表面粗糙度曲线上下包络线自动提取分析系统

资 源 简 介

该项目致力于解决机械精密测量与摩擦学研究中的表面形貌特征分析问题。其主要功能是自动化地从一维离散的表面粗糙度采样曲线中提取具有物理意义的上下边界包络线。系统的工作流程首先应用高性能寻峰寻谷算法，对输入的原始轮廓高度数据序列进行全量扫描，精准识别出所有的局部极大值点（波峰）与局部极小值点（波谷）。在获取特征点坐标后，系统通过线性连接相邻极大值点构建上包络线，并同步连接相邻极小值点构建下包络线。这种方法能够清晰地勾勒出表面形貌的波动范围，辅助工程师分析表面的接触特征、计算有效支撑长度率以及预测材料的磨损稳定性

详 情 说 明

表面粗糙度曲线上下包络线自动提取与分析系统

项目介绍

本系统旨在解决机械精密测量与摩擦学研究中表面形貌特征提取的自动化需求。在零件表面质量评估、接触力学分析及磨损控制等领域，提取粗糙度曲线的上下包络线是计算有效支撑面积和分析配合性质的关键步骤。本系统通过数字信号处理技术，能够从一维采样数据中快速分离出宏观波动与微观形态边界，为工程师提供量化的表面特征指标。

功能特性

• 高度模拟仿真：系统内置基于多尺度正弦波叠加与正态分布噪声合成的表面形貌生成模型，可模拟真实的加工表面轮廓。
• 鲁棒的噪声抑制：集成移动平均滤波算法，有效消除测量过程中的高频随机噪声干扰，确保包络线的平稳性。
• 精准极值定位：采用高性能寻峰寻谷算法，支持最小峰值距离限制，避免在簇状尖峰中产生冗余特征点。
• 自动化包络构建：自动完成特征点的边界对齐，并基于分段线性插值算法构建覆盖全量程的连续上下包络曲线。
• 多维度统计分析：自动计算国际通用的表面粗糙度表征参数（Ra、Rz、Rp、Rv）以及动态包络带宽。
• 双重可视化展示：提供原始轮廓、包络线、特征点的一体化绘图，以及包络带宽分布的区域填充分析图。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 必备工具箱：Signal Processing Toolbox（信号处理工具箱），用于执行 findpeaks 等关键算法函数。

实现逻辑与算法流程

系统在代码执行过程中遵循严谨的数学处理流程：

1. 参数初始化与信号合成

设定采样间隔与长度，通过叠加宏观波形（低频）、微观粗糙度组件（中高频）以及随机噪声（正态分布），生成测试用的表面高度序列。

1. 离散数据预处理

应用滑动窗口为5点的移动平均滤波。这一步旨在平滑掉对物理接触分析无意义的超高频毛刺，使得后续的特征点提取更具物理代表性。

1. 特征点识别算法

- 上特征点（波峰）：利用局部极大值搜索算法，定位所有满足最小间距约束的高度点。 - 下特征点（波谷）：通过对信号序列进行取反处理，复用寻峰算法捕获局部极小值。 - 边界强制修正：检查特征点集是否覆盖采样序列的首尾。若首/尾非极值点，系统会自动将起始和终点高度加入特征集合，以防止在包络构建时出现边缘数据缺失。

1. 包络线构建逻辑

系统将提取的不规则离散极大/极小值点作为散点，采用线性插值法（Linear Interpolation）在原始采样的水平坐标系上重新重采样，从而生成与原始数据长度完全匹配的包络线向量。

1. 特征参数计算公式实现

- Ra (算术平均偏差)：计算轮廓点偏离中线的绝对值的平均数。 - Rp & Rv：分别计算轮廓最大峰高与最大谷深。 - Rz (轮廓最大高度)：全量程内最高点与最低点的绝对差值。 - 平均包络带宽：对上包络与下包络的差值序列求均值，反映表面的整体波动幅度。

1. 结果输出与数据结构化

系统将分析结果输出至命令行窗口，并同步生成包含节点坐标、连续曲线数据及统计指标的结构化变量，方便后续进行导出或深度后处理。

关键实现细节

• MinPeakDistance 约束：代码中设置了最小峰值距离，这可以防止由于信号轻微波动导致的“假极值”提取，使包络线更加紧致。
• 取反寻谷法：通过数学变换将极小值问题转化为极大值问题，保证了处理逻辑的一致性和计算效率。
• 区域填充展示：在绘图部分使用了填充算法（fill）展示上下包络之间的“真空区域”，直观地表现了材料表面形貌的波动带宽。