[0001] 本申请涉及平整度测量技术领域，具体涉及一种用于金属制品的表面平整度测量方法及系统。

[0002] 在工业制造中，环形金属垫片是其生产的重要金属垫片之一。作为机械密封的主要零件，环形金属垫片强度高、抗腐蚀和耐高温能力强。环形金属垫片的密封性能与其表面平整度有着重要关系，精确测量环形金属垫片的表面平整度并依此对垫片进行质量筛选，能够有效提升机械设备的密封性能。

[0003] 目前，行业内通常采用激光轮廓测量仪独立分析环形金属垫片上每个基准线处的高度数据，以此实现对金属垫片的表面平整度的测量。但存在对激光轮廓测量仪采集的高度数据利用不足，忽略了不同于基准线方向的细微划痕对金属垫片表面平整度存在影响的问题，难以反映环形金属垫片整体的平整度，导致对环形金属垫片表面平整度测量的误差较高。

[0017] 为了更进一步阐述本申请为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本申请提出的一种用于金属制品的表面平整度测量方法及系统，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一个或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

[0018] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

[0019] 下面结合附图具体的说明本申请所提供的一种用于金属制品的表面平整度测量方法及系统的具体方案。

[0020] 请参阅图1，其示出了本申请一个实施例提供的一种用于金属制品的表面平整度测量方法的步骤流程图，该方法包括以下步骤：S1，采集金属垫片表面的高度数据，将沿金属垫片同一直径方向的所有高度数据作为一组，基于各组高度数据构建高度矩阵。

[0021] 本实施例，采用激光轮廓测量仪对环形金属垫片由内向外沿直径方向采集高度数据，即激光轮廓测量仪的测量基准线方向为环形金属垫片由内向外沿直径方向。扫描一次后得到L个高度数据，L个高度数据沿直径方向均匀分布；将环形金属垫片进行旋转，使得激光轮廓测量仪对环形金属垫片沿不同的直径方向均匀扫描F次后，环形金属垫片旋转一周；将扫描一次得到的L个高度数据记为一组，则得到F组高度数据，其中，本实施例中L=1000，F=1000，实施者可根据实际情况自行设定，本申请在此不做限制。激光轮廓测量仪测量高度数据为现有公知技术，本实施例在此不做详细赘述。

[0022] 将扫描一次得到的一组高度数据作为一个行向量，将所有行向量按照扫描的先后顺序进行排列，得到环形金属垫片扫描得到的高度矩阵。高度矩阵能够反映被测量环形金属垫片整体的表面高度分布，便于综合分析各个直径方向处高度数据的相互关系，提高对高度数据的利用率。

[0023] S2，将高度矩阵均分为各子矩阵；计算子矩阵内所有高度数据的均值，记为第一均值；基于子矩阵内高度数据与所述第一均值的数值关系，以及子矩阵内高度数据的分布，确定子矩阵内的各划痕区域；结合各子矩阵中划痕区域内高度数据的数量与子矩阵在高度矩阵中的列数，分析划痕区域内高度数据的平均水平，确定各子矩阵的划痕加权面积。

[0024] 在环形金属垫片的生产过程中，加工设备的缺陷以及工艺流程中操作不当等问题均会导致环形金属垫片表面产生划痕。由于环形金属垫片通常应用于机械设备的密封，其表面的划痕不仅会增加垫片被腐蚀的风险，加剧表面平整度的恶化，而且会导致其密封性能下降，造成设备泄露。

[0025] 由于环形金属垫片表面的划痕方向分布随机，当划痕方向与测量基准线的方向夹角过大时，测量获取的一组高度数据中包含垫片表面划痕的高度数据较少，同时环形金属垫片表面细微划痕的宽度和深度较小，进一步导致划痕处的异常高度数据在测量基准线的一组高度数中所占的比例过小，难以反映划痕对垫片表面平整度造成的影响，使不同测量基准线独立计算的平整度无法准确表示环形金属垫片的整体表面平整度。

[0026] 在激光轮廓测量仪对环形金属垫片进行扫描时，靠近垫片内环的位置测量采集的高度数据较为密集，而靠近外环的位置采集的高度数据较为稀疏。为了区分由环形金属垫片高度数据测量特征引起的区域差别，并综合分析不同测量基准线的高度数据，将高度矩阵均匀划分为各个W1*W2的子矩阵，本实施例中W1=W2=100，实施者可根据实际情况自行设定，本实施例对此不做限制。

[0027] 环形金属垫片表面部分细微划痕的深度较浅，划痕部分的高度数据与非划痕部分的高度数据差异较小，因此，仅靠高度数据的差异难以直接将深度较浅的细微划痕区分出来。由于垫片表面的划痕通常是连通的，且划痕处的高度数据比环形金属垫片正常区域的高度数据要小，因此，计算各子矩阵内所有高度数据的均值，记为第一均值，将子矩阵内高度数据位于的行、列，组成高度数据的位置坐标，将子矩阵内小于所述第一均值的高度数据的坐标作为DBSCAN聚类算法的输入，DBSCAN聚类算法的输出为各聚类簇。其中DBSCAN聚类算法的邻域半径设置为3，最小簇样本数设置为5，实施者可根据实际情况自行设定，本实施例对此不做限制，且DBSCAN聚类算法为现有公知技术，本实施例在此不做详细赘述，实施者可根据实际情况选择其他聚类算法。

[0028] 由于划痕区域对应的高度数据较为聚集，因此，划痕区域对应的聚类簇内高度数据个数较多，采用大津阈值法获取所有聚类簇内高度数据的个数的分割阈值，将个数大于所述分割阈值的聚类簇在金属垫片中的对应区域，作为划痕区域。并将划痕区域内的高度数据记为子矩阵的划痕高度数据，表示划痕的高度分布。至此，可得到每个子矩阵的划痕区域及其划痕高度数据。其中，大津阈值法为现有公知技术，本实施例在此不做详细赘述。

[0029] 子矩阵在高度矩阵中的位置不同，对应在环形金属垫片表面的高度数据采样密度不同。在环形金属垫片的外环附近，高度数据的采样密度较小，对划痕区域的压缩程度较大，因此需要对不同子矩阵中的高度数据进行不同的处理。另外，不同子矩阵内划痕区域的个数及其内部的高度数据分布不同，根据子矩阵所处的位置和其划痕区域的高度数据分布，计算各子矩阵的划痕加权面积，具体为：计算子矩阵中各划痕区域内高度数据的数量与子矩阵在高度矩阵中的列数的乘积，计算所述乘积与对应划痕区域内所有高度数据的归一化值的平均值的比值，所述划痕加权面积为子矩阵中所有划痕区域的所述比值的融合结果。

[0030] 需要说明的是，融合表示将多个变量以增强整体效果的方式进行结合，具体可以为相加、相乘、加乘混合等；本实施例采用相加的方式进行融合的计算。

[0031] 本实施例中，划痕加权面积的计算方式为：；其中， 表示高度矩阵第p行第q列的子矩阵中划痕区域
的总数；  表示高度矩阵第p行第q列的子矩阵中第k个划痕区域内所有归一化后的划痕高度数据的平均值；q表示子矩阵在高度矩阵中所处的列数； 表示高度矩阵第p行第q列的子矩阵中第k个划痕区域内划痕高度数据的数量； 表示高度矩阵第p行第q列的子矩阵的划痕加权面积。

[0032] 划痕加权面积反映了对应子矩阵处环形金属垫片划痕损伤的严重程度。此外，当子矩阵中不存在划痕区域时，将子矩阵的划痕加权面积设定为1，实施者可根据实际情况自行设定，本实施例在此不做限制。

[0033] 当划痕的深度越深、面积越大、划痕数量越多时，子矩阵划痕区域内高度数据的平均值越小，划痕区域内划痕高度数据的数量越大，子矩阵的划痕加权面积越大，表示该子矩阵处环形金属垫片划痕损伤程度越严重，其表面平整度越差。当子矩阵的列指标越大时，其在环形金属垫片中对应的位置越靠近外环，子矩阵当中划痕区域对实际划痕的压缩程度越大，此时对其赋予较大的权重，以校正高度数据测量时引入的偏差，准确获取划痕损伤程度，减少测量偏差对环形金属垫片表面平整度的影响。

[0034] S3，计算各划痕区域内所有高度数据的归一化值的均值，记为第二均值，结合所述第二均值与划痕区域内的各高度数据，得到各优化高度数据；基于各子矩阵内所有优化高度数据与所述第一均值的差异的分布，结合所述划痕加权面积，确定各子矩阵的划痕粗糙度。

[0035] 由于环形金属垫片表面细微划痕的深度较浅，计算表面平整度时容易忽略细微划痕对其的影响。但较多的细微划痕同样会造成垫片表面平整度的下降。为了增强对垫片表面细微划痕的识别与分析，首先根据子矩阵内划痕高度数据的分布，计算优化高度数据。

[0036] 对于各子矩阵中非划痕区域内的高度数据，其优化高度数据与原高度数据相同。

[0037] 对于各子矩阵中的划痕高度数据，其优化高度数据的计算方式如下：；其中， 表示高度矩阵第p行第q列的子矩阵中第k个划痕
区域内所有归一化后的划痕高度数据的平均值；记为第二均值； 表示高度矩阵第p行第q列的子矩阵中第k个划痕区域内第i行第j列的划痕高度数据； 表示高度矩阵第p行第q列的子矩阵中第k个划痕区域内第i行第j列的优化高度数据。

[0038] 当划痕区域内划痕高度数据的平均值越小，其优化高度数据越小。由于归一化后的平均值均不超过1，减小划痕高度数据的优化高度数据，而正常部分的高度数据保持不变，以提高子矩阵中划痕高度数据与正常部分高度数据的区分度。

[0039] 其次，根据子矩阵内所有优化高度数据的分布，计算各子矩阵的划痕粗糙度，本实施例中，具体计算方式为：；其中，W1表示子矩阵的行数，W2
表示子矩阵的列数； 表示高度矩阵第p行第q列的子矩阵的划痕加权面积； 表示高度矩阵第p行第q列的子矩阵中第i行第j列的优化高度数据； 表示高度矩阵第p行第q列的子矩阵中所有高度数据的平均值； 表示高度矩阵第p行第q列的子矩阵的划痕粗糙度。将 记为第三均值。

[0040] 子矩阵的划痕粗糙度反映该子矩阵处环形金属垫片表面的平整程度。环形金属垫片划痕损伤程度越严重，划痕加权面积越大，划痕粗糙度越大，反映该子矩阵处环形金属垫片表面的平整程度越差。另外，当子矩阵内优化高度数据与高度数据平均值的差异越大，表示环形金属垫片表面越粗糙，平整程度越差，计算得到的划痕粗糙度越大。

[0041] S4，结合所述划痕粗糙度，以及各子矩阵在高度矩阵中的列数，确定金属垫片的表面平整度。

[0042] 考虑到测量时高度数据在环形金属垫片中采样密度的变化，结合子矩阵的划痕粗糙度，计算环形金属垫片的表面平整度，本实施例中，具体计算方式为：；其中，M表示高度矩阵进行子矩阵划分后
每行、每列包含子矩阵的数量；exp()表示以自然常数为底数的指数函数；q表示子矩阵在高度矩阵中所处的列数； 表示高度矩阵第p行第q列的子矩阵的划痕粗糙度； 表示环形金属垫片的表面平整度。金属垫片表面平整度构建流程图如图2所示。

[0043] 环形金属垫片的平整度与子矩阵的划痕粗糙度呈负相关。环形金属垫片表面的划痕缺陷越严重，其平整程度越差，子矩阵的划痕粗糙度越大，计算得到的平整度越小。高度数据的采样密度越大，计算得到该垫片部分的划痕粗糙度越大。子矩阵在高度矩阵中所处的列数越大，越靠近环形金属垫片的外环，其采样密度越小，与内环部分相比，其计算的划痕粗糙度与实际粗糙程度相比较小，因此赋予其更大的权重，提高对垫片整体表面平整度计算的准确性。

[0044] 采用与上述表面平整度相同的计算方法，计算获取T个正常环形金属垫片的表面平整度，本实施例中T取值为1000，实施者可根据实际情况自行设定，本实施例对此不做限制。取上述T个表面平整度的最大值作为平整度阈值，对环形金属垫片进行筛选。若测量金属垫片的表面平整度小于平整度阈值，则判定该金属垫片的表面平整度正常，若测量的金属垫片的表面平整度大于等于所述平整度阈值，则判定测量的金属垫片的表面平整度异常。

[0045] 基于与上述方法相同的发明构思，本申请实施例还提供了一种用于金属制品的表面平整度测量系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述一种用于金属制品的表面平整度测量方法中任意一项所述方法的步骤。

[0046] 需要说明的是：上述本申请实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

[0047] 本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

[0048] 以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。