专利名称：基于数字图像处理的磨损原位测量装置及方法
技术领域：
本发明属于摩擦磨损原位测量领域，特别涉及一种基于数字图像处理的可视化磨损原位测量装置及方法。
背景技术：
摩擦磨损试验是研究材料的摩擦磨损性能的基本手段，通过分析磨损的变化过程，可以揭示各因素对摩擦磨损性能的影响。为此，试验过程中的磨损分析对摩擦磨损试验具有重要的意义。磨损过程的定量和定性分析是摩擦磨损试验中磨损的两个基本分析方法。其中， 定量分析方法包括称重法、表面轮廓法、压痕法或切槽法等。定性分析方法主要是通过对磨损表面图像进行机理分析以判断磨损的状态。以称重法为代表的离线分析方法需要在试验停止条件下拆装被测试件，虽然可以实现磨损的定量测量，但是操作复杂，且存在两个重大缺陷第一，每次安装时无法保证摩擦副还保持在停止前的接触轨道上，极大的限制了精确测量的可能性;第二，由于无法保证接触轨道的一致性，破坏了磨损过程的连续性，尤其对于微磨损试验带来很大的误差。无拆装的磨损测量成为精密磨损试验的必要技术。“一种在线测量的磨擦磨损试验机”(申请号200910021407. I)采用表面轮廓仪在无拆装的条件下，通过表面形貌的一维扫描，获得了基于截面形貌的磨损定量指标。但是，这种方法存在两个问题第一，由于磨损表面的微观不规则性，定点扫描曲线难以获得真实的磨损界面； 第二，磨痕表面分析是磨损机理分析的重要手段，一维曲线无法给出磨损表面的特征，故无法提供磨损机理的变化情况。为此，开发一种可以同时具备磨损定量和定性分析的方法具有重要的意义。西安交通大学的“一种磨损原位测量的磨擦磨损试验机”(申请号 201110219851. I)提出了一种基于磨斑图像的磨损原位测量装置，通过USB数字显微镜采集试样磨痕图像并对图像进行分析以获取磨损量，实现了摩擦表面的可视化原位测量与磨损表面的分析。但是由于该装置没有水平方向上的自由度，进行USB数字显微镜的水平移动时，需要靠移动磁力座才能实现，因此定位的精度不高。而且该发明在对磨痕图像进行处理时，没有形成针对摩擦磨损图像处理的系统方法，因此在进行磨损表面分析时没能达到理想效果。另外，该装置只能实现“下试件”(如摩擦盘)的原位测量，若要对“上试件”(如摩擦球)进行测量与分析，则要对“上试件”进行拆装，操作复杂。针对西安交通大学的“一种磨损原位测量的磨擦磨损试验机”(申请号 201110219851. I)上的磨损原位测量装置使用上的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种基于数字图像处理的可视化磨损原位测量装置及方法，对原装置进行了全面改进，不仅能够准确快速地采集“下试件”的磨痕原位图像，也能够实现“上试件”的磨损图像的方便采集。同时开发了针对磨痕图像的处理方法来分析获取磨痕宽度尺寸。本发明重点解决了原位测量装置对磨痕的精密测量问题，通过图像分析获得试样在整个摩擦过程中磨痕的尺寸及其变化，并结合“上试件”的磨损图像进行分析，从而为磨损试验过程形成规范化的定量和定性磨损测试技术。

发明内容
为实现上述目的，本发明提供了一种基于数字图像处理的可视化磨损原位测量装置及方法，其能有效地解决连续试验过程中的无拆装磨损原位测量与表面分析。本发明所涉及的一种基于数字图像处理的可视化磨损原位测量装置及方法，分别采用如下技术方案包括底板、水平位移装置、垂直位移装置、半圆弧槽过渡板、支撑架和数字显微镜；所述底板用于连接支撑整个测量装置并固定到摩擦磨损试验机上；所述底板上，设有由大直线导轨、大丝杠、大丝杠螺母、大旋钮、大轴承以及轴承座组成的所述水平位移装置；所述的大丝杠螺母上设有支柱；所述支柱右侧，设有由小直线导轨、小丝杠、小丝杠螺母、小旋钮、小轴承以及顶板组成的所述垂直位移装置；所述的垂直位移装置右侧设有半圆弧槽过渡板；所述过渡板右侧设有支撑架，用于支撑数字显微镜。所述支撑架可以沿着过渡板上的半圆弧槽进行旋转，实现数字显微镜的180°旋转。一种所述的测量装置所采用的基于数字图像处理的磨痕测量方法，包括如下步骤I)获取单位长度所对应的像素点个数，记为A ；2)根据颜色的HIS模型，对磨痕MXN图像进行灰度化处理，得到每个像素点的灰度值，M为所述图像的宽度、N为所述图像的高度；3)运用最佳阈值分割迭代解法对磨痕MXN图像进行分割，即对图像进行二值化处理；4)采用Radon变换对步骤3)得到的二值图像进行任意角度投影，得到磨痕图像灰度累加值的一维曲线；对比所有角度投影得到累加值，最大累加值Rmax对应的角度θ即为图像倾斜角度；5)运用最小二乘法对Θ角投影得到的曲线进行三次样条拟合，得到连续可微的曲线；6)对所述曲线求灰度梯度幅度，得到梯度幅度的一维曲线；7)根据梯度幅度的一维曲线找到梯度幅度的最大值点和最小值点，两点之间的距离即为磨痕宽度对应的像素点个数，记为P ；8)在图像上垂直于磨痕的方向，手动绘制左边界与右边界之间的垂直线，得到两边界之间的像素点个数，记为Q ;与P进行比较，判断结果的准确度；9)根据标尺图像上每单位长度对应的像素点个数A，得到磨痕的实际宽度值P/ A ；10)对所测量的磨痕宽度值进行存储。有益效果本发明面向摩擦磨损测试的可视化磨损原位测量系统，其可实现以下功能I)可实现可视化的磨损原位自动化测量。2)可提供磨痕的高倍放大图像，可通过磨痕图像分析磨损机理。3)可对测量结果进行存储，建立历史数据库查询系统，可进行不同工况下磨痕测量特性的历史查询与对比，实现了连续性测量。
4)实验中，只需通过磨斑测量软件设定自动采集的时间，即可实现试样在不同阶段的磨斑图像的自动采集。5)不仅可以对试样进行磨损测量，还可结合“上试件”磨损图像进行磨损机理分析，使分析结果更加精确。


图I是面向摩擦磨损测试的可视化磨损原位测量系统的磨痕图像采集装置的主视图；图2是支架与过渡板装配的A向视图；图3是图I中X的局部放大视图；图4是图I中Y的局部放大视图；图5是标尺图像；图6是磨痕灰度图像；图7是磨痕二值化图像；图8是灰度累加曲线图；图9是由灰度累加曲线计算得到的梯度幅值曲线图；图中1、小旋钮；2、挡边轴承；3、顶板；4、支柱；5、小直线导轨；6、小丝杠螺母；7、 大旋钮；8、轴承；9、轴承座；10、大丝杠；11、大丝杠螺母；12、大直线导轨；13、底板；14、过渡板；15、螺母、16、螺钉；17、支撑架；18、小丝杠；19、数字显微镜；20、调焦旋钮；21、镜头。最佳实施方式下面结合附图对本发明的内容作进一步说明。如图I所示，所述的磨损原位测量装置中，将底板13固定于实验台上，底板13上设置大直线导轨12和轴承座9，大直线导轨12上设置大丝杠螺母11用以连接大丝杠10， 轴承座9内设嵌着轴承8用以支撑大丝杠10，大丝杠10左端连接大旋钮7，方便大丝杠10 的旋转实现装置的水平移动。大丝杠螺母11上设有支柱4，支柱4右侧设有小直线导轨5， 支柱4上侧设有顶板3。小直线导轨5右侧设有小丝杠螺母6用以连接小丝杠18，顶板3 内设有挡边轴承2，用以支撑小丝杠18，小丝杠18上端连接小旋钮1，方便小丝杠18的旋转实现装置的垂直移动。小丝杠螺母6右侧设有过渡板14，过渡板14右侧设有支撑架17，参照图2，过渡板14和支撑架17用螺母15和螺钉16连接，松开螺母15和螺钉16可实现支撑架17的旋转。支撑架17上固定数字显微镜19，数字显微镜19的前端有调焦旋钮20用以调节镜头21的焦距。图像采集的具体过程如下I)将数字显微镜19与计算机联接，在计算机界面上显示视频图像。2)旋转小旋钮1，将镜头21垂直移动到最高点。3)旋转大旋钮7，使镜头21水平移到“下试件”磨痕的正上方。4)旋转小旋钮1，使数字显微镜19垂直下移，在计算机上观察到较清晰的磨痕图像时，停止旋转，实现镜头21的粗调。5)调节调焦旋钮20，得到清晰的磨痕图像，实现镜头21的微调。6)拍照，将磨痕图像存储到计算机文件夹中，如图6。
7)在镜头21焦距不变的情况下，将标准网格(O. ImmXO. Imm)至于镜头下，拍照， 得到标尺图像，进行存储，如图5。8)对参数进行设置，实现自动测量。9)参照图2，将螺母15和螺钉16松开，支撑架17可沿着过渡板14上圆弧槽进行旋转，实现镜头21的旋转。10)按照⑵ (6)步骤，对“上试件”的磨损情况进行拍照并存储。基于图像处理的测量方法，参照图7、图8和图9，具体实施过程如下I)加载标尺图像，如图5，获取Imm单位长度所对应的像素点个数，记为A。2)对磨痕MXN图像进行灰度化处理(其中，M为所述磨痕图像的宽度；N为所述磨痕图像的高度)，根据颜色的HIS模型，采用如下公式计算每个像素点的灰度值，结果如图6。F (X, y) = [O. 299fE (x, y) +0. 587fG (x, y) +0. 114fB (x, y)],(X = 0,1, ···, M-I ；y = 0,1,…，N_1)式中fK、fe、fB分别代表彩色图像上每一个像素点红色、绿色、蓝色三个分量值；[X]表示不超过X的最大整数。3)运用最佳阈值分割迭代解法对磨痕MXN图像进行分割，即对图像进行二值化处理，包括以下步骤(I)根据灰度图像可得到最小灰度值Fmin和最大灰度值Fmax，可得到初始阈值T0= (Fmin+Fmax)/2(2)由初始阈值将图像分成两部分(小于Ttl和大于Ttl),计算这两部分的平均灰度值F1和F2
权利要求
1.一种可视化磨损原位测量装置，其特征在于包括底板、水平位移装置、垂直位移装置、半圆弧槽过渡板、支撑架和数字显微镜；所述底板用于连接支撑整个测量装置并固定到摩擦磨损试验机上；所述底板上，设有由大直线导轨、大丝杠、大丝杠螺母、大旋钮、大轴承以及轴承座组成的所述水平位移装置；所述的大丝杠螺母上设有支柱；所述支柱右侧，设有由小直线导轨、小丝杠、小丝杠螺母、小旋钮、小轴承以及顶板组成的所述垂直位移装置； 所述的垂直位移装置右侧设有半圆弧槽过渡板；所述过渡板右侧设有支撑架，用于支撑数字显微镜。
2.根据权利要求I所述的装置，其特征在于所述支撑架可以沿着过渡板上的半圆弧槽进行旋转，实现数字显微镜的180°旋转。
3.—种如权利要求I所述的测量装置所采用的基于数字图像处理的磨痕测量方法，其特征在于，包括如下步骤1)获取单位长度所对应的像素点个数，记为A;2)根据颜色的HIS模型，对磨痕M X N图像进行灰度化处理，得到每个像素点的灰度值， M为所述图像的宽度、N为所述图像的高度；3)运用最佳阈值分割迭代解法对磨痕MXN图像进行分割，即对图像进行二值化处理；4)采用Radon变换对步骤3)得到的二值图像进行任意角度投影，得到磨痕图像灰度累加值的一维曲线；对比所有角度投影得到累加值，最大累加值Rmax对应的角度Θ即为图像倾斜角度；5)运用最小二乘法对Θ角投影得到的曲线进行三次样条拟合，得到连续可微的曲线；6)对所述曲线求灰度梯度幅度，得到梯度幅度的一维曲线；7)根据梯度幅度的一维曲线找到梯度幅度的最大值点和最小值点，两点之间的距离即为磨痕宽度对应的像素点个数，记为P ；8)在图像上垂直于磨痕的方向，手动绘制左边界与右边界之间的垂直线，得到两边界之间的像素点个数，记为Q ;与P进行比较，判断结果的准确度；9)根据标尺图像上每单位长度对应的像素点个数A，得到磨痕的实际宽度值P/A；10)对所测量的磨痕宽度值进行存储。
全文摘要
本发明涉及一种基于数字图像处理的可视化磨损原位测量装置及方法，所述装置包括底板、水平位移装置、垂直位移装置、半圆弧槽过渡板、支撑架和数字显微镜；所述底板用于连接支撑整个装置并固定到摩擦磨损试验机上；所述底板上，设有水平位移装置、垂直位移装置、半圆弧槽过渡板；过渡板右侧设有支撑架，用于支撑数字显微镜；基于数字图像处理的磨损原位测量方法通过对磨痕图像进行灰度化、二值化等处理和Radon变换、梯度幅值等计算，得到磨痕的宽度值。本发明不仅能够准确快速地采集“下试件”的磨痕图像，也能够实现“上试件”的磨损图像的方便采集。同时开发了针对磨痕图像的处理方法来分析获取磨痕宽度尺寸；解决了原位测量装置对磨痕的精密测量问题。
文档编号G01N3/56GK102607977SQ20121007635
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月21日 优先权日2012年3月21日
发明者张乐, 张小刚, 彭业萍, 武通海 申请人:西安交通大学