（机械设计及理论专业论文）部分膜弹性流体动力润滑（pehl）条件下的微磨损研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 部分膜弹性流体动力润滑o e t t l ) 条件下的微磨损研究 捅要 本文叙述了在部分膜弹性流体动力润滑( p e h l ) 条件下的动态微磨损研究 以及表面粗糙度变化在线测量的重要性。针对运动表面的特性，基于光切法的多 种优点，以光切法为基础，设计环块实验机去模拟部分膜弹性流体动力润滑条件 下的磨损工况，利用上海大学0 2 届硕士研究生杨玉林开发的图像采集及图像处 理软件进行在线测量运动表面的粗糙度，研究了p e h l 下跑合过程中的运动表面 的磨损率、粗糙度和润滑之间的动态磨损特性。 ： 在论文的第二章，首先对实验系统的基本组成和原理进行了详细的阐述，其 中对光切法的基本原理，图像采集系统和图像处理软件分别进行了详细的说明。 并针对动态图像的处理特点，作者提出了新的图像处理方法：全局可变闽值法， 该方法可以根据图像的质量选择适当的像素灰度值进行闽值处理，避免了全局固 定阈值处理时的不理想效果。此方法的使用，使运动表面在有少量油膜，或表面 有轻微反光影响的图像的处理效果较佳。 在论文的第三章，首先对微磨损实验机的基本组成和实验原理进行了详细的 说明。然后，通过大量p e h l 下不同工况的实验，对静态图像和动态图像的处理 结果进行了比较，在已有工作的基础上进一步验证了本套系统的有效性，系统能 有效地对运动表面形貌进行在线测量。 论文的第四章，应用实验系统对p e h l 下跑合过程进行了不同实验工况下的 微磨损试验，对表面的磨损率、粗糙度的变化特点进行了实验研究，考察了不同 初始粗糙度和不同载荷作用下的微磨损变化情况。 论文最后，提出p e h l 线接触下的动态微磨损模型，并在模型中体现了润滑 因素的影响，并应用已有的p e h l 计算数值程序对润滑进行计算，并把润滑理论 的计算结果纳入磨损模型中。通过与实验数据的比较，表明动态磨损模型的数据 与实验数据有较好的匹配。 关键词：光切法，部分膜润滑，磨损，粗糙度在线测量 上海大学硕士学位论文a b s t r a c t e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n o fm i c r o w e a ru n d e rp a r t i a l e l a s t o h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t e d ( p e h l ) c o n t a c t s a b s 覃黜k c 翟 i nt h i st h e s i s ，t h es i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c ho nm i c r o - w e a ru n d e rp e h lc o n t a c t s w a sp r e s e n t e d 。at e s t - f i gw a sd e v e l o p e dt oi n v e s t i g a t et h em i c r o - w e a ru n d e rp 嚣珏l w i t har e a l t i m er o u g h n e s sm e a s u r e m e n ts y s t e m t h er o u g h n e s sm e a s u r e m e n ts y s t e m m a k eu s eo f l i g h t - s e c t i o nm e t h o dw i t hs t r o n gi m a g ep r o c e s s i n gc a p a c i t y i nc h a p t e rt w o ，t h ed e t a i l so ft h em e a s u r e m e n ts y s t e mw e r ei n t r o d u c e d ，i n c l u d i n g t h et h e o r yo fl i g h ts e c t i o nm e t h o da n dt h et e c h n i q u eo fi m a g ea c q u i s i t i o na n di m a g e p r o c e s s i n g 。a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i co fd y n a m i ci m a g e ，an e wm e t h o dw a sp u t f o r w a r dt h a ti sv a r i a t i o nt h r e s h o l dm e t h o d t h em e c h a n i s mi st od e f i n et h et h r e s h o l d v a l u ea c c o r d i n gt ot h e 琴帮v a l u ea n dq u a l i t yo fw h o l ed i g u ai m a g e t h i sm e t h o dn o t o n l ya v o i d st h en o n i d e a le f f e c to fc h a n g e l e s st h r e s h o l do ni m 3 e e s s i n g ，b u ta l s oi tc a n p r o c e s st h ei m a g eo f m o v i n gs u r f a c ef o rt h i no i lf i l mc o n d i t i o n i nc h a p t e rt h r e e ，t h eb l o c k - o n r i n gw e a rr i gw a si n t r o d u c e d i ti su s e dt os i m u l a t e w e a rc o n d i t i o nu n d e rp e h la n da l s ou s e dt ov a l i d a t et h er e a l - t i m er o u g h n e s s m e a s u r e m e n ts y s t e mh a sg o o da b i l i t yt op r o c e s st h ed i g i t a li m a g e sa c q u i r e df r o m m o v i n gs u r f a c eu n d e rl u b r i c a t e dc o n d i t i o n i nc h a p t e rf o u r , t h ed y n a m i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e nw e a l r a t e ，r o u g h n e s sc h a n g e d u r i n gr u n n i n g - i nu n d e rp e h lc o n t a c t sw a si n v e s t i g a t e dt h r o u g he x p e r i m e n t a ld a t a t h em i c r o - w e a rw i t hd i f f e r e n ti n i t i a ls u r f a c er o u g h n e s sa n dd i f f e r e n tl o a d i n gc o n d i t i o n w a si n v e s d g a t e de x p e r i m e n t a l l y a tl a s to ft h et h e s i s ，as i m p l ed y n a m i cm i c r o - w e a rm o d e lw a sd e v e l o p e dt o d e m o n s t r a t et h ed y n a m i cn a t u r eo f t h em i c r o - w e a ru n d e rp e h lc o n t a c t s 。i nt h i sm o d e l ， t h el u b r i c a t i o na n a l y s i sw a sr e l a t e dt ot h ew e a rm o d e lt h r o u g hi n c o r p o r a t ep e h l c a l c u l a t i o nr e s u l t s ，s u c ha sf i l mt h i c k n e s s , a s p e r i t yc o n t a c tp r e s s u r ev a l u ei n t ow e a l m o d e l n l em o d e la l s ow a sp a r t l yv a l i d a t e dw i t he x p e r i m e n t a ld a t a k e yw o r d s ：l i g h ts e c t i o nm e t h o d ；p e h l ；w e a r ；o n - l i n er o u g h n e s s m e a s u r e m e n t 。 上海大学硕士学位论文 符号表 g 髟 d q 。，q ， 蟹 h 蝴，“2 轰，务 魂 艿 l ” 矗r 鬟 口 p ( 0 执 穆 擞 片 尹 符号表 无量纲膜厚参数 无量缵速度参数 无量纲材料参数 无量纲载蘅参数 粘压系数 单位宽度上的流量 满清灌豹耱旋 油膜厚度 两表丽的邃发 x 窝y 方爨静器力浚爨霆子 剪切流量因子 糨鬻袭西的轮薅高浚 两接触粗糙袭面间的名义油膜厚度膜厚 两接触面间的平均间隙 半经 表面粗糙度均方根偏差 貘潭魄 表面方向参数 载荷分布函数 援蜂棱艇莲力 单位丽积中的微凸体数量 平稳豹徽凸钵半径 参数 变量 淡嚣凌压力 上海大学硕士学位论文 符号表 粗糙潍承受的载荷 微蜂接触压力 平均微峰接触愿力 卷蔽速度 润滑油环境粘度 当量弹性模量 长度 平均表瓶粗糙度 ；r 无量纲磨损量 瘗损率 粗糙度的变化率 体积磨损率 路合避程中韵体积密损率 稳定壤损除莰鹣薅获薅损搴 表面硬度 湿度 时间 润淆荆对有效屈服力的影响 屈服力 x 坐标轴 y 垒称辘 外载葡 剪应力 平均糕糙峰瞬时接触聪力 两接触面的正常接触酾积 两接触嚣翡实际接皴甏耪 凡 风 一n “ f l n 矽 形 一蝇 矿 n 默 r 。 z ， x 、p f 热 a 趣 = 兰塑奎兰堡主堂垡堡奎 笪量查 b h e r t z 接触长度的半宽 c 表面吻合程度 d 距离 t 磨损系数 三，实际接触长度 s 滑滚比 r ： 无量纲粗糙度值 珥q ，d 2 ，码系数 p 最大h e r t z 接触压力 堍k ，姊 系数 原创性声明 本人声明：所星交的论文是本人在导师搬导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了嘲礁匏说唆荠表示了谢意。 本论文使用授权说明 本入完全了勰上海大学有关傈聱、使蘑学位论文的趣定，即：学 校存权俣爨论文及送交论文复印传，允许论文被查阅和詹阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：! 銎堡墨导师签名： 1 的粗糙表面，纯滚动 所形成的中心油膜厚度将低于光滑表面的对应数值。也就是说，在线接触弹流润 滑下，同向和横向粗糙峰的纹理能够产生比纵向粗糙峰的纹理更高的油膜厚度。 可见平均流量模型在目前研究表面粗糙度对润滑的影响的应用中是相对比较成 功的。 1 3 磨损机理 磨损是一个复杂的问题，它可能由机械效应、化学效应和热效应共同或个别 引起的。它受许多因素的影响，例如：材料特性，环境和工作参数等【2 】。甚至在 一个特定的条件下，在不同的时期，磨损性质都会发生很大的变化。科学家和工 程师们付出了大量的努力去研究磨损机理，但是至今，它还是一个没有被充分描 述和评价的问题。 根据磨损主要机理，可以将磨损主要地划分为四种不同类型2 ”，即磨粒、粘 着、疲劳和腐蚀磨损，不同的磨损类型有他们自己的磨损机理和变化规则。而磨 粒磨损是最为常见和较为简单的一种，它主要通过硬表面的粗糙峰在软表面的犁 沟作用在软表面上产生磨损，磨粒磨损的定量表达式是： 矿：k ，譬 ( 1 1 ) 磨损体积y 与载荷p 和滑动距离d 成正比，和硬度日成反比。女a b r 是磨粒磨损系 数，它主要与依靠材料的硬度和表面特征相关田1 。 粘着磨捌2 3 】【2 4 1 是由于表面不平，摩擦副互相接触时，峰顶受载过大，致使接 触应力超过材料的流动强度，峰顶发生塑性变形，材料有可能转移到另一表面上， 从而造成粘着或结点焊合，表面滑动将使结点造成危害性的粘着磨损。在工程中 这类磨损是非常普通的。它也能通过类似1 1 方程来定量的表达。 矿= k 等 ( 1 2 ) 方程1 1 和1 2 是由觚h 盯d 【2 4 】提出，被称为a r c h a r d 模型。h a i l i n g t 2 5 1 根据实际 的接触环境对其进行了修改，虽然它的表达式比较合理的，但因为由于它的复杂 性，在工程中不常使用。 第5 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文第一章绪论 图1 2 表明：横向条纹y l 的和各向同性y = l 的粗糙度表面形成弹流润滑的 平均油膜厚度比光滑面的膜厚值有所增加，而纵向条纹p 1 的粗糙表面，纯滚动 所形成的中心油膜厚度将低于光滑表面的对应数值。也就是说，在线接触弹流润 滑下，同向和横向粗糙峰的纹理能够产生比纵向粗糙峰的纹理更高的油膜厚度。 可见平均流量模型在目前研究表面粗糙度对润滑的影响的应用中是相对比较成 功的。 1 3 磨损机理 磨损是一个复杂的问题，它可能由机械效应、化学效应和热效应共同或个别 引起的。它受许多因素的影响，例如：材料特性，环境和工作参数等闭。甚至在 一个特定的条件下，在不同的时期，磨损性质都会发生很大的变化。科学家和工 程师们付出了大量的努力去研究磨损机理，但是至今，它还是一个没有被充分描 述和评价的问题。 根据磨损主要机理，可以将磨损主要地划分为四种不同类型刚，即磨粒、粘 着、疲劳和腐蚀磨损，不同的磨损类型有他们自己的磨损机理和变化规则。而瘩 粒磨损是最为常见和较为简单的种，它主要通过硬表面的粗糙峰在软表面的犁 沟作用在软表面上产生磨损，磨粒磨损的定量表达式是： y ：k ，等 ( ) 磨损体积y 与载荷p 和滑动距离d 成正比和硬度h 成反比。m 是磨粒磨损系 数，它主要与依靠材料的硬度和表面特征相关 2 2 1 。 粘着磨损”】【“1 是由于表面不平，摩擦副互相接触时，峰顶受载过大，致使接 触应力超过材料的流动强度，峰顶发生塑性变形，材料有可能转移到另一表面上， 从而造成粘着或结点焊合，表面滑动将使结点造成危害性的粘着磨损。在工程中 这类磨损是非常普通的。它也能通过类似1 1 方程来定量的表达。 。等 ( 1 2 ) 方程1 1 和1 2 是由舭h d 【2 4 】提出，被称为a r c b 丑r d 模型。h o l l i n g 2 5 1 根据实际 的接触环境对其进行了修改，虽然它的表达式比较合理的，但因为由于它的复杂 性，在工程中不常使用。 性，在工程中不常使用。 第5 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 疲劳畿损是摩擦副表面相对滚动或滑动时，周期性的载荷使接触区产擞很大 应力，共发生塑性变形。在袭层上游弱点处g 起裂纹，逐澎扩展，最后金援叛裂 剥灞下来，造成点蚀和剥落。通常来讲，疲劳破坏魑以疲势失效时间t 为特征的， 纛t 主要与奉| 糕錾硬度、表嚣产生瓣嚣力帮接触弱频率提美【2 “。 腐蚀磨损是由于运动接触表面与周围介质发擞化学或电化学反映而产生的 密攒，天钓疆熬悉瓣褒缝澎式是表鬻氧纯。这释露损主要依靠环境条释，镧籀： 温度，湿度。而运动条件如：载荷和速度也是很重骚的因素【z 7 】。 j 赫：外，在研究瓣损枫毽豹方法巾，经常怒磨损过程 乍为整体来骈究。熬个磨 损过程能归结于一个或多个可能谯不同运弦阶段阈时发生成个别发生的膊损机 理。无论在什么机理下，对于一个应用的体系来说廉损过獠一般被划分为三个阶 段；跑台，轻微磨损和严璧的磨损除段，鲡露1 1 3 鼹示。农最韧弱鼹会阶毅，磨 损率较大，并且磨损改变两接触面的磨损特性，这个阶段被称为跑台。较好的跑 台j 霪轻擞蘑臻露期鸯缓太戆弱盏，诲多疆究者鹾交了在憝会过程中菝鲑嚣寝嚣形 状的变化 2 8 】，表面接触情况口朝和两袭面氧化膜p 川的影响。第二个磨损过程阶段是 轻徽磨损。由予在魏舍i 童稷中接融条件静强商，警损率交褥很小，并置系绫在一 个稳定的微磨损下运行，在这个时期，接触面的特性没有黧太的变化。最詹阶段 是严重的磨损阶段，在这个阶段，磨损耋和磨损率快速增筏直到摩擦副失效。 v 图1 3 机械摩擦副中的三个磨损过糨 当嚣袭蘑发生瘸损辩，表瑟糍糙度连续发生变车乏，两表覆闰静漓貘潭囊受表 面粗糙度的影响【3 ”。在磨损期间，波面粗糙峰的接触面积不断增长，表面糨糙度、 油膜厚度狂不断璁发生交纯，因j 靖：，磨损率不再蔗一个常数。所| 奠研究磨损中的 磨损率、袭面粗糙度这些参数的交他是有价值的，它能帮助我们加强在p e h l 接 触条件下幼态滑动磨损机邀的知识。 第6 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 课题研究的主要任务 为了研究p e h l 下动态微磨损模型，需要有效地建立动态磨损率和粗糙度变 化以及润滑工况变化之间的关系。本课题希望通过观察微磨损过程中表面粗糙度 变化的规律以及润滑油膜变化规律，建立考虑润滑效应的微磨损模型。在课题研 究中，首先通过设计环块磨损实验机模拟p e h l 磨损工况，利用光切法进行在线 测量技术来测量表面粗糙度在任意时刻的变化，应用已有的p e h l 计算数值程序 对润滑进行计算，并把润滑理论的计算结果纳入磨损模型中，研究p e h l 润滑条 件下跑合过程中磨损率、粗糙度和润滑之间的动态联系。课题的主要任务有以下 ： 几个方面： l - 设计并组装环块实验机，为实验作准备。 2 把已有的在线粗糙度在线测量系统( 光切法原理) 结合到实验机上，在p e h l 接触条件下，对实验所测得的图像进行处理分析。 3 在部分膜弹流润滑接触条件下，对跑合过程进行测试，并对实验的可行性、 有效性进行验证。 4 应用实验方法研究表面粗糙度、磨损率、润滑条件、载荷以及速度之间的关 系，建立p e h l 条件下跑合过程中的动态微磨损模型。 5 通过p e h l 下实验获得的数据结果与动态模型计算的结果相比较，检验模型 的可靠性，并对此动态微磨损模型作一客观的评价。 第7 页菇6 7 页 上海大学硕士学位论文 第二章在线测量系统及图像处理技术 第二章在线测量系统及图像处理技术 针对摩擦磨损理论研究的特点及其对实验的要求，鉴于光切法这种非接触测 量系统的优点以及可行性，提出了以光切法为基本原理，利用c c d 摄像头、图 像采集卡等硬件设备以及上海大学杨玉林开发的图像处理技术发展了一套在线 测量系统。本章对本系统的基本组成和原理以及图像处理技术进行了介绍。 2 1 系统的基本组成及原理 如图2 1 所示是本课题研制的光切法在线测量系统在实验过程中的外观图， 整个测量系统主要有光切显微镜、环块实验机、微型计算机、图像采集卡、显示 器、c c d 光电耦合器。 图2 1 在线测量系统的外观图 系统在线测量运动表面形貌参数的基本过程如图2 2 所示 光 源 图2 2 在线测量表面形貌参数流程图 第8 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 第二章在线测量系统及图像处理技术 在测量前，首先要选择合适的光切显微镜头。当实验机带动被测试件转动时， 让光切显微镜的镜头与工件表面垂直，按照光切显微镜的基本原理，在采集图像 时，在目镜分划板位置安置一个c c d 摄像头，经工件表面反射得到的图像由c c d 摄像头接收，并形成视频信号，再将其输入图像采集卡，视频信号经图像采集卡 转换为数字信号后，通过p c i 总线传送到计算机内存，然后，通过图像处理技术 对由图像采集系统得到的数字图像进行处理，最后便可以得到有关表面的形貌参 数。如：表面平均粗糙度、粗糙峰的最大高度等。 2 2 光切法的基本原理 图2 _ 3 平面p 垂直地和工件表面 相截 光学测量部分的主要组成部分光切显微 镜是利用了光切法的工作原理，设想有一个 平面p 垂直地和被测工件的表面相截，如图 2 3 是工件表面局部放大的示意图。平面p 和工件表面的交线就显示出工件表面微小峰 谷起伏的轮廓线。如果从与平面p 垂直的方 向a 用显微镜进行观察和测量，就可能测量 出微小峰谷的深度。这种设想耍成为现实， 还必须解决两个问题： 1 工件有一定的大小，而且工件表面的痕迹 不一定是平直的沟槽，而显微物镜的工作距离一般只有几个毫米( 倍数越高，工 作距离越小) ，所以，用显微镜从a 方向( 见图2 3 ) 来观察是困难的。 2 什么物质制成的平面p 和工件表面相截，既不损伤工件表面又能显示出 工件表面微小峰谷的轮廓线7 为了解决上面的两个问题我们把平面p 与工件表面的法线成a 角度的方向和 工件相截，就可以用显微镜在与工件表面成口角度的b 方向进行观察和测量，如 图2 4 ，这样就解决了第一个问题。如果用一种特殊的物质制成平面p 一一条窄光 带替代平面p ( 这可以使光源发出的光线经过狭缝形成) 与工件表面相截，就好 象用光做成的一把刀子切割工件表面。光带和工件表面的交线就能反映出工件表 第9 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文第二章在线测量系统及图像处理技术 面微小峰谷的轮廓。从b 方向用显微镜进行观察，在视场中所见到的图像如图2 5 所示。 一恩 图2 4 光切法原理图图2 5 光切法图像 这种用光带切割工件表面来观察测量表面微小峰谷的方法就是光切法。因此利用 光切法测量表面粗糙度时需要两只显微镜，一只是用作观察和读数测量的显微镜 ( 在本系统中用c c d 取代目镜采集图像) ；一只是用作产生细窄光带的照明显微 锈。我们采用的光切显微镜就是这种双管显微镜( 上海光学仪器厂，型号：9 j ) 。 2 3 光切显微镜原理 光切显微镜的工作原理如图2 6 ，具有表面微小峰谷( 设不平深度为 ) 的工 件被照明镜管投射的光带照明后，分别在顶s 点及谷s ：点产生反射，通过观察显 微镜的物镜，各自成像在分划板上叫点及文点。由于光带以a 角度投射在工件表 面上，在目镜中所看到的并不是被测表面微小峰谷的真正深度h ，而是和被测表 面微小峰谷轮廓有确定关系的，其深度h 被放大为h ”的亮带( 见图2 6 ) ，在通过 目镜的分划板与测微读数装置，可测出到s ：的距离h ”。设观察物镜的放大率( 放 大倍数) 为口，则 h ”= h p( 2 1 ) 第1 0 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 第二章在线测量系统及图像处理技术 图2 6 光切显微镜原理 又因照明镜管是与工件表面法线成口角度放置的，由图2 7 可以算出表面微 峰谷不平度h 为 ：肌。s a ：等c 。s 口 ( 2 2 ) 口 ”一7 - 一照明光束投射于工件表面的峰只及谷只后，分别在s 和处反射( 图2 6 ) 。 ss ：就是观察物镜的物面。随着照明显微镜调焦位置的不同，墨或s ：或两者都 有一定程度的模糊。图2 7 所表示的为调焦于峰只的情况。由图可见，谷只上光 带宽度较只上的光带宽得多。由于被测表面不是一个理想的光滑反射面，投射光 束又是以口角度照射到工件表面的，故视表面的质量不同，光线在表面上的反射 可能是有规则的反射，也可能产生无规则的漫反射。 只 b 、 、 彩l 、蕊 j h j 潮弋、i i是 、 、少、 图2 7 光束在工件表面反射的情况 第1 1 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文第二章在线测量系统及图像处理技术 根据理论推导，只有当照明光轴和观察光轴都与被测表面的法线的夹角成 口= 4 5 。时，不论是有规则的反射还是无规则的漫反射，物面模糊程度的影响是相 等的，而且是最清晰的情况，因此光切显微镜的照明镜管和观察镜管的光轴的交 角一般是互成9 0 。所以用d = 4 5 。代入公式( 2 2 ) 得： ：竺c o s 4 5 。：鉴n = 4 ，= ；一 80 2 6 2 4 光切显微镜的光学系统 ( 2 3 ) 光切显微镜的光学系统如图2 8 所示。右面部分是照明显微镜，它的作用是 将狭缝4 以口角度投射到被测表面1 0 上，形成一条细窄的光带。左面部分是观 察显微镜。光线从光源1 发出，通过绿色滤片2 、聚光镜3 、狭缝4 、消色差辅助 物镜5 和6 以及变换的组合物镜7 ，把狭缝4 成像于被测表面l o 上。观察显微镜 是由和照明物镜完全相同的物镜7 、辅助物镜6 和测微目镜8 所组成。投射到被 测表面上的狭缝像，经观察物镜放大，成像于目镜的分划板9 上，通过目镜及其 测微装置进行观察和测量。照明镜管和观察镜管的光轴互成9 0 。，并处在同一平 面内，而且两只显微镜光轴对于被测表面的法线是对称的。为了保证测量的准确 性，避免调焦不准和物面轮廓深浅而造成观察上的误差，观察显微镜采用了物方 远心光路。 誉黪 o 图2 8 光切显微镜的光学系统原理 1 一光源2 一滤色片3 聚光镜4 一狭缝5 、6 一辅助物镜 7 一物镜8 一测微目镜9 一分划板1 0 一被测表面 第1 2 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 第二章在线测量系统及图像处理技术 x s g 型光切显微镜的光学系统基本上如图2 8 所示，而本系统使用的9 j 型光 切显微镜是在x s g 型光切显微镜的基础上进行改进设计的。他们的光学原理完 全相同。9 j 型光切显微镜光学原理系统如图2 9 所示。 图2 99 j 型光切显微镜光学系统 l 一光源2 一滤光片3 一聚光镜4 一狭缝5 、6 一辅助物镜7 物镜 8 一测微物镜9 一分划板 1o 一被测表面 1 1 、1 2 一反射镜 1 3 、1 4 一转向陵镜1 5 平行平板1 6 - c c d 在光路中插入了反射镜l l 、1 2 和转向棱镜1 3 、1 4 ，使仪器的光路系统压缩 在一个比较紧凑的壳体内。其中每一对可换物镜组成一个整体，调整比较方便， 并可消除在采用双管形式时因双管轴线夹角9 0 。的调整误差。9 j 型关切显微镜， 摄影光路和观察光路分开，需要采集图像时，只要将反射镜1 2 转出光路，成像 光束通过转向棱镜1 3 由c c d l 6 进行采集图像【3 2 】。有关光切显微镜请见文献1 3 3 】【3 4 】。 2 5 图像采集系统 整个采集系统主要硬件有：计算机、光切显微镜、图像采集卡、c c d 摄像头。 图像采集的软件控制部分的设计采用图形编程语言l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a l i n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) ，它是美国国家仪器公司的新软件产品，也是 目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发工具，它在航空、航天、 第i 3 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 第二章在线测量系统及图像处理技术 通信等众多领域得到运用，这里利用l a b v i e w 强大的硬件驱动、图形显示功能和 便捷的快速程序设计为本系统编制图像采集控制程序。通过此控制程序控制图像 采集卡接受c c d ( 系统使用的c c dc a m e r a 是m i n t r o n 公司生产的，型号为m t v 一1 8 8 1 e x ，采集速度为2 5 帧，秒) 传来的视频信号，由此得到光切数值i 虱像。同 时利用了l a b v i e w 的编译功能，把采集控制程序编译成可执行文件，然后在v c + + 中通过外部调用函数s h e l l e x e c 0 或w i n e x e c 0 实现调用，从而实现了图像采集与图 像处理系统的集成。 图像采集的控制方式有手动采集方式和自动采集方式两种。图2 1 0 和图2 1 1 分别是实现手动采集和自动采集的l a b v i e w 原代码图。并且，可以根据用户的需 要对采集的图像的性质进行设置。例如：用户可以选择不同的目录来保存文件； 也可对保存文件的格式以及采集图像的时间和采集图像的数量进行设置。 图2 1 0 手动控制采集图像的l a b v i e w 源程序 图2 1 1 自动控制采集图像的l a b v i e w 源程序 第1 4 页若6 7 页 上海大学硕士学位论文第二章在线测量系统及图像处理技术 2 6 图像处理技术 利用v c + + 中功能强大的基础类库m f c 以及其对大量w i n d o w s 的a p i 函 数的封装和直接调用，上海大学杨玉林1 3 ”开发了一个功能强大、界面美观的图像 处理软件。本软件不仅能处理光切法从静止表面上采集到的静态图像，而且也能 很好的处理在线测量的动态图像。 由于光切法得到的光切图像比较简单，要测量表面形貌参数，只要提取出边 界曲线即可，所以一般对图像的处理采用先滤波，再进行图像分割，最后提取边 界、对边界曲线再次滤波的步骤，具体步骤如下： 2 6 1 图像的平滑和中值滤波处理 对采集的图像进行平滑是为了减少图像的噪声。由于图像在传送和转换( 如 成像、复制、扫描、传输以及显示等) 过程中，往往会受到干扰造成图像的降质， 例如：在摄影时，光学系统的失真、相对运动、大气流动等都会使图像模糊；在 c c d 成像过程中，由于c c d 发热等也会给采集的图像带来噪声；在传输过程中， 由于噪声污染，图像质量也会有所下降，因此必须对这些降质的图像进行改善处 理。一般情况下，在空间域内可以用邻域平均来减少噪声；在频率域，由于噪声 频谱通常多在高频段，因此可以采用各种形式的低通滤波的办法来减少噪声。下 图2 1 2 为图像平滑模板。 图2 1 2 平滑模板 第1 5 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 第二章在线测量系统及图像处理技术 而中值滤波是一种非线性的信号处理方法，与其对应的中值滤波器也就是一 种非线性的滤波器。中值滤波在一定的条件下可以克服线性滤波器如最小均方滤 波、均值滤波等带来的图像细节模糊，而且对滤除脉冲干扰及图像扫描噪声最为 有效。而在一维情况下，中值滤波器不影响阶跃函数和斜坡函数，并可以有效的 消除单、双脉冲，使三角函数的尖端变平。对于二维情况，中值滤波的窗口形状 和尺寸对滤波器效果影响很大。不同图像内容和不同应用要求往往选用不同的窗 口形状和尺寸。常用的二维中值滤波窗口形状有条状、方形、圆形、十字形等。 而在滤波处理中这里使用了方形中值滤波器。它不但可以有效地消除噪声，而且 可以消除光带中边界处的一些噪声尖角，这有利于图像边界的提取，并且对图像 韵模糊影响也较小。因此，可以根据需要选择不同的模板形式，也可以根据需要 自定义模板类型。下图2 1 3 为中值滤波模板。 2 6 2 图像分割 图2 1 3 中值滤波模板 所谓图像分割就是把图像空间分割( 划分) 成一些“有意义”的区域，这里 “有意义”对需要处理的图像来说就是把亮带( 白色) 与背景( 黑色) 明显地区 分开来，以便提取边界。图像的分割方法有多种，比如图像的幅度分割，图像的 区间分割等。图像按幅度分割的意思是把灰度分成几个带，然后用设置门限的方 法确定有意义的区域或欲分割物体的边界。这里门限可用来得出各个分区的边 第1 6 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 第二章在线测量系统及图像处理技术 界。假定一幅图像f ( x ，y ) 具有图2 1 4 所示的直方图。 l | 1 1illi | ii ll | li | ll l 且日2 暗r 明 图2 1 4 灰度分布直方图 由图2 1 4 可见图像大部分像素取值较低，其余像素比较均匀的分布在其它灰度 级上。由此可以推断这幅图像是由有灰度级的物体叠加在一个暗背景上形成的。 可以设一个阈值l 把直方图分成两部分。如图2 1 4 所示，的选择要本着如下 原则：b t 应尽可能包含与背景相关联的灰度级，而岛则应包含物体的所有灰度 级。当扫描这幅图像时，从马到四：之间的灰度变化就指示出有边界存在。为了 找出水平方向上和垂直方向上的边界，应进行水平方向上和垂直方向上各一次扫 描。然后再把水平、垂直扫描时得到的边界组合起来，这样就可得出物体与背景 的两类区域，实现图像的分割操作；即首先确定一个门限兀然后执行下列步骤： 第一：对f ( x ，y ) 的每一行( x = 0 ，l ，2 ，h 1 ) 进行检测、利用门限， 来区分两种灰度带，可得经过门限比较后产生的图像 ( x ，y ) ，z ( x ，力的灰度将 遵循如下规则： 如果f ( x ，力和f ( x ，y 一1 ) 处在不同的灰度带上，则 ( x ，y ) = k ； 否则， ( x ，j ，) = l 口。 式中l 。是指定的边缘灰度级，岛是背景灰度级。 第二：再对f ( x ，y ) 的每一列( y = o ，l ，2 ，疗- 1 ) 作扫描t 利用门限7 来区 分两种灰度带，可得经过门限比较后产生的图像 ( x ，y ) ，l ( x ，y ) 的灰度将遵循 如下规则： 如果f ( x ，y ) 和f ( x ，y 一1 ) 处在不同的灰度带上，则l ( x ，y ) = l 。； 否则， ( x ，y ) 2 l 8 。 第1 7 面其6 7 面 上海大学硕士学位论文 第二章在线测量系统及图像处理技术 第三：把z ( 工，y ) 及 ( x ，y ) 组合起来，构成灰度不同的物体与背景的边界图像， 这可由下式来实现 f ( x , y ，= 主：，姜耄。l y 或 屯y 等于三e 时； 上述方法是以某像素到下一个像素间灰度的变化为基础的。这种方法也可以 推广到多灰度级阈值方法中。由于确定了更多的灰度级阈值，可以提高边缘提取 技术的能力，其关键问题是如何选择闽值。 一种方法是把图像变成二值图像，如果图像f ( x ，y ) 的灰度级范围是( z 1 ， z 。) ，设，是z l 和z 。之间的一个数，那么f a x ，y ) 可以用下式表示 肭，= 臻皇之； c z a ， 另一种方法是把规定的灰度级范围变换为1 ，而把范围以外的灰度变换为0 。 比如 脾川- 黝笔亿s ， i o ，f ( x ，y ) u 厂，( x ，y ) = 1 ，f ( x ，y ) v ( 2 6 ) i o ，f ( x ，y pv 另外，还有一种半阈值法，是将灰度级低于某一阈值的像素灰度变换为0 ， 而其余的灰度级不变。总之设置灰度级阈值的方法不仅可以提取物体的、也可提 取目标的轮廓。 上述方法都是以图像直方图为基础去设置阈值的。显然，从直方图上妥善地 选择，值，对正确划分出感兴趣的区域和背景是非常重要的。 在本系统软件设计中本文采用了下面的迭代法来求图像最佳分割阚值。这一 算法的步骤如下： ( 1 ) 求出图像中的最小和最大灰度值z ，和z 。，令阈值初值为： r 。：拿每 ( 2 7 ) 第1 8 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 第二章在线测量系统及图像处理技术 ( 2 ) 根据闽值r 将图像分割成目标和背景两部分，求出两部分的平均灰度值z 。 和z b ： z ( i ，) ( f ，) z 0 = 型裔 8 )“一1 再丽广 喵出 ：( ，j ) p b1 1 2 一 ，图5 1p o i s e u i u e 流动 图5 2c o u e t t c 流动 通常来讲，在润滑接触表面有两种不同的流动方式，p o i s e u i l l e 和c o u e r e 流 动。它们是由于压力剃度( 图5 1 ) 和表面相对运动( 图5 2 ) 产生的。对于光滑表面， p o i s e u i l l e 和c o u e t t e 流动能分别表达如下： h 3 动 o p 一1 2 1 素 ( 5 1 ) q v = 亡 1 + “2 ) ( 5 2 ) q 是每单位宽度上的流量，表面粗糙度对这些流量的影响可以通过把两个参数识 和丸加入到方程( 5 1 ) 和( 5 2 ) 来考虑。因此，方程( 5 1 ) 和( 5 2 ) 可写成下面两种形式： q r p 丸绯一丸篙卺 ( 5 3 ) o 。= i 1 ，+ “：) 而，+ 丢丸 一“：) 盯 ( 5 4 ) 考虑p o i s e u i l l c 在粗糙表面间的流动形式，在完全相同的条件下，其流动形式不同 于一个相似的完全光滑的两表面之间的流动，如图5 1 所示，因此，粗糙表面间 的流量，等于通过光滑表面的流量和一个被称为压力流量因子的参数蟊两者的乘 积。两接触表面的膜厚表达为： h ( x ，y ) = h r ( x ，_ y ) + 4 + 如= h r ( 石，y ) + 占 ( 5 5 ) 为了简化，两粗糙表面的接触情况可以转换为一个光滑的刚性表面和一个粗 糙的弹性表面相接触的形式，如图5 3 和图5 4 所示。转换后的综合粗糙度为抗 第4 8 页共6 7 页 一豇 上海大学硕士学位论文 第五章平均流量模型及动态磨损模型 图5 t 3 粗糙面和光滑面接触几何模型 粗糙表面1 光滑裹面2 图5 4 两粗糙表面的接触 如果毋等于一h t ，它意味着表面1 的粗糙峰与表面2 接触。粗糙峰接触面间不形成 流动。因此，经过两表面间的流量可表示成： 1 q 1 = ( 甜i + “2 ) h r( 5 6 ) 这里而r 是两接触面间的平均间隙，可写成： h r2 i 。( + 回，( 回筘 ( 5 7 ) 朐是转换后的粗糙峰踟密度分布函数。当二个表面承载的时候，一些大的粗糙 峰可能被挤压并且发生弹性或塑料变形，以致它们的粗糙峰碱少到h t 。与光滑 表面接触的粗糙表面的实际轮廓可近似作为由光滑平面剪切的新轮廓。因此，五， 比b 略小一些。由于两粗糙表面间的相互运动，所以在两粗糙表面间会形成部分 剪切流量。因此，定义磊为当一个光滑面与一个粗糙面相对滑动时的剪切流量因 子，它和两个表面的粗糙度a ( 表面粗糙度均方根偏差) 及相对速度( “1 眈) 有关。所 以这部分流量可写成： 1 珐= 亡识( “l u 2 弦 ( 5 8 ) 因此，两相对运动表面间的流量可表达为： q ，：q 1 + q ：丢( “。十“：) 五，+ 丢丸( “。一“：) 盯 ( 5 9 ) 上述方程中的参数因子都是x 方向的，对于y 方向还有办。流量因子由名义 油膜厚度所、粗糙度均方根偏差盯参数和粗糙峰的表面方向参数沩特性的表面 第4 9 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 第五章平均流量模型及动态磨损模型 轮廓决定。表面方向参数珀q 值等于粗糙峰的横向宽度与纵向长度的比值。p a t i r 和 c h c n g 3 1 以不同的碲y 来模拟经过粗糙接触面间的流量，把结果与相同条件下的光 滑表面的流量进行了比较，并把粗糙接触面和光滑接触面的压力流量比值作为流 量因子，而油膜厚度和表面粗糙度的比值作为弹流膜厚比函数坝蜘佰) 。 5 1 2 平均雷诺方程 根据上一节通过采用流量因子来考虑粗糙度对流量的影响，可以推导出描述 p e h l 接触下的平均雷诺方程【4 3 】。 旦o xr 西，旦1 2 q 塑o x 、 + 面0 ( 。a ，h ：a 刁o 咖p ，= 半警+ 半盯警( s 。) 式中，丸、。分别为而y 方向的压力流量因子，矗为剪切流量因子。 在p e h l 下，载荷是由油膜和相互接触的粗糙峰两部分共同承担的。 舟f b 。( x ) + p ( z ) k = p a + p h ( 5 1 1 ) 其中，p 为流体动压力，p 。为微峰接触压力。其微峰接触压力p 。可根据下面公式 计算获得【4 4 1 。 p 。= 弛5 ( a ) e( 5 1 2 ) k 杀届( 邶盯) 2 历 ( 5 1 3 ) ( 五) 去r ( 善卅25 腑( 一譬) 群 ( 5 1 4 ) 这里，是单位面积中的微凸体数量；口是平均的微凸体半径；旯是膜厚比函数。 通过上述的理论分析，就可以编写p e h l 下的线接触数值程序，求解不同磨 损工况下的粗糙峰接触压力、油膜压力及油膜厚度分布等，同时，表面粗糙度的 影响也可以通过这些结果进行观察。 第5 0 页共6 7 页 主海大学硕士学霞论文纂纛辜平均漉量模型及动态黪损模型 5 。2p e h l 下戆合过程的动态凄缀模型 5 2 。l 魏会造程中瓣瘗损率 典型靛瘴擦剥豹磨损过程开始具有快速的变化，然感进入稳定的磨损除段。 在跑合期间，磨捅率逐渐下降，当磨损率下降到微小的值时，跑含结束，稳定的 藏援玲段开始。戮梵，蘑损率定义翅下： 矿= v ，( + v 。( 5 1 5 ) 磨损率被分成两部分，第一部分代表跑合期阊的磨损率，它是距离d 的酗数。当 躐会结束时，它变成0 。第二部分是稳定磨损阶段的磨损率。在跑合期阈，磨损 帛比稳定阶段磨损率大得多，因此， v m t 回( 5 1 6 ) 图5 5 阐述了跑期间的磨损过程。为了简化，以一个礤光滑面和一个软粗糙面 的接触为模型，磨损主要发生在软表面。如5 5 所示，农开始t o 时刻，融于真芷 黝接触戳织很小，所以瞬对的粗糙峰接触笨力很太，瞬时的褪糙峰接触膳力导致 糨糙峰的漫性变形。而在t l 时刻，由于磨损中的接触面积变大，瞬时的椒糙峰接 皴莲力下海。这嚣雩豹瘗撰率毙埝露裁戆黪擐率，l 、一些。凌邈鸯过程孛，熬着接娥 面积的增长，瞬时的粗糙峰接触压力减少，粗糙峰的塑性接触和严重的魏性变