[发明专利]基于数字图像处理的磨损原位测量装置及方法

说明书

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：200910021407.1)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：201110219851.1)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：201110219851.1)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：

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×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M×N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R_max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；