（农业机械化工程专业论文）图像处理技术在磨损表面图像分析中的应用研究.pdf

摘要 厂 怫文根据数字图像采集系统获得的磨损表面图像，进行磨损机制分析，并运用数字 图像处理技术中的边缘检测和轮廓提取等技术，对磨损形状进行特征提取和分析，运用 面积测星可计算不同磨损机制在整个磨损主体所占的比重，并根据纹理特征分析方法判 断图像的纹理特征，为实现计算机对磨损机制的智能化识别提供参考。心 本文所做的主要r 作如下： 1 对磨粒磨损和粘着磨损的磨损机制进行分析。 2 为了将磨损区域与背景分开，对图像采取迭代法和最大方差化法对图像阈值进行 提取，得出低载大磨粒磨粒磨损、高载小磨粒磨粒磨损和粘着磨损这三种磨损形式的阈 值分别为15 1 ，147 ，l l8 ，对图像进行二值化处理。( 然后应用边缘检测的经典边缘检测 算子s o b e l 算子、g a u s s1a p la ce 算子和模板匹配法中的k irs c h 方法对图像进行边 缘检测以及轮廓提取，使这三种磨损形式的不同磨损机制所产生的形状轮廓得到清晰地 体现，并结合磨损机制分析形状轮廓的特点。弋 3 运用一种基r 边素的图像轮廓编码方法，应用图像外围轮廓的编码法计算出不同 磨损机制造成的磨痕形状所占的面积及在整个磨损主体中所占比重，判断磨损图像不i 司 磨损机制的作用程度。 4 通过傅立叶频谱和灰度共生矩阵特征量的提取对图像进行纹理分析，由于不同磨 损机制的作用，图像纹理具有不同的特性。 关键词 ：图像采集j 磨损机制i 边缘检测，图像编码i 纹理分析， a b s t r a c t c o m p u t e ri m a g cp r o c e s s i n gt e c h n o l 0 9 3 a n a l ys is i n gt h ew e a rs u r f a c ec h a r a c t e rh a d d exe l o p e dr a p i d l 3 a l l dg o tw i d c l 3r e c o g n i t i o na n da p p l i c , i t i o n a c c o r d i n gt o t h ew e a r - s u r l a c ei m a g eo b t a i n e d b 、d i g i t a li m a g e c o l l e c t i o ns y s t e l n i a n a l 5s et h e 、c a rl n e c h a n i s m t h e n c o n s t r u ew e a rs h a p ec h a r a c t e rw i t he d g ed e t e c t i o na n d s k e l e t o nm a pt e c h n o l 0 9 3 7 c a l c u l a t et h ep r o p o r t i o no fd i f f e r e n tw e a rm e c h a u is mt ot h ew h o l e m e c h a n is mw i t ha r e a m e a s u r e m e n t j u d g e t h et e x t u r ec h a r a c t e ro f i m a g e b a s e do nt h e m e t h o do ft e x t u r e a n a l 3 7 s i s s oa st o p r o v i d e r e f e r e n c ef o rt h e c o m p u t e r s i n t e l l i g e n t i z e i d c n t i t 3 t ow e a rm e t h a n i s m m 3j o bi s a sf o l i o 、e d ： i a u a l 、t s i l l gt h ew e a rm e c h a n i s i no f a b r a s l 、e ，a d h e s l v ew e a r 2 d e t a c h i l a gt h ew e a rr e g i o na n db a c k g r o n n d c a c u la t i n gt h et h r e s h o l dv a l u ei s 151 ， i4 7 ，11k t a k i n go v e r l a pm e t h o d a n dn l a x i n l l i u l d i s p e r s i o nm e t h o do fh i g h l o a d s m a l lp a r t i c l ea b r a s i v en ? e a r ，l o w - l o a db i gp a r t i c l ea b r a s i v ew e a ra n da d h e s i v ew e a r t h e np r o c e s s i n ge d g e d e t e c t i o na n ds k e l e t o n m a pw i t hc l a s s i c a ls o b e l a n dg a u s s l a p l a c e a n dk i l s c ha r i t h m e t i c o p e r a t o r so l t e m p i a t em a t c h i n gn l c l h o d m a k i n g t h e s h a p e s k e l e t o n p r o d u c e db y d i f f e r e n t 、e a rl n e c h a n i s me m b o d i e dc l e a r e d a n d a n a l 3s i n gt h et r a i to fs h a p es k e l e t o n 3 c a l c u l a t l n gt i l ep o r t i o na l l d a r e ao fd i f f e r e n t 、e arf o r l nm a d eb y , v e a lm e t h e n i s mw l t h ac o d i n gm e t h o db a s e do nt h em a r g i ne l e m e n t ，a n dl u d g i n gt h ea c t i o nd e g r e eo f , s e a r i n c i h a l l is m 4 a n a l 3 1 s i n gt i l e t e x t u r eo fw e a rs u r f a c ei m a g et h r o u g hf o u r i e rf r e q u e n c ! 7s p e c t r u ma n d g r e 3 m a t r i xe i g e n v a l u e i m a g et e x t u r eh a sr e s p e c t i v ec h a r a c t e rb e c a n s eo fa f f e c t i o i l o fd l f f e r e n tw e a rm e t h a n is n 3 i k e ) w o r d l ：i ma g ec o l l e c t 、v e a rm e c h a n i s m ，e d g ed e t e c t i o n i m a g ec o d i n g t e x t u r ea n a l y s i s 独创性声明 本人声明所早交的论文是我个人在导师指导q - ( 或我个人) 进行的研究t 作殷取得的研究成粜。尽我所知，除了史中特别| | j l 以标注和致谢的地方外，论文中 小t ! 土含j c 他人已 发表或拱t i 过的研究成果，也小卫含为获得中眄ir 、世人学大学_ t 其它敦f r 机构的学何或证书而使用过的利牛1 。j 我同工作的同忐刈奉研究所做的 任何贡献均已在论史中作了明确的说明并表示j 谢意。 研究生签名 关于论文使用授权的说明 本人完伞j 7 解t h 国农业大学大学有关保留、他川学位论文的规定，即：学校有 权保胃f 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式n ： 不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论丈。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：导师签名 第一章绪论 1 1 本课题的意义 摩擦学近年来由丁其潜在的巨大经济效益，在世界各国引起了广泛的重视，而磨损是摩擦学 最基本的三大内容( 摩擦、磨损、润滑) 之一l ，是研究材料相对运动和相互作用的表面科学技 术。在国民经济和国防建设中，各种机器问的摩擦偶件之间，或者是工具与加工对象之间，由丁 相互接触及相对运动，在一定时间的运转和加工后都会产生磨损现象。磨损是大多数零件和l 具 降低t ：作效率、丧失准确度以至报废的主要原因，从而造成能源与材料的消耗是十分惊人的。备 主要工业国家都有这方面的调查统计。美国每年由摩擦、磨损造成的损失约1 0 0 0 多亿美元，。_ 国民经济总产值的4 。我国据有关部门的不完全统计，每年磨损达4 0 0 亿美元。材料的磨损严 重影响近代机械产品的性能质量与寿命，影响了产品的竞争能力。就金属材料而言，其主要优点 是具有良好的机械性能，尺寸稳定，潜在承载能力高，资源丰富，容易进行各种物理化学加l ：， 所以研究金属材料的磨损规律，发展磨损试验方法，对了：提高机器和工具的寿命和可靠性，合理 选用并试制新的耐磨材料具有十分重要的意义。 数字图像处理技术自五十年代兴起以来，一直受到人们的广泛重视并不断地得到发展口】。尤 其在进入八十年代后，随着计算机技术的飞速发展以及人们在视觉学、数学、光学等学科领域的 深入研究，使图像处理技术在理论上得到扩展，算法上得到改进，技术上更加成熟，从而在软件 和硬件两方面进一步蓬勃发展起来。利朋计算机图像处理技术中纹理分析与模式识别技术，可充 分提取出图像中的信息，对图像进行域的变换，有效地分析与识别磨损图像，进而描述和解释图 像1 ”。另外，由于计算机和相关学科的发展，采用计算机进行智能化分析与识别是当今科技发展 的一大前沿课题，是生产实践的需要。 研究磨损表面图像的目的是在于应用数字图像处理技术分析不同磨损种类的磨损机制所具 有的形状和纹理特征，从而为根据磨损表面图像来确定磨损种类和磨损机制提供依据。认识磨损 机制掌握磨损规律，找出控制磨损的方法，采用合适的润滑剂和材料选配措施，设法减少磨损造 成的损害。应用数字化图像处理技术来分析磨损表面的形状与纹理特征是对磨损研究领域更深的 探索与尝试。 1 2图像处理技术在磨损表面研究方面发展现状 摩擦和磨损的研究很早就开始了，早期的研究主要是从机械、力学的范畴出发，在这方面取 得了很多成果，也存在很多问题。磨损是一种十分复杂的现象，它所涉及的科学技术范围甚广， 特别是磨损是一种微观的、动态的过程，仅从机械学的角度去研究是无法完美解决这一复杂问题 的。 传统方法研究的对象主要是针对磨损产物或衍生物如磨损产生的磨粒、磨屑等物质， 即磨 损衍生体的研究。如机械磨损状况的监测技术大都是对磨屑进行检测，通过对磨屑的分析找出其 来源以及它们是如何形成的，产生磨损的部位，并对磨损状况进行解释。而在摩擦学系统中，磨 损表面的形貌、纹理提供了大量有价值的信息，是磨损机制探讨和故障诊断的最重要的判据之一 ”1 。对磨损表面即磨损主体的研究方面，早期采用金相显微镜观察，并配以照相装置予以记录。 7 0 年代中期，火量使用扫描电子显微镜进行磨损表面的分析f 5 1 。并且，铁谱监测技术也开始应用 到材料磨损的研究中来。铁谱监测是一种很重要的油液状态监测技术，是研究材料磨损及进行故 障诊断的t 具。它是将金属材料摩擦副的磨损微粒和碎屑从润滑剂中分离出来，并将其按尺寸大 小依次沉积在透明的显微镜底片上，从而进行检测和分析。它通过对磨损产物磨屑的类型、成分、 浓度、尺寸等进行观察和测量，判断磨损发生的部位、严重程度和机器的运行状况，是一个非常 直观有效的方法【6 】。但铁谱监测技术应用领域的进展缓慢，其中硬件( 高精度的监测仪器及实用 的取样设备) 和软件( 合理的取样方法及适用的定量监测指标) 开发的滞后是主要的原因。 1 2 1 磨损表面形貌研究状况 近年来，随着电子技术和计算机技术的不断提高和普及，现代表面检测技术和图像数字化技 术己应用到磨损表面的观察和分析处理中。如采用表面轮廓仪和电子显微镜可分析摩擦过程中表 面形貌的变化；应用衍射技术可分析摩擦过程中表层结构的变化；能谱分析和电子探针可分析表 面的化学成分i ，】。研究磨损表面的磨损机制，有理论上和实践中都己取得了一定的进展，应_ e 图 像数字处理技术与摩擦磨损实验机联合，可对磨损表面的图像信息进行机理判断，形状参量的分 析以及纹理分析等等，研究磨损表面的磨损机制，在理论上和实践中都已取得了一定的进展，必 将促进摩擦学基础理论研究和材料试验研究的深入发展。 表面形貌直接影响到磨擦学系统的状态，多数情况下，磨损和塑性变形是不可避免的。它们 使得表面形貌发生变化，最终导致系统动态特性发生变化。因此，预测表面形貌不仅对丁二现有机 器状态的监测，而且对于新机器的设计都很重要。 近年来，磨损表面形貌的研究已逐渐应用于磨损表面的分析中来。s t o u t 等建立了磨粒磨损 软表面经受微切削磨损后，其轮廓高度概率密度变化的数学模型【8 1 。之后，张波等从软表面被硬 表面所得微切削的全过程中，得到软表面粗糙度变化的计算方法【9 】。刘启跃等研究在纯滚动条件 r ，4 5 # 钢平面试样磨痕主要为轻微的磨粒磨损，表面只有轻微的划伤；随着表面摩擦力增加， 磨损形式发生变化，从磨粒磨损逐渐转变为粘着磨损，在表面磨痕处有明显的剥离磨屑，磨损深 度剧增。 1 2 2 图像分析处理技术在磨损方面的研究现状 图像分析处理技术应用于磨损方面的研究，是近些年的事。新技术的应用和实践方法在最近 几年内得到迅速发展。1 9 8 4 年，德国h o r s tc g i c h o s 建立了一个光学监测系统，用丁：观察聚脂盘 片滑动的磨损特性，他借助了简单的图像表面分析法定性显示山盘片磨损的形状，为分析和区别 磨损机制提供了帮助i l i o1 9 8 6 年，英国m k o u k a s h 等人为测量牙齿被修补后其所有材料磨损的 情况，利用激光照射由摄像机获得磨损前后的等高线图，再将其相减获得磨损深度，为补牙材料 磨损测量提供了一种新的方法i l “。1 9 8 7 年y o s h i a k i 利用图像处理技术简单绘出磨损的二维地图 2 13 lo 在美国，许多科学家把图像分析处理技术运用到检测材料的形貌。g r i s w o l d 等人1 9 8 9 年埘 数学形态学对图像进行处理来估计纤维材料钻孔质量，并将数学形态滤波和图像处理结合起来， 迅速测量孔的质量。其他如加拿大、朝鲜、澳大利亚等许多国家的科学家都从不同的方面运用图 像分析方法对摩擦和磨损做了一定的研究”。而他们所用的方法可分为两类：直接和间接方法。 直接方法就是基于直接测量材料磨损表面，采用光学传感器、摄像机和检测电路一整套定时处理 系统，这些方法有较高的测量精度，但用途单一，而且受实验现场条件的限制，应用不方便。而 间接方法是测量实验中与磨损有关的参数条件和处理过程，再摄进图像进行阶段分析，由丁- 计算 机设备和图像处理技术的发展，运用光学系统获得图像进行处理，在实验室阶段获得很大发展。 计算机数字图像处理系统包括图像光电转换传感器( 如c c d 摄像头) 、图像采集装置( 如图 像采集膏) 和计算机本身口】。计算机图像处理技术的发展，在很大程度上得益于硬件技术( 如集 成电路工= 艺、光电转换工艺) 的发展。计算机数字图像处理技术近年来得到飞速的发展，应用于 气象、遥感遥测、医疗诊断、工业控制、材料检验等广泛的领域，同样，计算机图像检测技术也 在金属摩擦磨损表面的动态监控中得到了应用i l “。铁谱分析技术是一种传统的研究金属磨损状况 的检测技术，一般的分析铁谱仪、直读铁谱仪等只适合实验室使用，已有科研单位把计算机图像 处理技术应用于铁谱分析，建立适配于分析式铁谱的谱片图像数字处理系统，能够实时地进行金 属磨损状况的铁谱分析【l ”。国内已有开发出能提取金属工件表面粗糙度参数的方法。它是针对传 统光切法测量表i 面粗糙度的缺点，利用c c d 摄像头获取工件表面图像，通过图像采集卡将图像 采集到计算机内存中，并用逐行扫描法提取工件表面图像的边缘，处理后获得工件表面的二维轮 廓信息，从而计算得到表面粗糙度的各个参数值【j 7 10 靳宏磊等根据机械加工表面粗糙度检测的特 点，提出基于纹理分析的表面粗糙度等级识别方法。该方法首先根据统计方差对待测工件的表面 粗糙度进行租分类，然后，利用基于g a b o r 滤波器的纹理分类器，识别待测工件表面粗糙度等级 【18 1 。 1 2 1 图像分割技术在磨损表面研究的现状 在对磨损图像的研究中，需要应用到图像分割技术和特征识别技术。图像分割是图像分析一 个重要的基本问题，分割结果的优劣影响着随后的图像分析、理解和景物恢复问题求解的正确与 否。图像分割一直是图像处理领域中的重点和难点。图像在分割后的处理，如特征提取，目标识 别等都依赖图像分割的质量，同时由于图像分割是基于区域内部的某种均匀性、一致性或区域间 的不连续性、突变性，使图像不能由一个或若干个可测量的特征来表示，所以又是一个较困难的 问题。在图像分割最初发展的二十年里，人们主要对三种分割的方法，即阈值分割、边缘检测、 区域提取进行了研究、进入八十年代后，在继续对基于以前方法研究的同时，模糊理论、人1 神 经网络、马尔柯夫模型、遗传算法理论、小波分析等研究成果已运用于图像分割的研究，取得了 很大的进展【1 ”。在神经网络技术的应用研究中，有不少新的研究成果出现。其中朱庆保针对金属 磨加j 的特点，采凡j 多层神经网络的b p 算法，用b p 神经网络进行非线性校正，实现金属外圆 磨削的在线自动检测，具有准确度高，抗干扰的特点口。王玉涛应用混合神经网络对磨损图像进 行边缘检测，边缘图像是通过采用基于灰度极小值算法提取边缘像素获得，神经网络以边缘图像 中的边缘像素及其邻域像素的二值模式作为训练样本，对经过噪声污染的图像能取得封闭性较好 的边缘图像。 所有这些研究成果表明，图像分割技术从兴起到现在，算法上不断改进和创新，已经有了很 人的进步。但是图像分割的理论和应用仍然可以说是初级阶段，原冈之一便是在大多数情况f 闽 值确定是很困难的，很难用一个精确的数学公式来表征图像分割的过程。同时尽管分割的方法很 多，但没有一种对任何图像都适用的分割方法，冈此对图像分割方法的选择都应依据图像或目标 而异。就某类图像的分割方法选用，也是对具体问题的研究。本文中的分割方法研究就是对具体 图像而言的。 特征提取方面的研究是近四十年的发展中也取得了很多成就。对于图像识别，提取有效特征 是识别的首要任务。目前用于识别的图像特征主要有：( 1 ) 视觉特征，如图像的边缘、轮廓、形 状、纹理、区域等；( 2 ) 图像的统计特征，如直方图、各种矩特征等；( 3 ) 变换系数特征，如傅 立叶描绘子、白回归模型系数等；( 4 ) 代数特征，如图像矩阵的奇异值分解等阱】。针对有利r 提 取磨损表面特征的参量进行分析，是本文所要进行研究的内容。 以上所述计算机图像处理技术的实际发展和应t l j 都为我们把数字图像处理技术引入到对摩 擦磨损表面的监测分析提供了很好的参考，在实现方法上是一个很好的指引。 1 3 研究内容和系统设计 本课题的研究内容主要从以下几方面展开： 1 磨损试验设计。为了在试件表面获得具有磨粒磨损和粘着磨损特性的磨损表面，在m 一 2 0 0 磨损试验机上要设计相应的实验参数。本研究主要针对磨粒磨损以及粘着磨损来进行实验设 计。 2 磨损表面图像的采集。用视频仪、c c d 摄像头、图像成像系统实现表征磨粒磨损和粘着 磨损特性的磨损表面的图像采集，编写图像采集卡的驱动程序，将图像的数据以数据文件形式存 储在计算机硬盘上。 3 对图像进行一些预处理工作，主要是图像的增强。针对不同的情况，可包括图像处理技 术中的直方图修接法、中值滤波等。其目的是使原图的质量在进行分割之前尽可能地得到一些改 善，为f 一步的正确分割打好基础。 4 图像的分割。图像分割属于模式识别研究的范畴，其任务是将一幅图像中的各种成分分 离成基丁二若干与景物中的实际物体相对应的子集，其目的是从一幅图像中找出所需要的目标。对 磨损图像而言，分割的目的是区分末被磨损区域或磨损特别轻微的区域和磨痕比较明显地区域， 便丁| 有针对性的对磨痕区域进行分析。分割结果的好坏将直接影响后续的计算和处理。研究中应 朋迭代法和最大方差化法进行图像分割。 5 图像的数字形态学变换。由于种种原因( 包括原始图像的质量以及分割算法的局限等) ， 分割后的图像还可能存在一些不完善的地方，如果不加以处理，这些缺陷还将对今后的计算带来 凼难和误差。本文应用数学形态学对分割厉的图像进行修正。 6 提取图像的边缘特征。应用s o b e l 算子，g a u s s 1 a p l a c e 算子，k i r s c h 算子对经过上述处理 4 后的斟像进行边缘检测以提取罔像的边缘特征，鲜进行轮廓提取处理，分 i 不同的磨损机制 所l l 何的形状轮廓特征 7 通过编码法豳积测量，计算出不同磨损机制形f j 叟的磨痕形状面积，以搜咚在整个磨损j ： 体t ，所。的比i e ，从j m 川判断出不磨损机制亿祭个腾坝jf 4 、一lr 的作刖， l , 1 列幽像的纹州进行分析：要应辟j 傅立叫频l 普及j l t 矩阵特性量来分扒通过列共+ l 短， 阵一t ，特 l f 置德的提取结果对三种磨损形式的纹理进行判断j 描述，并论述遮曲种方法分析结果 的投件 本论文研究的目的是通过对试件磨损表面图像进行磨 * 机制分析，进r r i 7 分析和研究磨粒磨 损和粘着磨损的形状特征参量及纹理特征，进行特矸模式识别分析和处理为计算机智能化识 别磨损机制提供参考 圉此通过对磨损表面实施数字图像分析和处理不仅能准确地判断机械零部件的磨损状 况_ 】= | | 程瞍，合理掌= i 岳i f j 【器零部件的运行和更换时间成功地降低机器设备的维修成本。而且为 ：i 犬志监拧的胡究拓展r 一个新的领域，为计算机存摩擦。# 领域的运用开辟了 条新的途径这 列十设备：状态临删、也叟障诊断、睁撩磨损机制例j e l , 9 、及聃搬表面监控技术的推广和发展部有着 重臻的意义将计算机图像数字处理技术应川j 磨 * 表”宄旨在将磨损良面计算机图像分 析所，e 、项的磨损特矩进行提取和描述以建立适配磨捌& 面分析的图像处川系统为图像处 理j 支术伴磨损叫究t 0 应用开辟新的途径。 本t 粜题的系统包括存磨损试验机上经过一定试验枷柙获得的具有磨粒磨拟和粘着磨损特征 的试件以c c d 摄像头、d h v r t c g 2 1 1 ) 图像采集卢、视频仪、计算机等构成的图像采集系统 通过v i s u a lc h 编程技术对所获得的磨损表而进行商方图修整、中值滤波、闽值提取、数学彤 态学运算、边缘检f j l 0 、轮廓提取等处理，应用形状面积测话及纹理分析方法分析和判断不同 磨损j f = j x 磨损机制所形成的图像特征和纹理特性从而为吱现根据试件磨损表而的图像而实时 判断磨 帆制提供依掘在实际应用中，可根捌小同的磨损机制状况采取有效的措施来减，p 磨 损造成的破坏和损失保证机器的 j 常运行和延长机器的他用寿命 枢个系统流程图如i ： 得到小| | 1 条件f 试件 ，粜 1 4 本章小结 1 综述了本课题研究的目的和意义。 2 介绍了数字图像处理技术在磨损表面研究方面的国内外研究现状。 3 明确了本研究的主要内容。 6 第二章磨损试验设计 本论文中，由丁研究的对象是具有磨粒磨损和粘着磨损特性的试件磨损表面，因此，必须针 对磨粒磨损和粘着磨损产生的条件进行试件试验，从而获得一定试验条件f 具有磨粒磨损特性的 粘着磨损特性的试件，再应用图像采集系统将试件表面图像输入到计算机中，运用数字图像处理 技术对磨损表面图像进行特征识别与分析。 2 1 磨粒磨损及粘着磨损 2 1 1 磨粒磨损机制 磨粒磨损是磨损或硬凸体对金属表面进行微切削、犁沟并使之受到交变应力和变形的破坏过 程“。磨粒磨损通常分为两个过程：第一，磨粒在载荷的作用f 压入材料表面；第二，压入表面 的磨粒在切向力的作用下沿工件表面移动，使其产生磨损。磨粒磨损的分类方法很多，按照磨粒 与被磨损表面的数目可分为：二体磨粒磨损和三体磨粒磨损磨损。磨粒沿一个固体表面相对运动 产生的磨损称为二体磨粒磨损。当磨粒运动方向与固体表面接近平行时，磨粒与表面接触处的应 力较低，冈此固体表面产生擦伤或微小的犁沟痕迹。三体磨粒磨损是指外界磨粒移动于两摩擦表 面之间，通常三体磨粒密损的磨粒与金属表面产生极高的接触应力，这种压应力使韧性金属的摩 擦表面产生塑性变形或疲劳，而脆性金属表面则发生脆裂或剥落。目前主要有三种磨粒磨损机制 即微观切削、挤压剥落和疲劳破坏”。微观切削作用是由于法向载荷作用将磨粒压入磨损面，而 滑动时的摩擦力通过磨粒的犁沟作用使剪切、犁皱和切削，产生槽状磨痕，同时义在切应力作川 下犁削表面而产生的，结果是在表面形成沟槽或犁沟槽状磨痕。 2 1 2 粘着磨损机制 根据粘结点的强度和破坏位置不同，粘着磨损按其机制可分为六类：( 1 ) 跑合磨损，也称轻 微磨损，属于正常磨损；( 2 ) 涂抹，即轻度粘着磨损，表面材料转移的材料极轻微；( 3 ) 擦伤， 沿滑动方向产生抓痕；( 4 ) 胶合剪切发生磨损副一方或两方金属较软处；( 5 ) 咬死磨损副内 产生极高温，造成粘结咬死不能动，如滑动轴承的烧瓦、抱轴”。它们的磨损形式、摩擦系数和 磨损度虽然不同，但共同的特征是出现材料迁移，以及沿滑动方向在材料表面形成程度不同的划 痕。如果粘结点的剪切强度低于两表面材料的剪切强度，则剪断发生在界面上。当粘结点的剪切 强度比摩擦副中较硬金属弱而比较软金属强时，剪切发生在较软金属的浅表层内，此时，材料转 移到硬的表面上，形成极薄的一层，称为涂抹口。而当粘结点的强度高于两表面金属的强度，剪 切发生在金属表层以下。如剪切深度不深，表面将出现具有方向性的细微抓痕，叫做擦伤。若由 r 局部同相焊合，剪切时造成严重抓痕，即材料的磨损表面将形成沟槽和狭窄条带，则谓之划伤 或拉伤。 7 j 自f 磨粒磨损和粘着磨损雨一工、地生产中足机械褐合件磨损的主要形式，f h 此，研究磨粒磨 损和粘若磨损对于解决、与前生“和科研中的实际问题有着c f 人的现实意义和月一卫意义 2 2 磨损试验设计 试验采用m 2 0 0 试验机该机可模拟各种材料存不同的摩擦条件下进行r 摩擦以及磨粒磨 损、粘着磨损等多种试验，通过一定的试验设计，在试什表面获得具有磨粒磨损和粘着磨损特 性的特正表面，进而可进行材料磨粒磨损和粘着磨损的磨损机制及磨损表面特觚分析 2 2 1 磨粒磨损试验设计 存进行麽粒磨损7 丈验设计之前应考虑到磨粒磨损的影响素， ( 1 ) 胯粒的大小刈磨粒磨损表的影响 磨粒的大小影响到磨损表面所形成的犁沟截面积，mh 也影响磨屑形成的概率及因犁沟体 积迁移而成为磨屑的体积，从而影响到磨损表面形貌特，止，在同样的条件u 卜较大的磨粒压入 磨损表面的深度大较小的磨粒压入的深度较小，前者容易造成弹塑性变形和切削，而后者可 能只存弹性的接触范剖以内n 磨粒大小也影响着磨损表面的擦伤及划痕的痕迹是否比较明显口】 ( 2 ) 载荷对磨粒磨损表面的影响 对三体磨损而苷存低载荷作用下，磨损率随着载荷的增加呈缓慢增长的趋势：磨损表面 的擦伤及划痕的痕迹较轻微。 此外t 还有表面牛丌对速度、热和温度、湿度、金属利料的冶金因素等对髀粒磨损性能及表 面形貌部有定的影响，但在本实验条件下，考虑到试验材料、试件转速都足既定的，因此考 虑辟粒大小与线荷对磨粒磨损表面彤貌的影响，为i 比，设计了两种不同参数的磨粒磨损试验， 一种是低裁火磨粒磨粒磨损试验另一种则是高载小磨粒瞎粒磨损试验。 2 21 1 低载大磨粒磨粒磨损试验设计 摩擦副的接触形式为面接触方式，材料为4 - 5 抻钢，其机械性能见表2 1 ， 表2 一l 试件参数 项目 遮住 上达盐王达住 强度hb202h b 2 0 2 尺寸m m0 4 0q b 4 0 盘厦狙糙度。q ：8h 盟q ：g 盟 润滑方式及试件配合图及尺寸如图2 1 所示。 3 ：下试件转轴4 ：链条 图2 一l 润滑方式圈及试件配合和尺寸图 p 霪 型手 试验规程为：试验前试件用丙酮清洗、干燥，将试件装置在试验机上。在装置时，使用同心 测度仪测量同心程度，调整并固紧其位置。校准后，保持上试件静止，将r 试件转速慢慢调至 1 0 0 r m i n 。经过十分钟的磨合后，施加载荷从o n 逐渐加至5 0 n ，然后调节下试件的转速至2 0 0 r m i n ， 保持运行时间为5 0 m i n 。润滑方式为链条携油润滑，每次1 0 0 m l 润滑油，循环使用。选用2 2 # 机 油润滑油，粘度为5 0 r n m 2 s ，磨粒尺寸为1 5 0 目，材料为二氧化硅。 2 2 1 2 高载小磨粒磨粒磨损试验设计 1 试验规程： 上、f 试件材料、强度和尺寸均相同，分别为4 5 # 钢，h b 2 0 2 和 4 0 m m ，均为圆环。试验 前试什_ 【 j 丙酮清洗、干燥，将试件装置在试验机上。在装置时，使_ l j 同心测度仪测萤同心程度， 调整并同紧其位置。校准后，将下试什转速调至】0 0 r r a i n ，则上试件转速为9 0 r r a i n 。经过十分钟 9 的磨合后，施加载荷从o n 逐渐加至1 0 0 n ，然后调节f l 式件的转速至2 0 0 r m i n ，保持运行时间为 4 5 r a i n 。润滑方式为链条携油润滑，每次1 0 0 m l 润滑油，循环使用。选刚2 2 # 机油润滑油，粘度 为5 0 m m 2 s ，磨粒尺寸为2 0 0 目，材料为一氧化硅。 2 试件配合图如图2 3 所示 2 2 2 粘着磨损试验设计 图2 3 摩擦副构成及试件配合图 在进行试验之前，应考虑到影响粘着磨损的因素。影响粘着磨损的冈素主要有表面载荷、摩 擦副材料等。表面载荷越大，发生胶合的时间就越短；在配对材料中，脆性材料粘结点的破坏主 要是剥落，损伤程度较浅。材料塑性越高，粘着磨损越严重。相同金属或者互溶性大的材料组成 的摩擦副粘着效应较强，容易发生粘着磨损。 试验设计参数如下： 1 试验规程 上、下试件材料、强度和尺寸均相同，分别为4 5 # 钢，h b 2 0 2 和0 4 0 m m ，均为圆环。试验 前试件用丙酮清洗、干燥，将试件装置在试验机上。在装置时，使用同心测度仪测量同心程度， 调整并固紧其位置。校准后，将下试件转速慢慢调至1 0 0 r m i n ，则上试件转速为9 0 r m i n 。经过十 分钟的磨合后，施加载荷加至6 0 n ，然后调节下试件的转速至2 0 0 r m i n ，则上试件转速为1 8 0 r m i n 。 保持运行时间为6 0 m i n 。 2 试件配合图如图2 4 所示。 1 0 游麓 2 3 本章小结 图2 4 摩擦副构成及试件配合图 1 在m - - 2 0 0 磨损试验机上进行低载大磨粒磨粒磨损与高载小磨粒磨粒磨损试验，在试件 表面获得具有磨粒磨损特性的特征表面。 2 根据粘着磨损产生的条件，设计磨损试验规程，在试件表面获得具有粘着磨损特性的特 征表面。 盯f 游麓 第三章图像采集及图像分析 图像采集由图像采集系统来完成，图像采集系统由c c d 摄像头、d h v r t - c g 2 1 0 图像采集 、视频仪、计算机等构成。 3 1 硬件构成 本次试验使用的图像采集系统主要由计算机、视频仪、d h v r t - c g 2 1 0 图像采集卡、c c d 摄像头等组成，如图3 1 。 善一。 图像获取 图3 1 采集系统原理图 测试分析 计算机采用兼容机，c p u 是p e n t i u mi i4 0 0 m h z ，带二级缓存，1 2 8 m 内存，3 2 总线。图像 采集 是北京大恒图像视觉有限公司新设计的、基于p c i 总线的d h v r t - c g 2 1 0 卡，是高速彩 色黑白图像采集卡。在本试验中采用该图像卡的黑白1 作方式。它对黑白图像采用8 比特存储方 式提高了计算机内存的利用效率。在工作时，六路复合视频输入经多路开关，软件选择其中一 路作为当前输入，送入a d 进行模儆转换。数字化后的信号格式为8 b i t 灰度数据。数字化的图 像信号经各种图像处理，如比例缩放、裁剪、位屏蔽后，利用p c i 总线，传到v g a 显示或计 算机内存存储。空间分辩率为7 6 8 5 7 6 ，采集速度为6 0 帧s 。 摄像机采用m t v l 8 0 2 c b 工业监视级中品质较高的一种c c d 摄像机，动增益调节，g a m m a 校正，信噪比优于4 8 d b ，扫描面积为7 9 5 m m 6 4 5 m m ，扫描速度为6 2 5 行5 0 场2 5 帧，最低照 度为o 0 2 1 x 。镜头焦距为3 5 8 m m ，快门速度为1 6 0 1 1 0 0 0 0 s 。c c d 摄像机的【作方式是将被 摄物体的图像经过镜头聚焦到c c d 芯片上，c c d 根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素 积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波处理后，形成视频信号输出。 1 2 3 2 软件构成 d h v r t - c g 2 1 0 图像采集卡的软件提供了彩色单色、模拟数字等范围内拍摄及实时传送的 功能，在环境中使用动态连接库c g 2 1 0 d 3 2 控制图像 的j 作，用v c 3 2 位开发l 具调用函数， 实现图像的采集、传送、处理、分析和显示。 本论文采用v i s u a lc + + 6 0 开发w i n d o w s 环境f 的软4 l - ，主要用于对图像的采集和存储、图 像预处理、特征抽取及纹理分析。整套软件均为汉化菜单，人机交互性强。 3 3 图像采集系统 拍摄时，接通图像传感器电源，将信噪比调至最低，运行驱动程序，得到图像采集窗口，调 节c c d 摄像机焦距、光圈及室内照明度，直至拍摄到反映试件表面特征的图像。 c c d 输山的视频信号为模拟信号，在用计算机进行处理之前，必须进行a d 转换。 图像采集由d h ，v r t - c g 2 1 0 采集卡来完成。其主要功能是将c c d 输出的模拟视频信号转换 成数字信号，转换后数值的大小与c c d 输出的模拟信号相对应，进而就与成像在c c d 上的景物 的光强相对应，因而就完成了将景物的光强度变化转变为数值的变化的过程，从而在计算机中形 成了一幅数字图像文件。 本文采川两维光强度函数f ( x ，y ) 形式表示数字化图像，此处x 和y 是指空间的坐标，而任意 点( x ，y ) 上的f 值正比于图像在该点的亮度。一幅数字化图像f ( x ，y ) 指的就是在空间坐标上和亮度上 都已经离散化了的图像。我们可以把一幅数字图像考虑为一个矩阵，其行和列标出了图像中的一 个点，而矩阵中的相应元素的值则标出了该点的灰度等级。这样的数字阵列中的元素叫像素。显 示时采用扫描的方式：电子枪每次从左到右扫描一行，为每个像素着色，然后再像这样从上到f 扫描整个屏幕，利用视觉暂留效应就可以显示出一屏完整的图像。灰度是描述某一象素点明暗程 度的基本数量参数，灰度图是指只含有亮度信息，不含色彩信息的图像，就像我们平时看到亮度 由暗到明的黑白照片，变化是连续的。因此，要表示灰度图，就需要把亮度值进行量化。通常划 分成0 到2 5 5 共2 5 6 个级别，0 最暗( 全黑) ，2 5 5 最亮( 全白) 。 在其自然的形式下，图像并不能直接由计算机分析。因为计算机只能处理数字而不是图像， 所以一幅图像在用计算机处理前必须转化为数字形式。 图像转化的过程称为数字化，在每个像素位置，图像的亮度被采样和量化，从而得到图像对 应点上表示其亮暗程度的一个整数值。对所有的像素都完成上述转化后，图像就被表示成一个整 数矩阵。每个像素具有两个属性：位置和灰度。位置( 或称地址) 由扫描线内的采样点两个坐标 决定，它们又称为行和列。表示该像素位置上亮暗程度的整数称为灰度口“。此数字矩阵就作为计 算机处理的对象了。 数字化过程包括两个步骤：采样和量化”“。它是由模一数转换器( a d ) 进行的。 ( 1 ) 采样过程 采样过程是在观察域上选择一组点，在每一个这样的点上图像的特征被测量出米并悄r 后面 的处理，也可以认为是把在时间上和空间上连续的图像转换成为离散的抽样点集的一种操作。 1 3 由f 图像是一种二维分布的信息，要对它完成采样操作，就需先将二维信号转换为一维信号， 再对一维信号进行采样。具体方法是：先沿垂直方向按一定的间隔以从上到下顺序地沿水平方 向直线扫描方式，取出各水平行上浓淡( 灰度值) 的一维扫描线，而后再对该一维扫描线信号按 一定间隔抽样得到离散信号，即先沿垂直方向抽样，再沿水平方向抽样，两步完成抽样操作。 ( 2 ) 量化过程 经过采样，图像已经在时间、空间上离散为像素点，但是采样结果所得的像素点的值( 即浓 淡、灰度值) 仍是连续量。量化是把采样后所得的这些连续化表示的像素值离散的过程。 因为所有计算机都只有一定量的存储器，因此，必须在量化过程中用有限数目的数字来描述 这些测量量。通常，用空间分辨率来指取样点的密度，而用灰度等级( 或彩色) 分辨率来指测量 的精确度。通过这个办法，计算机就得到了图像的数据，也就是说，它“看”到了图像。 扫描、采样和量化这三个步骤组成了称为数字化的过程，经过数字化得到一幅图像的数字表 示，即数字图像。 经图像采集卡上的a d 转换器把模拟信号变成数字信号，使输入的图像数字化为像素，这些 像素以矩阵形式排列。像素强度用灰度表示，灰度级为2 5 6 级。本章后面所讨论的图像处理算法 都是针对这样的数字图像进行的。 3 4 试验结果分析， j 7 3 4 1 低载大磨粒磨粒磨损图像分析 不 通过图像采集系统对具有低载大磨粒磨粒磨损特性的试件表面进行图像采集，结果如卜所 图3 2 低载大磨粒磨粒磨损表面图像 从图像中可以看到，在磨痕区域可见明显的犁削痕迹，以及材料由于挤压作用被推向前缘。 图像的中间部分是磨粒在材料表面产生显微切削作用，在表面产生并形成槽状的犁沟效应而前 缘突起的亮部是由，丁大磨粒在通过材料表面时，在压应力作用下，将材料推碾至碾沟的前缘而形 成的，而周闱则是挤压作用造成的一些轻微的划痕。在c c d 拍摄的过程中，由丁对比度的影响， 1 4 反映到计算机显示器上的图像与原图像的灰度相反。磨损区域表面深度较人时，光线的实际反射 率也人，在所提取的图像中表现出的灰度值较暗，灰度值较小；相反，当拍摄深度较小的磨损区 域表面或者磨损程度很轻微，可认同为末被磨损区域表面时，由于其他部位的影响，入射光线的 实际反射率不高，磨损的实际表面看起来较h 音，所提取的图像表现出的灰度值则较大。这种图 像反应了磨粒磨损中由于微观切削机理和挤压机理所造成的典型的表面状况。对此图像进行分析 和识别，所提取的形状特征和纹理特征应能概括这种磨粒磨损表面特性。 3 4 2 高载小磨粒磨粒磨损图像分析 通过图像采集系统对具有高载小磨粒磨粒磨损特性的试件表面进行图像采集，结果如f 所 图3 3 高载小磨粒磨粒磨损表面图像 从以上图像可以看出，小磨粒在高载的反复作用下，使磨粒的一部分压入试件表面而相对滑 动使这些磨粒在摩擦面间滑动或滚动，对表面产生切削，在试件表面产生拉伤，使材料发生剥落， 因而在材料的表面上存在一些凿槽的痕迹，反映到图像中则呈较亮的条状分布。点状分布表明磨 粒受到挤压作用而对试件造成碾压而形成的，碾压使材料产生凹坑。此外，被磨材料的表面在高 载小磨粒反复滚压作用下还存在韧性撕裂岭、韧窝等，对此表面图像进行分析及识别，能够在一 定程度上反映这种磨损机制的表面特性。 3 4 3 粘着磨损图像分析 通过图像采集系统对具有粘着磨损特性的试件表面进行图像采集，结果如下所示 5 图3 4 粘着磨损表面图像 从粘着磨损图像上来看，材料从一个表面转移到另一个表面，造成涂抹。并且存在方向性的 擦伤，典型地体现了粘着磨损涂抹和擦伤机制所形成的表面特性，对如上图像进行分析及识别， 可以概括粘着磨损中的涂抹和擦伤机制所形成的表面特性。 3 5 本章小结 对具有磨粒磨损和粘着磨损特性的磨损表面，通过图像采集系统将试件磨损表面图像显示到 计算机上，完成了图像的采集工作，并对磨损表面图像进行了磨损机制分析，为磨损表面图像的 分析和识别奠定了基础。 6 第四章图像预处理 由r 通过图像采集系统所获得的图像在生成和传输过程中会因各种噪声源的干扰和影响而 使图像中包含了各种各样的噪声和畸变，去掉这些噪声和畸变，突出图像的有用信息，或将图像 变换成某种标准形式，以易于特征提取和识别的进行。这样的处理在图像分析和识别中被称为预 处理。它包括：对比度的增强、平滑、锐化、几何畸变的校正等2 ”。 针对本论文的应用，本章将就前两种预处理方式进行阐述。 4 1 直方图修整法增强 图4 1 显示了三种磨损图像的灰度直方图。在数字图像处理中，灰度直方图概括了一幅图 像的灰度级内容“。灰度直方图是灰度级的函数，描述的是图像中具有该灰度