结构化表面能够有效降低零件表面的流体拖曳摩擦阻力,从而改善零件在流体中的运动性能。为获得特定的结构化表面,研究者们主要采用了压印、化学蚀刻、激光等加工方法,但这些加工方法在大量生产时出现若干问题。超硬磨料加工是解决以上问题的有效方法之一,但磨削加工主要依赖于表面具有特定表面结构的结构化砂轮,所以如何设计并制造具有特定结构的结构化砂轮是解决上述问题的关键。本文对现有的结构化表面拓扑特征进行研究,分析其拓扑属性,通过提取的特征参数进行砂轮设计。首先建立三种磨粒簇排布砂轮的几何模型与数学模型,然后通过坐标变换来建立结构化砂轮磨削的运动方程,研究结构化表面与砂轮磨削运动间的关系,根据运动学方程推导结构化表面的边界条件,结合提取的特征参数反推出砂轮的排布间距,设计出砂轮表面结构,如表面排布特征设计和每个单元特征设计,最终设计出结构化砂轮。利用MATLAB仿真了三种砂轮磨削的平面工件表面并验证了凹坑、凸台和沟槽结构化表面形成规律并讨论了磨粒簇形状、砂轮转速、工件进给速度、磨削深度等对工件表面形貌的影响,讨论并分析了不同参数下工件结构化表面的形貌特征,得到相应的结构化表面和相应的变化规律,最后设计磨削实验,用砂轮磨削平面工件并用相应仪器观察测量工件表面形貌,验证仿真实验结果的正确性。实验结果表明:根据提取的拓扑特征设计并制备出的结构化砂轮可以加工出的凹坑、凸台和沟槽型结构化表面;实验采用了球冠型、矩形和锥台形的磨粒簇,最终得到三种不同截面形状的结构化表面。砂轮转速不变时,工件进给速度越低,工件表面横向凹坑数目越多,凹坑间横向间距越小,当进给速度降低到一定数值时,凹坑连在一起形成沟槽表面。磨削深度越大,凹坑的长宽深也随之增大。错位排布和叶序排布的结构化砂轮上的磨粒簇的轴向间距越小,凹坑间的轴向间距就会越小,通过选择合适的磨削参数,可以获得凸台表面。