面的表征及圖像表征原理作了簡(jiǎn)要的概述。第二章 研究了表面紋理

24、的方向性表征，模擬幾種不同特征的紋理表面，采用圖像處理中邊緣檢測(cè)的方法，提取圖像的邊緣，以及圖像邊緣對(duì)應(yīng)表面的紋理特征。第三章 采用與平均流量模型研究相同的方法，研究流量因子與表面紋理方向的關(guān)系；計(jì)算表面紋理角度對(duì)表面潤(rùn)滑性能的影響?？偨Y(jié)對(duì)論文內(nèi)容做出總結(jié)，找出論文存在的不足及有待完善的地方。- 5 -第二章第二章 表面紋理方向性表征表面紋理方向性表征邊緣檢測(cè)邊緣檢測(cè)2.1 邊緣檢測(cè)方法的概述邊緣是圖像上變化最劇烈的地方，兩個(gè)具有不同灰度值的相鄰區(qū)域之間總存在邊緣。常見(jiàn)的邊緣點(diǎn)有：階梯型邊緣、屋頂型邊緣、線形邊緣。圖像邊緣是圖像局部特征不連續(xù)的結(jié)果（灰度突變、顏色突變、紋理結(jié)構(gòu)突變等）的反映，

25、蘊(yùn)含了豐富的內(nèi)在信息（如方向、形狀等） ，是圖像識(shí)別中重要的圖像特征之一27。邊緣的這種不連續(xù)性可以通過(guò)求導(dǎo)的方法檢測(cè)到，一般可以用一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)來(lái)檢測(cè)邊緣。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常用模板（算子）卷積代替求導(dǎo)。邊緣檢測(cè)的基本思想是首先利用邊緣增強(qiáng)算子， 突出圖像中的局部邊緣， 然后定義像素的 “邊緣強(qiáng)度” ， 通過(guò)設(shè)置閾值的方法提取邊緣點(diǎn)集28。常用的邊緣檢測(cè)算子有 Robert 算子、Sobel 算子、Prewitt 算子、Log 算子、Canny 算子，其中前三種是一階導(dǎo)數(shù)算子，Log 算子是二階導(dǎo)數(shù)算子。1、Robert 算子Robert 算子是一種利用局部差分算子尋找邊緣的算子， 其模板

26、如表 2-1 所示，對(duì)具有陡峭的低噪音的圖像效果較好。表 2-1Robert 算子模板100-12、Sobel 算子Sobel 算子是濾波算子的形式，用于提取邊緣，它的兩個(gè)卷積核如表 2-2 所示，第一個(gè)核對(duì)垂直邊緣影響較大，第二個(gè)核對(duì)水平影響最大。兩個(gè)核卷積的最大值作為該點(diǎn)的輸出值，運(yùn)算結(jié)果是一幅邊緣幅度圖像。對(duì)灰度漸變和噪聲較多的圖像處理較。表 2-2Sobel 算子模板121000-1-2-13、Prewitt 算子Prewitt 算子的兩個(gè)卷積核如表 2-3 所示，與使用 Sobel 算子的方法一樣，圖像中的每個(gè)點(diǎn)都用這兩個(gè)核做卷積，取最大值作為輸出，Prewitt 算子也產(chǎn)生一幅邊緣

27、幅度圖像，對(duì)灰度漸變和噪聲較多的圖像處理得較好。0-110-101-202-101- 6 -表 2-3Prewitt 算子模板111000-1-1-14、Canny 算子Canny 算子檢測(cè)邊緣的方法是尋找圖像梯度的局部極大值，梯度是利用高斯濾波器的導(dǎo)數(shù)計(jì)算的。Canny 方法使用兩個(gè)閾值來(lái)分別檢測(cè)強(qiáng)邊緣和弱邊緣，當(dāng)且僅當(dāng)弱邊緣與強(qiáng)邊緣相連時(shí)，弱邊緣才會(huì)包含在輸出中。此方法不易受噪聲的干擾，能檢測(cè)到真正弱邊緣，但是，也可能出現(xiàn)假輪廓。5、Log 算子拉普拉斯算子的卷積核如表 2-4 所示，它是一個(gè)二階算子，將在邊緣處產(chǎn)生一個(gè)陡峭的零交叉。拉普拉斯算子是一個(gè)線性的、移不變算子，它的傳遞函數(shù)在頻域

28、空間的原點(diǎn)為零，因此經(jīng)拉普拉斯濾波過(guò)的圖像具有零平均灰度。Log 算子濾波原理是先用高斯低通濾波器將圖像進(jìn)行預(yù)先平滑，然后用拉普拉斯算子找出圖像中的陡峭邊緣，最后用零灰度值進(jìn)行二值化，產(chǎn)生閉合的、連通的輪廓，消除所有內(nèi)部點(diǎn)。表 2-4Log 算子模板-1-1-1-18-1-1-1-12.2 表面形貌的模擬粗糙表面可視為隨機(jī)過(guò)程26，表面粗糙度幅度分布基本符合正態(tài)分布，因此，可以采用正態(tài)隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生函數(shù)來(lái)生成一個(gè)二維數(shù)組，數(shù)組的數(shù)值代表各點(diǎn)的高度；表面的紋理特征可以在正態(tài)分布數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，加入一些特征，即人為地按照一定規(guī)律改變數(shù)組的數(shù)值，這樣就可以設(shè)計(jì)出不同特征的表面。常見(jiàn)的機(jī)械加工表面一般是先粗

29、加工，再精加工形成，這樣粗加工形成的紋理上的峰被精加工所磨平，剩下的大多是低谷部分，尤其是一些經(jīng)過(guò)磨合后的表面。因此，模擬表面時(shí)，按照均值為零，方差為一定精度的數(shù)值來(lái)模擬精加工表面，對(duì)其加入一些向下的溝槽代替粗加工留下的痕跡。根據(jù)溝槽方向不同，將表面分成不同方向的紋理表面，用紋理角度來(lái)表征。紋理角度的定義方法：對(duì)于單向紋理表面，設(shè)水平向右為 X 方向，紋理方向與之平行的定義為 0 度；垂直向上的方向?yàn)?Y 方向， 紋理方向與之平行的為 90 度； 從 x 軸開(kāi)始， 逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎颍?0-110-110-10-10-14-10-10- 7 -紋理方向與 x 軸的夾角定義為紋理角度，用字母來(lái)表示

30、。這樣紋理角度的范圍 0180如圖 2-1（a）所示。對(duì)于交叉紋理表面，兩條主要紋理方向在水平方向的夾角定義為交叉紋理角度， 用字母來(lái)表示。 這樣叉角度的范圍 0180如圖 2-1（b）所示。為了簡(jiǎn)化處理，在本論文中僅模擬了一些具有代表性方向的紋理表面，即 0、30、45、60、90、120、135、150單向紋理表面,如圖 2-2(a-h）所示；當(dāng)交叉紋理角度太小或者太大時(shí)的表面分別與對(duì)應(yīng)的單向紋理 0、90相似，因此交叉紋理表面僅模擬了 50、70、90、110、130五種情況以及各向同性無(wú)溝槽紋理表面，如圖 2-3(a-f）所示。除了一些有明顯方向性特征的表面外，還模擬了其他方向性特征的

31、表面，如圓環(huán)紋理的表面，如圖 2-4 所示。xy(a) 單向紋理角度（b）交叉紋理角度圖 2-1 紋理方向角度的定義（a）0紋理表面（b）30紋理表面（c）45紋理表面（d）60紋理表面- 8 -（e）90紋理表面（f）120紋理表面（g）135紋理表面（h）150紋理表面圖 2-2 各種單向紋理模擬表面（a）50交叉紋理表面（b）70交叉紋理表面（c）90交叉紋理表面（d）110交叉紋理表面- 9 -（e）130交叉紋理表面（f）各向同性表面圖 2-3 各種交叉紋理模擬表面和各向同性表面圖 2-4 圓環(huán)紋理表面2.3 模擬表面邊緣檢測(cè)效果分析圖 25 給出了對(duì) 0、45、90度單向紋理表面和

32、圓環(huán)以及 90交叉紋理等模擬表面的灰度圖和邊緣檢測(cè)結(jié)果?；叶葓Dsobelprewittrobertscannylog灰度圖sobelprewittrobertscannylog(a) 0紋理表面(b) 45紋理表面- 10 -灰度圖sobelprewittrobertscannylog灰度圖sobelprewittrobertscannylog(c)90紋理表面(d) 90交叉紋理表面灰度圖sobelrobertsprewittcannylog(e) 圓環(huán)模擬表面圖 2-5 模擬表面邊緣檢測(cè)結(jié)果由分析可知，各種邊緣檢測(cè)算子基本上都能把表面上加入的特征檢測(cè)出來(lái)，對(duì)于不同的模擬表面，各種邊緣檢測(cè)算

33、子檢測(cè)效果不同。sobel、prewitt 算子對(duì)于任何表面檢測(cè)結(jié)果都差不多，基本上都能檢測(cè)出表面紋理特征。它們的主要差別就是 sobel 算子對(duì)周邊像素按照加權(quán)平均計(jì)算，而 prewitt 算子僅僅是一個(gè)算術(shù)平均。它們對(duì)于灰度漸變和噪聲較多圖像處理效果較好，邊緣定位較準(zhǔn)確，如圖 2-5（b）所示；Robert 算子對(duì)于具有陡峭的低噪聲圖像處理較好，但是對(duì)于其他特征不是很明顯或者噪聲較多的圖像，檢測(cè)得到的邊緣圖像不連續(xù)或者有孤立的點(diǎn)存在，如圖 2-5（b） 、 （d） 、 （e）所示。Canny 算子能檢測(cè)到真正的弱邊緣，但是，檢測(cè)到的弱邊緣可能不是表面的特征，這樣會(huì)出現(xiàn)假輪廓現(xiàn)象，如 2-5

34、 圖中（a） 、（b） 、 （c） 、中除了特征紋理以外的一些無(wú)規(guī)律的邊緣都屬于假輪廓，因此，此方法對(duì)于這種模擬表面不是很適合。Log 算子是將自身與周?chē)?8 個(gè)像素相減，表示自身與周?chē)袼氐牟顒e，再將這個(gè)差別與自身相加作為新像素的灰度。因此，如果圖像中一個(gè)亮點(diǎn)，處理結(jié)果使亮點(diǎn)更亮，增強(qiáng)了圖像的噪聲，表現(xiàn)為圖像中的孤立點(diǎn)；另一方面，檢測(cè)得到的邊緣會(huì)出現(xiàn)雙像素現(xiàn)象，使得定位不準(zhǔn)確，一般是使得紋理變寬，例如圖 2-5（a） 、 （b）邊緣紋理寬度明顯大于其他檢測(cè)得到的邊緣圖像。從以上檢測(cè)結(jié)果可以看出，得到的邊緣圖像與表面紋理特征相對(duì)應(yīng)，表現(xiàn)為紋理的方向性與表面的邊緣方向一致；紋理的寬度與溝槽寬度

35、一致。盡管不同檢- 11 -測(cè)方法得到的效果不同，但是它們都能很好地找出表面的紋理特征，所以邊緣檢測(cè)的方法可以實(shí)現(xiàn)表面的紋理特征表征。對(duì)于不同表面，可以根據(jù)表面紋理特征選擇相應(yīng)的算子做邊緣檢測(cè)得到相應(yīng)的邊緣圖像，從檢測(cè)得到的邊緣圖像我們就可以得知表面紋理的空間分布、紋理的方向性等特征，從而邊緣檢測(cè)不失為表面紋理表征的一種新方法。2.4 測(cè)量表面及其邊緣檢測(cè)分析以上分析可知邊緣檢測(cè)能實(shí)現(xiàn)表面紋理表征，這里對(duì)幾種實(shí)際加工表面進(jìn)行邊緣檢測(cè)，驗(yàn)證以上方法的可行性。因?yàn)閷?shí)際表面形貌都是通過(guò)不同的加工方法得到的，表面形貌的表征以及研究分析首先必須對(duì)表面形貌進(jìn)行測(cè)量。本文中應(yīng)用的表面都是采用 WYKO 輪廓

36、儀測(cè)量得到的，通過(guò) WYKO 三維光學(xué)輪廓儀能夠測(cè)量得到表面的灰度圖像以及對(duì)應(yīng)的粗糙度幅度的最大值和最小值等。 圖 2-6（a-e）是測(cè)量得到的幾種表面形貌的灰度圖像。(a) 交叉紋理表面(b) 圓環(huán)紋理表面(c) 垂直紋理表面(d)缸套表面 1(e) 缸套表面 2圖 2-6WYKO 輪廓儀測(cè)量得到的實(shí)際表面灰度圖像- 12 -對(duì)于上述測(cè)量得到的表面，采用以上各種邊緣檢測(cè)算子分別對(duì)各表面進(jìn)行邊緣檢測(cè)。圖像邊緣是圖像局部特征不連續(xù)的結(jié)果，蘊(yùn)含表面的形狀、紋理結(jié)構(gòu)突變等信息，在灰度圖像中表現(xiàn)為灰度值的不連續(xù)，具有不同灰度值的相鄰區(qū)域總存在邊緣。邊緣檢測(cè)是對(duì)圖像中灰度值不連續(xù)區(qū)域做標(biāo)記，輸出這些邊緣

37、圖像。實(shí)際表面總是存在或多或少的形狀、波紋度因素，尤其是缸套表面圖像存在明顯的形狀影響，以至于表面紋理特征模糊不清；另一方面表面在加工過(guò)程中由于振動(dòng)、噪聲、測(cè)量信號(hào)傳輸誤差等使得圖像模糊。因此，所有測(cè)量得到的表面灰度圖像都沒(méi)有模擬表面圖像清晰，表面上的紋理特征也不是很規(guī)則，圖像比較模糊，影響邊緣檢測(cè)效果。如圖 2-7（a-e）所示，前面三種紋理表面是一般平面圖像，后面是缸套表面，有形狀因素在內(nèi)?；叶葓Dsobelrobertsprewittcannylog灰度圖sobelrobertsprewittcannylog(a) 交叉紋理表面(b) 圓環(huán)紋理表面灰度圖sobelrobertsprewit

38、tcannylog灰度圖sobelrobertsprewittcannylog(c) 垂直紋理表面(d)缸套表面 1- 13 -灰度圖sobelrobertsprewittcannylog(e)缸套表面 2圖 2-7 實(shí)際表面邊緣圖像從以上各種表面檢測(cè)得到的邊緣圖像中我們可以看出：Sobel、Prewitt 兩種算子能檢測(cè)出表面的主要紋理邊緣，基本能夠表征表面的主要紋理特征，因此邊緣檢測(cè)方法應(yīng)用于圖像紋理表征是可行的。其他算子檢測(cè)得到的邊緣基本難以辨別，Robert 算子檢測(cè)的邊緣不連續(xù)，有些就只有孤立的點(diǎn)，Canny 算子檢測(cè)得到的邊緣假輪廓太多， 而Log受噪聲影響大。 因此， 對(duì)于實(shí)際測(cè)

39、量表面只有用Sobel、 Prewitt兩種方法來(lái)檢測(cè)邊緣。2.5 模擬表面和測(cè)量表面邊緣檢測(cè)方法效果比較（1）從以上各種類(lèi)型的模擬表面和測(cè)量表面的邊緣檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，模擬表面因?yàn)樘卣髅黠@，檢測(cè)效果較好；實(shí)際測(cè)量表面由于形狀因素、測(cè)量過(guò)程中誤差、噪聲以及圖像模糊等原因，檢測(cè)效果不是很好，但是，表面紋理的主要特征還是可以檢測(cè)出來(lái)。（2）不同算子對(duì)不同類(lèi)型的表面檢測(cè)的效果不一樣。Robert 算子對(duì)具有陡峭的低噪聲圖像處理效果較好，對(duì)于變化緩慢或者噪聲較多的表面，圖像處理結(jié)果可能出現(xiàn)邊緣不連續(xù)或者孤立的點(diǎn)，如上面的交叉紋理表面及測(cè)量表面。Sobel、Prewitt 兩種方法檢測(cè)效果相當(dāng)，對(duì)灰度漸變和

40、噪聲較多的圖像處理效果較好，對(duì)邊緣定位較準(zhǔn)確，但可能有毛刺現(xiàn)象，從各種模擬表面和測(cè)量表面可以看出結(jié)果。Canny 法可以把所有特征的邊緣檢測(cè)出來(lái)，但是可能會(huì)出現(xiàn)很多假邊緣，使檢測(cè)邊緣不真實(shí)反映表面特征，從各種模擬表面可以看出。Log 法經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)雙邊緣像素，從而使紋理寬度變大，如水平、45 度、垂直紋理表面等檢測(cè)得到的紋理寬度明顯大于其它方法；檢測(cè)方法對(duì)噪聲較敏感，出現(xiàn)一些孤立的點(diǎn)，如垂直紋理表面、方底特征表面、各種測(cè)量表面等。（3）在實(shí)際測(cè)量得到的缸套圖像中，由于形狀存在，邊緣上的紋理不能檢測(cè)出來(lái)。對(duì)于這種含有形狀的圖像，要想得到紋理的基本特征，必須先進(jìn)行濾波處理，除掉形狀因素的影響。- 1

41、4 -第三章第三章 三維表面紋理的方向性對(duì)潤(rùn)滑性能的影響三維表面紋理的方向性對(duì)潤(rùn)滑性能的影響3.1 平均流量模型簡(jiǎn)介研究表面的潤(rùn)滑特性必須通過(guò)一些反應(yīng)承載、摩擦方面性能的參數(shù)來(lái)表征。前面幾部分模擬了各種不同紋理的表面，接下來(lái)我們將引入平均流量模型，根據(jù)流量因子來(lái)計(jì)算表面平均壓力，進(jìn)而計(jì)算出流體承載、表面摩擦力。比較不同表面形貌下流體承載力、表面摩擦力的大小來(lái)分析表面性能與表面形貌的關(guān)系。Nadir Patir 和 H.S.Cheng29-30針對(duì)等溫條件下不可壓縮流體三維粗糙表面的動(dòng)壓潤(rùn)滑問(wèn)題，根據(jù)流量相等的原理，提出了平均流量模型。引入流量因子來(lái)表達(dá)表面粗糙度影響，并推導(dǎo)出平均 Reynol

42、ds 方程，即thxUUxhUUyphyxphxTSTyx221212212133（3-1）式（3-1）中，右邊第一項(xiàng)為滾動(dòng)引起的動(dòng)壓項(xiàng)，第二項(xiàng)為滑動(dòng)引起的動(dòng)壓項(xiàng)，第三項(xiàng)為擠壓項(xiàng)。其中，p為平均壓力，Th為各點(diǎn)實(shí)際油膜厚度的平均值，t 為時(shí)間變量，x、y 分別為 x、y 方向的壓力流量因子，它表示粗糙表面間平均壓力流量與光滑表面間的壓力流量之比。s 是剪切流量因子，它考慮兩個(gè)粗糙表面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的附加流量的影響。3.2 壓力流量因子的推導(dǎo)由于表面是粗糙的，一般表面與表面之間的接觸僅僅是局部峰之間的接觸，如圖 3-1 所示。兩表面都有一個(gè)基準(zhǔn)表面，圖中虛線所示，兩虛線之間的距離即為油膜的名義厚

43、度，用 h 來(lái)表示，圖中線段的長(zhǎng)度。任意點(diǎn)的局部油膜厚度 hT，即各點(diǎn)名義油膜厚度與表面粗糙度幅度的和。 表面粗糙度的幅度用1、 2 表示，假設(shè)服從正態(tài)分布，模擬表面由隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生，產(chǎn)生方法在第二章中已經(jīng)詳細(xì)說(shuō)明。hhT21圖 3-1 兩摩擦副表面之間的接觸狀態(tài)Th= h+1+2（3-2）- 15 -其中 hT 為局部油膜厚度，h 為名義油膜厚度，1、2 表面粗糙度幅度，假設(shè)表面粗糙度滿足均值為 0，方差分別為1、2 的高斯分布。對(duì)于等溫、不擠壓狀態(tài)下彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑幅的壓力分布由下面的Reynolds 方程決定。thxhUUyphyxphxTTTT2)12()12(2133（3-3）為了計(jì)算

44、壓力流量因子x 、y，僅考慮純滾動(dòng)狀態(tài)，U1=U2=U；化簡(jiǎn)上式；xhUthTT（3-4）右邊等于 0，上面的 Reynolds 方程可以簡(jiǎn)化為下面的形式：0)12()12(33yphyxphxTT（3-5）邊界條件：1） p=PA，在 x=0 處2）p=PB，在 x=Lx 處3）yLyyyp, 0, 04）接觸點(diǎn)處壓力按照平均處理上式求出壓力分布后，計(jì)算壓力流量因子的公式為：xLyxLPAPBxpxphdyxpHLy12)12(1303（3-6）yphdxypHLxLxy12)12(1303yLPAPByp（3-7）3.3 表面紋理對(duì)潤(rùn)滑性能及承載力的影響3.3.1 平均壓力的求解前面計(jì)算流

45、量因子的兩表面是平面，這里模擬一對(duì)摩擦副表面代表缸套活塞環(huán)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)小區(qū)域。 假設(shè)上表面圓弧形光滑運(yùn)動(dòng)表面， U2=U 代表活塞環(huán)表面；下表面粗糙靜止，U1=0，代表缸套表面，模擬不同方向的紋理，模擬表面模型如下圖 3-2 所示。- 16 -h05.0 m(a)模型立體圖（b）最小名義油膜厚度截面圖 3-2 模擬缸套活塞環(huán)模型由于表面名義油膜厚度不同，流量因子也不同。先計(jì)算出表面不同高度點(diǎn)處的流量因子，再將相應(yīng)高度的流量因子代入平均流量模型公式計(jì)算對(duì)應(yīng)名義油膜厚度處的平均壓力，這樣就實(shí)現(xiàn)了表面名義油膜厚度與紋理角度的耦合。將表面速度代入公式 3-1 得：thxUxhUyphyxphxtStyx

46、22121233（3-8）上式中 h 為名義油膜厚度，按照以下計(jì)算公式，假設(shè)最小油膜厚度為 h0=0.5微米，x 點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的名義油膜厚度為：220 xrrhh（3-9）r 為對(duì)應(yīng)圓弧半徑。為表面粗糙度均方根。x、y、s 為不同表面名義油膜厚度為 h 處的壓力流量因子和剪切流量因子，計(jì)算方法與前面相同。 dfhhht（3-10）這里的 f()是高斯分布密度函數(shù)。因?yàn)槟ず癖容^大，即表面幾乎不接觸，可以按照 h 近視計(jì)算。由于只計(jì)算瞬態(tài)油膜的平均壓力，方程 3-8 右邊最后一項(xiàng)可以不考慮，因此公式 3-8 簡(jiǎn)化為：xUxhUyphyxphxStyx22121233（3-11）假設(shè) x，y 方向采樣長(zhǎng)

47、度相等 ，按照有限差分法離散公式 3-12 化簡(jiǎn)得- 17 -),(),21(),21(),21(),21()21,()21,()21,()21,(), 1(),21(),21(), 1(),21(),21() 1,()21,()21,() 1,()21,()21,(33333333jipjihjiyjihjijihjijihjijipjihjiyjipjihjijipjihjijipjihjiyxxyxx)1,() 1,() 1,() 1,(3jijijihjihxUss（3-12）以上公式中采用中值計(jì)算各點(diǎn)的名義油膜厚度，名義油膜厚度僅僅在 x 方向上按照公式 3-9 計(jì)算， y 方向上不

48、變化。 因此對(duì)應(yīng)的流量因子在 y 方向上也不變化，上表面速度取 U2=10 米每秒。 按照公式 3-12 即可解出不同紋理表面平均壓力分布。3.3.2 流體承載量、表面剪切摩擦力的計(jì)算1、平均流量模型中流體承載量計(jì)算公式dxdypWbl 00（3-13）其中b，l分別為采樣寬度與長(zhǎng)度，圖中取b=l=1000微米。采樣點(diǎn)數(shù)M=N=50，因此，采樣長(zhǎng)度xy20微米。公式3-13離散化得MiNjyxjipMNNMW11),() 1)(1(（3-14）2、表面摩擦力b ldxdyF0 0（3-15）xphhUUfpfsf212（3-16）其中加號(hào)用于上表面，減號(hào)用于下表面，這里取加號(hào)。tfhhE1（3

49、-17）sHfpDe1，26543HaHaafseHA（3-18）式3-18各項(xiàng)是參照 Patir 和 H.S.Cheng 經(jīng)驗(yàn)公式31計(jì)算。MiNjyxjiMNNMF11),() 1)(1(（3-19）3.3.3 流體承載力計(jì)算結(jié)果分析1、單向紋理表面- 18 -按照公式3-14計(jì)算采樣面積為1 mm1 mm的采樣面積上， 流體承載量隨最小油膜厚度h0、表面粗糙度均方根、紋理方向角度的變化規(guī)律如下圖3-3所示。030609012015018045135182022242628303234（）W（N）=0.1 m=0.2 m=0.3 m=0.4 m=0.5 m03060901201501804

50、5135891011121314（）W（N）=0.1 m=0.2 m=0.3 m=0.4 m=0.5 m（a）h0=0.5 m(b) h0=1.0 m0.20.40.60.8112345678（m）W（N）h0=1.5 mh0=2.0 mh0=3.0 m0.20.40.60.8112345678（m）W（N）h0=1.5 mh0=2.0 mh0=3.0 m(c) =30(d) =600.511.522.53051015202530h0（m）W（N）=0=45=90=1350.511.522.530510152025h0（m）W（N）=0=45=90=135(e) =0.2 m(f) =0.4

51、m圖3-3 單向紋理表面流體承載力隨、h0的變化曲線由上圖(a)、(b)可見(jiàn)，流體的承載力隨紋理角度的增加，整體變化不明顯。表面粗糙度大的表面流體承載力的變化比粗糙度值小的表面大；最小油膜厚度小的表面流體承載力比油膜厚度大的表面大。從圖(c)、(d)可以看出，流體承載力隨著表面粗糙度的增大而減小，隨著最小油膜厚度的增加而減小，無(wú)論是30度或60度表面，變化規(guī)律一樣。從圖(e)、(f)可以看出，隨著最小油膜厚度的增加，流體承載力急劇減- 19 -小。當(dāng)表面粗糙度較小時(shí)，不同的紋理角度表面，流體承載力幾乎相等，因此流體承載力與表面紋理方向角度關(guān)系不大。當(dāng)表面粗糙度增大時(shí)，在較小的最小油膜厚度處，流

52、體承載力有明顯變化，隨最小油膜厚度增加，逐漸接近。綜合以上結(jié)論：流體承載力隨著最小油膜厚度增加顯著減小；隨著表面粗糙度增加而減??；隨紋理角度的變化只有在小油膜厚度、較大粗糙度時(shí)才會(huì)表現(xiàn)出來(lái)，而且是上下波動(dòng)，變化沒(méi)有明顯的規(guī)律。2、交叉紋理表面同理，交叉紋理的表面也按照公式3-14計(jì)算采樣面積為1 mm1 mm的表面上，流體承載量隨最小油膜厚度h0、表面粗糙度均方根和紋理方向角度的變化規(guī)律如下圖3-4所示。5070901101301819202122232425（）W（N）=0.1 m=0.2 m=0.3 m=0.4 m=0.5 m5070901101308.599.51010.511（）W（N

53、）=0.1 m=0.2 m=0.3 m=0.4 m=0.5 m（a）h0=0.5 m(b) h0=1.0 m0.20.40.60.810246810（m）W（N）h0=1.5 mh0=2.0 mh0=3.0 m0.20.40.60.811234567（m）W（N）h0=1.5 mh0=2.0 mh0=3.0 m(c) =50(d) =90- 20 -0.511.522.530510152025h0（m）W（N）=50=70=90=110=1300.511.522.530510152025h0（m）W（N）=50=70=90=110=130(e) =0.2 m(f) =0.4 m圖3-4 交叉紋

54、理表面流體承載力隨、h0的變化曲線從上圖3-4(a)、(b)可見(jiàn)，流體的承載力隨紋理交叉角度的增加，整體呈緩慢減小的趨勢(shì)，且表面粗糙度大的表面流體承載力的變化大。從圖(c)、(d)可以看出，流體承載力隨著表面粗糙度的增大而減小，隨著最小油膜厚度的增加而減小，無(wú)論是50度或90度表面，變化規(guī)律一樣。從圖(e)、(f)可以看出，隨著最小油膜厚度的增加，流體承載量急劇減小。不同的交叉紋理角度表面，流體承載力幾乎相等，因此流體承載力幾乎與表面紋理方向角度關(guān)系不大；隨著最小油膜厚度增加，逐漸接近。綜合以上結(jié)論：流體承載力隨著最小油膜厚度增加顯著減??；隨著表面粗糙度增加而減??；隨交叉紋理角度的增加，緩慢減

55、??；在小油膜厚度、較大粗糙度時(shí)才會(huì)表現(xiàn)出上下波動(dòng)，變化沒(méi)有明顯的規(guī)律。3.3.4 流體承載力、上表面摩擦力計(jì)算結(jié)果分析從以上單向紋理和交叉紋理模擬的各種表面的計(jì)算結(jié)果可以得出如下的結(jié)論：（1）對(duì)于所有的模擬表面，流體承載力、上表面摩擦力都隨著最小名義油膜厚度的增加不斷減小，變化規(guī)律最為明顯。即最小名義油膜厚度對(duì)流體承載力、上表面摩擦力的影響最大。（2）對(duì)于所有表面，隨著表面粗糙度的增加，流體承載力不斷減小。最小油膜厚度較小時(shí)，可能出現(xiàn)上表面摩擦力的最大值點(diǎn)，但是總體趨勢(shì)是隨表面粗糙度增大，上表面摩擦力不斷增大。（3） 紋理角度對(duì)流體承載力的影響不是很明顯， 只有在較小油膜厚度和較大粗糙度時(shí)表現(xiàn)

56、出來(lái)；單向紋理表面在紋理角度為90度時(shí)較大，交叉紋理表面在70度處稍微較大。上表面摩擦力隨紋理角度的變化比流體承載力顯著得多，單向紋理表面摩擦力接近關(guān)于90度呈對(duì)稱(chēng)分布，在90度時(shí)達(dá)到最大值，而兩邊不斷減小。交叉紋理表面隨交叉角度增加，緩慢增加。（4）在相同的表面粗糙度均方根和最小名義油膜厚度時(shí)，各向同性表面的W、F大于單向紋理表面，而單向紋理表面的流體承載力、上表面摩擦力大于交叉紋理表面。所以表面紋理溝槽越少，表面的承載力越強(qiáng)，而表面的摩擦力也越大，反之結(jié)果相反。- 21 -總總結(jié)結(jié)本論文結(jié)論綜合本論文的研究，可以得出以下結(jié)論：（1） 本設(shè)計(jì)從理論上說(shuō)明了表面形貌與圖像之間的關(guān)系， 即圖像表

57、征的原理。（2）簡(jiǎn)單介紹了圖像處理中邊緣檢測(cè)的原理，用五種邊緣檢測(cè)算子分別檢測(cè)各種模擬表面，將檢測(cè)結(jié)果與對(duì)應(yīng)灰度圖像進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)邊緣檢測(cè)方法檢測(cè)得到的邊緣與特征相一致，得出邊緣檢測(cè)方法可實(shí)現(xiàn)表面的紋理表征，并總結(jié)出各種邊緣檢測(cè)算子的優(yōu)缺點(diǎn)，適應(yīng)情況。同時(shí)研究表面紋理的方向性表征，模擬幾種不同特征的紋理表面，采樣圖像處理中邊緣檢測(cè)的方法，提取圖像的邊緣，以及圖像邊緣對(duì)應(yīng)表面的紋理特征。邊緣檢測(cè)方法不僅可以用于模擬表面，對(duì)測(cè)量得到的實(shí)際表面也可以采用，基本能檢測(cè)出表面紋理的基本特征，為表面表征和分析提供了一種可行的方法。（3）本論文引入平均流量模型，根據(jù)根據(jù)流量因子來(lái)計(jì)算表面平均壓力，進(jìn)而計(jì)算出

58、流體承載力、表面摩擦力，分析流量因子與表面紋理方向、膜厚比之間的關(guān)系；計(jì)算了表面紋理角度、粗糙度均方根、油膜厚度等對(duì)表面潤(rùn)滑性能和流體承載力的影響，實(shí)現(xiàn)了表面形貌與表面功能間的聯(lián)系。需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題本文在表面形貌的表征方面主要從紋理的方向性來(lái)研究，對(duì)表面沒(méi)有一個(gè)細(xì)致總體的評(píng)定。表面紋理方向性表征中采用邊緣檢測(cè)的方法，對(duì)一些模擬表面檢測(cè)效果較好，而對(duì)于實(shí)測(cè)表面仍存在一些問(wèn)題。表面紋理的表征可以用圖像的邊緣檢測(cè)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種方法僅僅是對(duì)一些模擬的平面圖像效果較好，而對(duì)于一些實(shí)際測(cè)量表面，由于噪聲、圖像模糊，以及表面形狀因素的影響，檢測(cè)得到的邊緣雖然能基本反映出表面的紋理特征，但是不夠理想。這

59、些功能參數(shù)，基本都是在前人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，這些參數(shù)對(duì)于其它表面沒(méi)有參考價(jià)值。因此，表面形貌的準(zhǔn)確、有效表征需要進(jìn)一步研究。- 22 -參參 考考 文文 獻(xiàn)獻(xiàn)1 李惠芬，蔣向前，李柱三維表面功能評(píng)定發(fā)展綜述工具技術(shù)，2002,36（2） ：8112 李伯奎，劉遠(yuǎn)偉表面粗糙度理論發(fā)展研究工具技術(shù)，2004，38（1） ：63673 李成貴，董申三維表面形貌的表征參數(shù)和方法宇航計(jì)量技術(shù)，1999，19（6） ：33434 Dong W P， Sullivan P J, Stout K JComprehensive study of parameters forcharacterization 3

60、-D surface topography IIIWear，1994，178(1)：29435 Dong W P，Sullivan P J，Stout K JComprehensive study of parameters forcharacterization 3-D surface topography IV Wear，1994，178(1)：45606 Dr Pawl ， J Scott Foundations of topological characterization of surfacetextureToolsManufact，1998，38（5） ：5595667 李成貴，朱