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基于并联式巴特沃思滤波器快速拟合高斯滤波器的高效方法

作者:法硕论文
出处:www.lunrr.com
时间:2020-02-27

第一章是绪论

1.1课题背景及研究目的和意义

随着制造业向微制造技术和纳米技术的方向发展,零件评定标准重心也由单纯的整个零件的尺寸外形测量日益向表面形貌合理设计和测量方向发展。由于制造业日趋微型化的发展和不同行业对表面性能要求的精细化,导致以往二维的表面形貌往往不能满足某些具体实际要求,这就要求在三维范围内对表面有更加全面和完整的形貌表征。与此同时,用于描述表面性能的各种粗糙度参数也相继出现。但是目前并没有统一的参数系列来对此进行评定,因此如何才能准确的描述表面的性能已成为各国学者的关注的重要问题。基准提取作为粗糙度评定的核心也成为了学者们首要研究的对象。表面形貌学的发展直接反应着制造技术的飞速进步。对制造业高效,低成本,弱敏感性的要求推动着表面形貌学的发展。为了优化零件的某些性能,在其表面人为的添加特定结构。并且这些特定结构的位置和尺寸的重要性日显突出。汽车行业是最早对零件的表面形貌提出要求的行业之一,早在19世纪20年代宾利公司希望通过借助气缸导管内表面尽可能光滑,以提高发动机的性能。为此该公司提出了一整套检查零件表面形貌的方法以降低整个制造过程所带了的误差。 在实际工程应用中,表面形态也直接影响零件的各种功能,如磨损、摩擦、润滑、疲劳、密封、匹配、涂层、热传导、导电、支撑和光学性能等。 在电子工业中,电子电路的集成度越来越高,对电子元件的性能要求也越来越高。硅片在平板表面的表面形貌对器件的电子性能(主要包括电容性能和电阻性能)起着越来越重要的作用。粗糙度评定已成为衡量设备是否合格的重要指标。 随着医疗制造业的发展,人工器官的表面轮廓已经成为影响其性能和身体融合程度的重要指标。最典型的例子是人造骨头。例如,人工关节的表面形貌不仅影响关节运动的灵活性,而且过度磨损也可能影响身体。 同一表面轮廓对光学零件的影响已成为越来越多学者关注的焦点。例如,通过对NIF大口径聚焦光学元件的研究,发现零件的表面形貌会影响入射时的光聚焦性能和散射程度。

为了合理评价表面形貌,人们开始参考信号科学的知识,用分频法将表面形貌分为粗糙度、波纹度和形状轮廓(如图1所示) 粗糙度对应于表面形貌中的高频分量,波纹对应于中频分量,形状轮廓对应于低频分量。后两个部分也可以统称为参考,从而有效地将这三个部分分成表面形貌评价的中心环节。 随着零件的日益精细化发展,并不是所有零件都有一个固定的分频间隔来对这三个间隔进行固定的分频,但是在同一个行业中,往往对同一类零件进行特定的分频,这有助于统一行业的生产技术指标。 同时,指定了一系列粗糙度参数,以在一定程度上表征表面轮廓。 随着制造业的不断发展,粗糙度参数也在不断变化,从最初的二维轮廓表征(R系列)到三维表面表征(S系列),参数指标总数从最初的单一空扩展到不同行业特有的功能参数指标

为了获得表征零件表面形貌的精确粗糙度参数,首先必须保证测量的精度。下面将简要介绍常用的测量方法

图1,表面形貌分区示意图

1.2表面形貌测量技术

表面形貌测量的出现出现在20世纪20年代,当时德国施马尔茨制造了第一台触笔剖面仪。 因为制造精度难以满足当时的要求,所以在垂直和水平方向上的分辨率都不高,并且只能测量一些简单的形状。 然而,这已经开始了对表面形貌和粗糙度的研究。 随着科学技术(如微制造技术、计算机技术、微电子技术、信号技术)的发展和其他技术的引入,各种新仪器已经进入我们的视野。测量仪器的精度和分辨率不断提高,推动了表面测量技术的快速发展。 由于测量方法的不同,可以分为接触测量法和非接触测量法。 本节将分别介绍这两种方法的相关工具。

1.2.1接触测量方法

接触测量法,也称为接触缝合法(touch stitch method),是当今最传统的表面测量方法,也是使用最广泛的测量方法。 接触测量法首次用于二维表面粗糙度的评价。随着微机技术和微电子技术的发展,测量仪的水平方向增加了一条垂直于原移动导轨的导轨,从而从二维表面测量发展到三维表面测量。 然而,由于它们不同的内部原理,它们的实际测量仪器也各不相同。当时,电触笔、激光干涉笔和相位光栅干涉笔被广泛使用。 以下是对formtalysurf profiler的简要介绍,formtalysurf profiler是激光干涉笔的典型代表。

5.6.2参数评估比较

由于标准高斯滤波器在参考边界产生明显失真,所以选择测量地形中间的200×200测量数据作为评估标准(截止波长内的点数为) 本章选择常用的均方根偏差、偏斜度、驼峰度和十点高度作为评价标准

表5-3零件表面粗糙度参数评估(单位:)

高斯滤波器基于串联拟合滤波器基于并联拟合滤波器

0.2246 0.2263 0.2259

-0.3422-0.3443-0.3427

4.5448 4.5792 4.5814

从上述参数可以看出,拟合滤波器获得的粗糙度参数与高斯滤波器相差很小,差值的大小是小数点后的第二位或第三位,这可以认为是由不同差值运算的舍入误差引起的 在实际工程中,这通常不影响表面评估的准确性。 同样,不同算法之间效率的详细比较如下:

表5-4计算耗时对照表(单位:

滤波方法高斯滤波器(卷积)基于串联拟合滤波器基于并联拟合滤波器

耗时40.7516 0.1952 0。0921

从表5-4可以看出,高斯滤波器耗时最长,而基于串联拟合滤波器的耗时有所减少,但仍比并联拟合滤波器耗时长得多 然而,并行连接只需要0.0921s。

5.7本章总结

本章提出了一种基于并行巴特沃斯滤波器的快速拟合高斯滤波器。无论是2D轮廓参考提取还是三维表面参考提取,在粗糙度参数相差不大的情况下,都比高斯滤波和串行拟合滤波耗时少得多。 提出了一种提取实际工程表面数据的有效方法。

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