[发明专利]一种通过多维插值获取图像基准的CFRP粗糙度测量方法

说明书

本发明一种通过多维插值获取图像基准的CFRP粗糙度测量方法，属于机械加工损伤测量领域，涉及一种通过多维插值获取图像基准的CFRP粗糙度测量方法。该方法首先用显微镜采集切削表面图像，并进行裁剪预处理。再通过MATLAB读取图像像素点数值，并进行滤波得到滤波曲面矩阵。然后，利用算法构造基准曲面矩阵，求解滤波曲面矩阵与基准曲面矩阵的各数值方差，求得方差带入算式中，得到粗糙度值Ra。最后绘制基准曲面与实际加工表面的三维图，直观反映出粗糙度情况。该方法解决了由于CFRP材料结构力学特性及内部组成性能差异造成的粗糙度测量不准确和效率低的问题。具有测量速度快，简单高效易操作，非接触，测量准确等特点。

技术领域

本发明属于机械加工损伤测量领域，涉及一种通过多维插值获取图像基准的CFRP粗糙度测量方法。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)因本身优异的物理性能，已成为航空航天领域中制备大型结构件的首选材料。然而，受到目前制造成型工艺的制约，CFRP不能一次成型为最终需要的形状和尺寸，需对其进行大量后续机械加工，如铣边、铣曲面、钻通孔等。而在切削加工过程中，由于CFRP材料内部由纤维增强相和树脂基体相两相构成，二者的力学性能差异大，极易在加工过程中发生撕裂、分层、毛刺等一系列损伤。这些损伤，都将直观地反应在切削表面上，造成切削表面的粗糙度值过大。表面粗糙度是评定工件表面质量的一个重要指标，对工件外观、摩擦磨损、接触刚度和强度等性能有重要影响。因此，对切削表面的粗糙度进行精确地测量，使之控制在合理的范围内，以避免非预期损伤拓展的发生，在工程中极为重要。

目前测量CFRP切削表面粗糙度的方法主要包括：探针划线测量、激光共聚焦测量、景深扫描测量等。其中，探针划线测量是利用探针在被测表面某一位置划出一道表面轮廓线，后对轮廓线进行计算分析获取粗糙度值的方法，因CFRP本身具有各向异性和其内部纤维增强相具备明显的方向性，探针划线的位置不同，其结果差异很大，因此该方法并不能准确反映CFRP切削表面粗糙度。激光共聚焦测量是利用激光共聚焦逐层扫描成像的方式，检测到高低不同的位置，通过软件合成得到被测表面的粗糙状态，继而通过软件计测可得粗糙度，该方法避免了二维测量的不确定性，获得的粗糙度值较为真实，然而采用激光多次扫描的方法速度慢，时间长，因此，该方法仅适用于实验研究，不适用于工程中的实际应用。景深扫描测量是利用扫描电镜对被测表面进行扫描拍摄获取具有位置高低亮度区别的图像，进而反映粗糙度值的方法，该方法有效提升了测量效率，且相比二维测量准确度有所提升，然而在光照下，CFRP内部树脂基体相呈现高亮的白色状态，在这种通过材料反光判断位置高低的景深测量方法中会呈现为高点误差，无法表达所选区域粗糙度的真值。

此外，南京航空航天大学的傅玉灿等人提出了“一种基于图像灰度信息测量工件表面粗糙度的方法”，专利号CN104463918A，该方法优点在于可测量存在孔隙的加工表面的粗糙度，然而在数值计算方面存在较大误差，且不能去除碳纤维复合材料中树脂的影响，所以难以得到真实粗糙度值；北京科技大学的徐科等人提出了“一种表面粗糙度测量方法与装置”，专利号CN108303045A，该方法利用光度立体视觉测量的方法，采用高分辨率显微相机对被测物进行表面三维重建，计算粗糙度轮廓的算术平均偏差作为表面粗糙度值。其优点在于检测效率高，测量精度高，然而此方法对设备性能及精度要求高，且设备不易搭建；太原科技大学的张鹏翀等人提出了“一种表面粗糙度在线测量装置”，专利号CN108955514A，该方法发明了一种可在线测量的机械装置，其优点在于可实现加工过程中在线实时测量其粗糙度，避免了工件的拆卸，测量精度高，然而该方法为接触式测量，易破坏被测表面粗糙度。

发明内容