[發明專利]基于數字圖像處理的磨損原位測量裝置及方法

有效

• 申請號: 201210076357.9
• 申請日: 2012-03-21
• 公開（公告）號: CN102607977A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 武通海;彭業萍;張小剛;張樂
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N3/56
• 分類號: G01N3/56
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

技術領域

本發明屬于摩擦磨損原位測量領域，特別涉及一種基于數字圖像處理的可視化磨損原位測量裝置及方法。

背景技術

摩擦磨損試驗是研究材料的摩擦磨損性能的基本手段，通過分析磨損的變化過程，可以揭示各因素對摩擦磨損性能的影響。為此，試驗過程中的磨損分析對摩擦磨損試驗具有重要的意義。

磨損過程的定量和定性分析是摩擦磨損試驗中磨損的兩個基本分析方法。其中，定量分析方法包括：稱重法、表面輪廓法、壓痕法或切槽法等。定性分析方法主要是通過對磨損表面圖像進行機理分析以判斷磨損的狀態。以稱重法為代表的離線分析方法需要在試驗停止條件下拆裝被測試件，雖然可以實現磨損的定量測量，但是操作復雜，且存在兩個重大缺陷：第一，每次安裝時無法保證摩擦副還保持在停止前的接觸軌道上，極大的限制了精確測量的可能性；第二，由于無法保證接觸軌道的一致性，破壞了磨損過程的連續性，尤其對于微磨損試驗帶來很大的誤差。無拆裝的磨損測量成為精密磨損試驗的必要技術。“一種在線測量的磨擦磨損試驗機”(申請號：200910021407.1)采用表面輪廓儀在無拆裝的條件下，通過表面形貌的一維掃描，獲得了基于截面形貌的磨損定量指標。但是，這種方法存在兩個問題：第一，由于磨損表面的微觀不規則性，定點掃描曲線難以獲得真實的磨損界面；第二，磨痕表面分析是磨損機理分析的重要手段，一維曲線無法給出磨損表面的特征，故無法提供磨損機理的變化情況。為此，開發一種可以同時具備磨損定量和定性分析的方法具有重要的意義。

西安交通大學的“一種磨損原位測量的磨擦磨損試驗機”(申請號：201110219851.1)提出了一種基于磨斑圖像的磨損原位測量裝置，通過USB數字顯微鏡采集試樣磨痕圖像并對圖像進行分析以獲取磨損量，實現了摩擦表面的可視化原位測量與磨損表面的分析。但是由于該裝置沒有水平方向上的自由度，進行USB數字顯微鏡的水平移動時，需要靠移動磁力座才能實現，因此定位的精度不高。而且該發明在對磨痕圖像進行處理時，沒有形成針對摩擦磨損圖像處理的系統方法，因此在進行磨損表面分析時沒能達到理想效果。另外，該裝置只能實現“下試件”(如摩擦盤)的原位測量，若要對“上試件”(如摩擦球)進行測量與分析，則要對“上試件”進行拆裝，操作復雜。

針對西安交通大學的“一種磨損原位測量的磨擦磨損試驗機”(申請號：201110219851.1)上的磨損原位測量裝置使用上的缺點和不足，本發明的目的在于提供一種基于數字圖像處理的可視化磨損原位測量裝置及方法，對原裝置進行了全面改進，不僅能夠準確快速地采集“下試件”的磨痕原位圖像，也能夠實現“上試件”的磨損圖像的方便采集。同時開發了針對磨痕圖像的處理方法來分析獲取磨痕寬度尺寸。本發明重點解決了原位測量裝置對磨痕的精密測量問題，通過圖像分析獲得試樣在整個摩擦過程中磨痕的尺寸及其變化，并結合“上試件”的磨損圖像進行分析，從而為磨損試驗過程形成規范化的定量和定性磨損測試技術。

發明內容

為實現上述目的，本發明提供了一種基于數字圖像處理的可視化磨損原位測量裝置及方法，其能有效地解決連續試驗過程中的無拆裝磨損原位測量與表面分析。

本發明所涉及的一種基于數字圖像處理的可視化磨損原位測量裝置及方法，分別采用如下技術方案：包括底板、水平位移裝置、垂直位移裝置、半圓弧槽過渡板、支撐架和數字顯微鏡；所述底板用于連接支撐整個測量裝置并固定到摩擦磨損試驗機上；所述底板上，設有由大直線導軌、大絲杠、大絲杠螺母、大旋鈕、大軸承以及軸承座組成的所述水平位移裝置；所述的大絲杠螺母上設有支柱；所述支柱右側，設有由小直線導軌、小絲杠、小絲杠螺母、小旋鈕、小軸承以及頂板組成的所述垂直位移裝置；所述的垂直位移裝置右側設有半圓弧槽過渡板；所述過渡板右側設有支撐架，用于支撐數字顯微鏡。所述支撐架可以沿著過渡板上的半圓弧槽進行旋轉，實現數字顯微鏡的180°旋轉。

一種所述的測量裝置所采用的基于數字圖像處理的磨痕測量方法，包括如下步驟：

1)獲取單位長度所對應的像素點個數，記為A；

2)根據顏色的HIS模型，對磨痕M×N圖像進行灰度化處理，得到每個像素點的灰度值，M為所述圖像的寬度、N為所述圖像的高度；

3)運用最佳閾值分割迭代解法對磨痕M×N圖像進行分割，即對圖像進行二值化處理；

4)采用Radon變換對步驟3)得到的二值圖像進行任意角度投影，得到磨痕圖像灰度累加值的一維曲線；對比所有角度投影得到累加值，最大累加值R_max對應的角度θ即為圖像傾斜角度；

5)運用最小二乘法對θ角投影得到的曲線進行三次樣條擬合，得到連續可微的曲線；