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工程设计学报
工程设计学报  2024, Vol. 31 Issue (3): 368-376    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.199
摩擦学与表面/界面技术     
基于3D-motif法的刮研表面形貌表征
杨春鹏(),王立华(),陈谢瑞,蒋维
昆明理工大学 机电工程学院，云南 昆明 650500
Characterization of scraped surface morphology based on 3D-motif method
Chunpeng YANG(),Lihua WANG(),Xierui CHEN,Wei JIANG
Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China
 全文: PDF(4565 KB)   HTML
摘要：

针对刮研表面微观特性和功能机理研究中缺少表面形貌量化表征方法的问题，采用3D-motif法对刮研表面形貌进行表征。使用LI-3型接触式三维表面形貌测量仪对刮研表面进行测量，并利用三维点云数据生成刮研表面的二维灰度图像。然后，根据3D-motif法中集水盆地的定义，采用分水岭算法对刮研表面的灰度图像进行motif分割与合并。以不同精度等级的刮研表面的整体纹理区域motif分割结果为对象，定义了特征显著度并提取计算了刮研表面在2种不同面积尺度（25 mm2和0.25 mm2）上的深度、面积、方向角、各向异性率、扁平系数和特征显著度等6项motif参数。结合部分motif参数的分布情况和motif数量的变化趋势，从形貌特征的尺寸和形态两个方面对刮研表面进行了表征和分析，实现了以较少参数完整表征刮研表面的三维形貌。研究结果可为后续刮研表面微观特性的深入分析提供理论基础。
关键词： 刮研表面;  3D-motif法;  表面形貌;  分水岭算法    
Abstract:

In response to the lack of quantitative characterization methods of surface morphology in the study of microscopic properties and functional mechanism of scraped surfaces, the 3D-motif method was used to characterize the scraped surface morphology. The scraped surface was measured by using LI-3 contact three-dimensional surface morphology measuring instrument, and the two-dimensional grayscale image of the scraped surface was generated by three-dimensional point cloud data. Then, according to the definition of catchment basin in 3D-motif method, the motif segmentation and merging for the grayscale image of scraped surface were conducted by using watershed algorithm. Taking the overall texture region motif segmentation results of scraped surfaces with different precision levels as the object, the feature saliency was defined, and six motif parameters, including depth, area, direction angle, anisotropy rate, flatness coefficient and feature saliency, were extracted and calculated for the scraped surface on two different area scales (25 mm2 and 0.25 mm2). Combined with the distribution of some motif parameters and the change trend of the number of motif, the scraped surface was characterized and analyzed from the dimension and morphology of the morphological features, achieving the complete characterization of the three-dimensional morphology of the scraped surface with fewer parameters. The results can provide a theoretical basis for further analysis of the microscopic properties of scraping surfaces.
Key words: scraped surface    3D-motif method    surface morphology    watershed algorithm
收稿日期: 2023-08-30 出版日期: 2024-06-27
CLC:  TH 161  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目(52265012)
通讯作者: 王立华     E-mail: 1289598373@qq.com;kmwanglihua@163.com
作者简介: 杨春鹏（1999—），男，吉林松原人，硕士生，从事表面微观形貌表征研究，E-mail: 1289598373@qq.com
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杨春鹏
王立华
陈谢瑞
蒋维

引用本文:

杨春鹏,王立华,陈谢瑞,蒋维. 基于3D-motif法的刮研表面形貌表征[J]. 工程设计学报, 2024, 31(3): 368-376.

Chunpeng YANG,Lihua WANG,Xierui CHEN,Wei JIANG. Characterization of scraped surface morphology based on 3D-motif method[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(3): 368-376.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.199    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2024/V31/I3/368

图1  不同精度的刮研表面试件
刮研表面精度粗糙度/μm研点数/个刀痕状态
1级1.661 8≥25细密
3级2.040 2≥20细密
4级2.599 6≥12较为粗大
表1  不同精度刮研表面试件的特征参数
图2  LI-3型接触式三维表面形貌测量仪
图3  刮研表面的三维形貌及二维灰度图像
图4  分水岭算法的浸水过程
图5  原始分水岭算法的过分割现象
图6  3D-motif的合并流程
图7  刮研表面简化模型
图8  刮研表面motif数量与阈值面积的关系
图9  刮研表面motif的不同合并阶段
刮研精度h/μmS/mm2θ/(°)rfk
1级15.178 80.307 587.40.841 42.061 20.283 8
3级20.504 40.344 083.30.782 81.649 40.361 1
4级28.281 90.359 388.10.786 51.297 60.394 6
表2  取 Δ=0.12 mm2 时刮研表面的motif参数均值（面积尺度为25 mm2 ）
刮研精度h/μmS/mm2θ/(°)rfk
1级5.398 70.003 4118.10.821 86.132 60.099 3
3级7.687 30.003 6123.60.799 04.428 20.170 2
4级12.293 00.003 4115.70.830 52.672 30.217 8
表3  取 Δ=1.0×10-3 mm2 时刮研表面的motif参数均值（面积尺度为0.25 mm2 ）
图10  刮研表面motif深度的分布情况
图11  刮研表面motif方向角的分布情况
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