[发明专利]一种金刚石磨粒三维形貌表征与建模方法

说明书

本发明公开了一种金刚石磨粒三维形貌表征与建模方法，包括步骤：步骤一：定义金刚石磨粒的几何模型，建立八面体边长和边长比与I型边边长和II型边边长之间的关系模型；步骤二：对金刚石磨粒进行测量，通过分析测量图像识别出金刚石磨粒的I型边和II型边；步骤三：通过分析测量图像得到I型边和II型边的边长，进而根据磨粒的几何模型计算得到金刚石磨粒的八面体边长和边长比；步骤四：对八面体边长和边长比进行统计分析，确定其分布形状和分布参数；步骤五：根据八面体边长和边长比的统计分布生成其随机数值，建立金刚石磨粒的十四面体几何模型。本发明解决了金刚石磨粒测量和建模精度不高的问题，突破了测量仪器对砂轮尺寸限制。

技术领域

本发明属于金刚石砂轮技术领域，具体涉及一种金刚石磨粒三维形貌表征与建模方法。

背景技术

超精密硬脆材料光学元件是激光核聚变装置、高分辨率对地观测系统、大型天文望远镜、微电子技术和消费电子设备等的关键部件，亚表面损伤是限制其使用性能的关键因素之一。硬脆材料光学元件一般需要采用金刚石砂轮磨削的方法进行加工，砂轮表面金刚石磨粒的三维形状和尺寸对磨削时亚表面损伤的生成有重要影响。一般而言，磨粒尺寸越大，磨削产生的亚表面损伤深度越大。在不同形状的磨粒作用下，各种形态裂纹的萌生顺序不同。因此，实现金刚石磨粒三维形貌的精确表征和建模是建立金刚石砂轮几何模型、实现磨削过程准确模拟的基础，对于优化磨削工艺、降低硬脆材料光学元件磨削损伤具有重要的意义。

现有的技术一般采用接触式测量法、扫描电子显微镜(SEM)和光学显微镜等方法对金刚石磨粒的形貌和尺寸进行测量。每种方法都有各自的优缺点和适用范围。接触式测量可以得到磨粒的三维形貌，但其精度受限于探针的尺寸和接触力引起的变形。SEM和光学显微镜为二维测量方法，可以对砂轮进行直接测量，因此测量结果比较可靠，但是无法得到三维形貌，且被测砂轮的大小受到测量仪器的限制。SEM的放大倍数可以在数倍到数万倍之间进行调整，且具有很大的景深，所以适用于磨粒的形状、微观磨损形貌和砂轮表面堆积密度等的测量，但是该方法设备昂贵，且会对磨粒造成损伤。光学显微镜由于具有较小的景深，更适合用于测量金刚石砂轮的动态磨粒数目和磨粒的磨损形貌。

现有技术在对磨粒形状进行建模时，一般假设磨粒为球形以降低模型的复杂程度。为了提高仿真的精度，又有学者采用圆锥体、椭球体和多面体等磨粒形状。对于磨粒尺寸，一般假设磨粒的尺寸为恒定值，或者服从给定的随机分布，但是分布的形状和参数并不一定与实际情况一致。

综上所述，在现有的金刚石磨粒形貌表征方法中，被测砂轮的大小受到测量仪器的限制，且难以准确测得磨粒三维形貌；现有金刚石磨粒建模方法一般将磨粒假设为球体、椎体和随机多面体，这与金刚石磨粒的实际形貌并不完全相符。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金刚石磨粒三维形貌表征与建模方法，基于金刚石磨粒的理论晶体形状，采用超景深光学显微镜对游离磨粒形貌进行表征，进而建立磨粒十四面体三维几何模型，以解决金刚石磨粒测量和建模精度不高的问题，突破测量仪器对砂轮尺寸限制。

为达到实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种金刚石磨粒三维形貌表征与建模方法，包括以下步骤：

步骤一：定义金刚石磨粒的几何模型，建立八面体边长和边长比与I型边边长和II型边边长之间的关系模型；

步骤二：对金刚石磨粒进行测量，通过分析测量图像识别出金刚石磨粒的I型边和II型边；

步骤三：通过分析测量图像得到I型边和II型边的边长，进而根据磨粒的几何模型计算得到金刚石磨粒的八面体边长和边长比；

步骤四：对八面体边长和边长比进行统计分析，确定其分布形状和分布参数；

步骤五：根据八面体边长和边长比的统计分布生成其随机数值，建立金刚石磨粒的十四面体几何模型。