（检测技术与自动化装置专业论文）轴承套圈表面缺陷识别系统的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：机车车辆滚动轴承故障是铁路车辆运输中的主要故障之一，机车在行驶一 定里程后，轴承部件要到修配厂进行检验、探伤，荧光磁粉探伤是铁路轴承套圈 探伤的普遍方法。 针对目前荧光磁粉探伤人工观察方法存在的问题，对荧光磁粉探伤结果自动 识别技术进行研究。采用数字图像采集处理的方法对轴承套圈荧光磁粉探伤结果 进行分析和判断识别。构建嵌入式a r m l i n u x 系统，通过连接u s b 摄像头实现 图像的采集，通过u s b 摄像头与步进电机带动轴承套圈转动协同工作实现轴承套 圈圆柱面的图像采集。 应用图像处理的方法对轴承套圈的表面缺陷状况进行识别和判定。图像处理 程序开发基于移植o p e n c v 计算机视觉库，采用选定色彩范围的方法获取图像可 疑成分，使用二值图像来表示图像的可疑成分与背景，主要使用数学形态学的方 法进行图像处理，通过计算图像连通区域的大小和圆形度并与设定值比较来确认 裂纹，识别结果有效，验证了方案的可行性。 本文还详细介绍了嵌入式a r m l i n u x 系统的硬件设计以及操作系统软件平台 的构建，对其它采用嵌入式系统的智能仪器仪表设计有重要的参考价值。 关键词：荧光磁粉探伤；轴承套圈；图像处理；嵌入式a r m l i n u x ；数学形态学 分类号：t p 3 9 1 4 1 a bs t r a c t b e 撕n gf a u l t o fr a i l w a yv e h i c l ei so n eo ft h em a i nt r o u b l e s i nr a i l w a y t r a n s p o r t a t i o n ，a f t e rr u n n i n gac e r t a i nm i l e a g e ，t h eb e a r i n gp a r t so f v e h i c l en e e dt ob e i n s p e c t e di nr e p a i rf a c t o r y , f l u o r e s c e n tp a r t i c l em a g n e t i cd e t e c t i o ni s t h em a i nw a yo f b e a r i n gd e t e c t i o n a i m i n ga tt h ee x i s t i n gp r o b l e m so f t h em a n u a li n s p e c t i n gi nf l u o r e s c e n tm a g n e t i c d e t e c t i o n t h ea u t o m a t i ct e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e df o rt h ei d e n t i f i c a t i o no f t h ef l u o r e s c e n t m a g n e t i cp a r t i c l ed e t e c t i o nr e s u l t s a n a l y z i n g a n di d e n t i f y i n gt h er e s u l to fb e a r i n g f l u o r e s c e n tm a g n e t i cp a r t i c l ed e t e c t i o na r eb a s e do nd i g i t a li m a g ea q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n g e m b e d d e da r m l i n u xs y s t e mi sb u i l t ，w i t hi m p l e m e n t i o no ft h ei m a g e a q u i s i f t o nt h r o u g hc o n n e c t i o nw i t hau s bc a m e r a ，w h i c hn e e d sc o o r d i n a t i o nw i t ht h e s t e p r i e r - m o t o 卜d r i v i n gr o t a t i o no fb e a r i n gr i n g t oa q u i s i t et h ei m a g eo fc y l i n d r i c a l s u r f a c e t h ed e f e c t s s t a t u so fb e a r i n gr i n gs u r f a c ea r ei d e n t i f i e da n dd e t e r m i n e db yi m a g e p r o c e s s i n g b a s e do nt h et r a n s p l a n t a t i o na n d u s eo fo p e n c v ( o p e ns o u r c ef o rc o m p u t e r v i s i o nl i b r a r y ) ，t h ei m a g ep r o c e s s i n gp r o g r a ma q u i s i t si m a g es u s p i c i o u si n g r e d i e n t sb y d e s i g n a t i n gt h e c o l o rs c o p e ，a n de x p r e s s e s t h e s u s p i c i o u si n g r e d i e n t s a g a i n s t b a c k 星乒o u 】：l dv i aab i n a r yi m a g e w i t hp r e p r o c e s s i n go ft h i sb i n a r yi m a g em a i n l yb y m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g ym e t h o d ，t h ea r e ao fr e g i o n a lc o n n e c t i v i t ya n dr o u n dd e g r e e s 砌cc a l c m a t e dt oi d e n t i f yt h ec r a c kb yc o m p a r i n gw i t h t h e s p e c i f i e d s t a n d a r d i d e n t i f i c a t i o nr e s u l ti se f f e c t i v ev a l i d a t i n gt h ef e a s i b i l i t yo f t h ep r o g r a m h a r d w a r ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fo p e r a t i n gs y s t e mp l a t f o r ma r ea l s od e s c r i b e d i nd e t a i lf o rt h ee m b e d d e da r m l i n u xs y s t e m ，w h i c hi so fs i g n i f i c a n tr e f e r e n c ev a l u e f o ro t h e rd e s i g n so fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t su s i n ge m b e d d e ds y s t e m k e y w o r d s ：f l u o r e s c e n tm a g n e t i cd e t e c t i o n ；b e a r i n gr i n g ；i m a g ep r o c e s s m g ； e m b e d d e da r m l i n u x ；m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y c i a s s n o ：t p 3 9 1 4 1 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：否函良 签字日期州年1 f i 月矽日 8 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字啉川年月哆日 新躲荡彩v 签字魄吁莎月哆日 致谢 本论文的工作是在我的导师霍凯高工的悉心指导下完成的。霍老师严谨的治 学态度、精益求精的工作作风、忘我的敬业精神，使本人受益匪浅，将对我今后 的工作和生活产生深远的影响。在此衷心感谢霍老师在学习和生活上给予我的关 心和帮助。 感谢实验室的郭玉明老师和刘玉琳老师，给予我无私的帮助和指导。感谢实 验室的兄弟姐妹对我的关心、帮助与支持。 感谢机电0 3 0 8 班的各位同学，在我的论文写作期间，给我的巨大帮助和支持。 最后要感谢我的父母，父母的支持与鼓励是我完成学业的动力源泉。 绪论 1 1 选题背景 1 绪论 由于中国的幅员辽阔、内陆深广、人口众多，资源分布及工业布局不平衡， 铁路运输在各种运输方式中优势突出，在经济、社会发展中具有重要的地位和作 用。铁路运输的安全对保护人民生命和财产安全有重要意义。 机车车辆滚动轴承故障是铁路车辆运输中的主要故障之一，也是影响铁路运 输畅通和安全生产的关键因素。机车在线上运行时，一旦轴承发生故障，将导致 整列列车不能运行，堵塞运输正线，造成中途甩车，甚至发生燃轴、切轴等恶性 事故，其中切轴事故是造成铁路车辆重大倾覆事故的主要原剧1 1 。 滚动轴承在机车行驶过程中，表面材料受到高接触应力的反复作用，可能在 表面或亚表面处萌生疲劳裂纹。疲劳裂纹若不能被及时发现，将最终导致滚动轴 承的失效，并可能引发铁路车辆事故。 为了保障机车行驶的安全，减少铁路车辆事故的发生，机车在行驶一定里程 后，轴承部件需要到修配厂进行检验、探伤，以减少轴承部件出现故障的可能。 本课题针对目前铁路修配厂中轴承套圈荧光磁粉探伤流程中存在的不足研究 改进的方法，使用嵌入式图像采集及处理系统对荧光磁粉探伤结果进行自动识别。 1 2 无损检测方法及铁路轴承套圈探伤现状 无损检测方法主要有射线检测、渗透检测、声振检测、超声波探伤法、涡流 探伤法和磁粉探伤法等等。 射线检测主要使用易于穿透物质的x 射线、y 射线、中子射线三种，其中x 射线和y 射线广泛用于锅炉压力容器焊缝和其他工业产品、结构材料的缺陷检测， 而中子射线仅用于一些特殊场合。射线检测适用于绝大多数材质和产品形式，如 焊件、铸件、复合材料等。射线检测胶片对材质内部结构可生成缺陷的直观图像， 定性定量准确，检测结果直接记录，并可长期保存。对体积型缺陷，如气孔、兴 渣等的检出率很高，对面积型缺陷，如裂纹、末熔合类，如果照相角度不适当， 则比较容易漏检。射线检测的局限性还在于成本很高，且射线对人体有害。 荧光渗透法无损检测是利用紫外线照射某些荧光物质产生的特性来检测工件 表面开口缺陷的方法。它不受检测材料的组织结钩、化学成分、几何形状和大小 北京交通人学硕j 卜论文 等限制。此方法适合检测非铁磁性材料的各种表面开口缺陷，如对奥氏体不锈钢、 耐热钢、有色金属、各种合金、陶瓷及塑料等材料的检测，但不适于检测多孔性 材料或疏松材料的制品和表面粗糙的制品，如石墨、陶土等的制品【2 】。 声振检测技术的基本原理是通过外加激励使被检物发生振动，测量被检物的 振动特性，分析其振动状态，例如振幅、频率、损耗、振动形式以及与物体振动 方式有关的力阻抗等。这些参量与被检物的结构、性能直接或间接相关，因而可 以用于结构与材料的缺陷检测。其优点是可以快速、实时无损检测金属或非金属 的复合材料或胶接结构；其缺点是对细小缺陷的检测灵敏度较低，需要有与试件 材质、表面状况、几何形状相同的参考样本，且缺陷的定位困难【3 】。 超声波探伤基本原理是在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续， 这种不连续往往又造成卢阻抗的不一致，由反射定理我们知道，超声波在两种不 同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，反射回来的能量的大小与交界面两边 介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。超声波探伤具有较高的探伤灵敏 度、周期短、成本低、灵活方便、效率高、对人体无害等优点；缺点是要求工作 表面必须平滑、要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、对缺陷没有直观性。 铁路行业中，超声波探伤主要应用于车轴探伤等【4 】。 涡流探伤基本原理是金属在交变磁场作用下会产生涡流，根据涡流的大小及 分布可检测出铁磁性和非铁磁性材料的缺陷。涡流探伤法使用广泛，便于现场检 测，对工件表面要求不高，但是受工件形状影响大，检测效率低且对缺陷显示不 直观，难于定性和定量，只能检测表面和近表面缺陷，适用于表面和近表面缺陷 检测。轴承圆柱滚子的探伤多采用涡流探伤的方法【5 】。 磁粉探伤有很高的检验灵敏度，可检缺陷最小宽度为o 1 微米，能直观显示缺 陷的位置、形状和大小，且检验几乎不受工件的大小和形状的限制，但是探伤操 作不易实现自动化，工作环境恶劣，生产效率低，操作人员的眼睛不问断地观察， 易产生疲劳【6 1 。 超声波探伤、涡流探伤和磁粉探伤都广泛应用于铁路行业的无损检测中，而 由于轴承套圈的结构特点，超声波探伤及涡流探伤的应用难度较大，因磁粉探伤 不受工件大小和形状的限制，故机车轴承套圈探伤多采用磁粉探伤法。 磁粉探伤所用磁粉可分为非荧光干法用磁粉、非荧光湿法用磁粉和荧光湿法 用磁粉【_ 7 1 。荧光湿法磁粉探伤有直观性强，易操作等优点，应用较为普遍。 1 3 图像处理识别技术现状 数字图像处理是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机进行处理的过 2 绪论 程。其优点是处理精度高，处理内容丰富，可进行复杂的非线性处理，有灵活的 变通能力，一般来说只要改变软件就可以改变处理内容。困难主要在处理速度上， 特别是进行复杂的处理。数字图像处理技术主要包括如下内容：几何处理 ( g e o m e t r i c a lp r o c e s s i n g ) 、算术处理( a r i t h m e t i cp r o c e s s i n g ) 、图像增强( i m a g e e n h a n c e m e n t ) 、图像复原( i m a g er e s t o r a t i o n ) 、图像重建( i m a g er e e o n s t r u c t i o n ) 、图 像编码( i m a g ee n c o d i n g ) 、图像识别( i m a g er e c o g n i t i o n ) 、图像理解( i m a g e u n d e r s t a n d i n g ) 。数字图像处理技术的发展涉及信息科学、计算机科学、数学、物 理学以及生物学等学科，因此数理及相关的边缘学科对图像处理科学的发展有越 来越大的影响。近年来，数字图像处理技术同趋成熟，它广泛应用于空间探测、 遥感、生物医学、人工智能以及工业检测等许多领域，并促使这些学科产生了新 的发展。 数字图像处理技术的研究内容主要有以下几个方面： 1 图像变换：由于图像阵列很大，直接在空间域中进行处理，涉及计算量很 大。因此，往往采用各种图像变换的方法，将空间域的处理转换为变换域 处理，不仅可减少计算量，而且可获得更有效的处理。小波变换在时域和 频域中都具有良好的局部化特性，它在图像处理中有着广泛而有效的应 用。 2 图像编码：压缩图像编码压缩技术可减少描述图像的数据量，以便节省图 像传输、处理时间和减少所占用的存储器容量。压缩可以在不失真的前提 下获得，也可以在允许的失真条件下进行。编码是压缩技术中最重要的方 法，它在图像处理技术中是发展最早且比较成熟的技术。 3 图像增强和复原：图像增强和复原的目的是为了提高图像的质量，如去除 噪声，提高图像的清晰度等。图像增强不考虑图像降质的原因，突出图像 中所感兴趣的部分。图像复原要求对图像降质的原因有一定的了解，一般 应根据降质过程建立“降质模型 ，再采用某种滤波方法，恢复或重建原 来的图像。 4 图像分割：图像分割是将图像中有意义的特征部分提取出来，这是进一步 进行图像识别、分析和理解的基础。目前己研究出不少边缘提取、区域分 割的方法，但还没有一种普遍适用于各种图像的有效方法。因此，对图像 分割的研究还在不断深入之中，是目前图像处理中研究的热点之一。 5 图像描述：图像描述是图像识别和理解的必要前提o 作为最简单的二值图 像可采用其几何特性描述物体的特性；一般图像的描述方法采用二维形状 描述，它有边界描述和区域描述两类方法；对于特殊的纹理图像可采用二 维纹理特征描述。随着研究的深入发展，已开始进行三维物体描述的研究， 北京交通人学硕十论文 提出了体积描述、表面描述、广义圆柱体描述等方法。 6 图像分类( 识别) ：图像分类属于模式识别的范畴，主要内容是图像经过某 些预处理后，进行图像分割和特征提取，从而进行分类。图像分类常采用 经典的模式识别方法。近年来新发展起来的模糊模式识别和人工神经网络 模式分类在图像识别中也越来越受到重视【8 1 。 1 4 嵌入式技术及发展趋势 嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁 剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系 统。将嵌入式技术结合传统的信号采集与处理进行手持计算丌始逐渐成为主流。 计算机和仪器的密切结合是当前仪器发展的一个重要趋势。这种结合有两种 方式： 1 将仪器装入计算机中，也就是以通用的计算机硬件和操作系统为依托，实 现各种仪器的功能。虚拟仪器就是指的这种方式。所谓的虚拟仪器的实质 是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式 表达输出检测结果，利用p c 机强大的软件功能实现信号数据的运算、分 析、处理，利用接口设备来完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种 测试功能。 2 将计算机装入仪器中就是所谓的智能化仪器。目前出现含嵌入式系统的仪 器，它属于专用的计算机系统，本课题即是研究此类仪器。 嵌入式系统这一概念实际上很久以前就已经存在了。早在上世纪六十年代， 它就被用于对电话交换进行控制，当时被称为“存储式过程控制系统” ( s t o r e d p r o g r a mc o n t r o ls y s t e m ) 。真j 下意义上的嵌入式系统是在上世纪7 0 年代出 现的，发展至今己经有3 0 多年的历史，进入9 0 年代后，以计算机和软件为核心 的数字化技术取得了迅猛发展，不仅广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等 相关行业，而且深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，掀起了一场数 字化技术革命。多媒体技术与i n t e m e t 的应用迅速普及，电子、计算机、通信一体 化趋势日趋明显，嵌入式技术再度成为一个研究热点，嵌入式系统成为后p c 时代 i t 领域发展的主力军。美国著名学者尼葛洛庞帝1 9 9 9 年1 月访华时曾预言：4 5 年后嵌入式智能产品将是继p c 和因特网之后最伟大的发明，现在可以说预言已经 变成现实。现在嵌入式系统正处于高速发展阶段。 嵌入式系统大致经历了以下4 个发展阶段： 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器系统，同时具有检测、伺服、指 4 绪论 示设备相配合的功能。这一类型的系统大部分用于专业性极强的工业控制系统中， 一般没有操作系统支持，通过汇编语言对系统进行直接控制。这一阶段系统主要 的特点是：结构和功能相对单一、效率较低、存储容量较小、几乎没有用户接口。 由于这种嵌入式系统使用简单、价格便宜，以往在工业领域中应用较为普遍。但 是，它们己经远远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业控制和后 p c 时代新兴的信息家电等领域的要求。 第二阶段是以嵌入式中央处理器( c p u ) 为基础，以简单操作系统为核心的 嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：c p u 种类繁多、通用性较弱、系统开 销小、操作系统只具有低度的兼容性和扩展性、应用软件较为专业、用户界面不 够友好。这种嵌入式系统的主要任务是用来控制系统负载，以及监控应用程序的 运行。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特 点是：嵌入式操作系统能够运行于各种不同类型的处理器之上，操作系统内核精 小、效率高、模块化程度高、具有文件和目录管理、支持多任务处理、支持网络 操作、具有图形窗口和用户界面等功能、具有大量的应用程序接口、开发程序简 单、并且嵌入式应用软件丰富。然而，在通用性、兼容性和扩展性方面仍不理想。 第四阶段是以基于网络操作为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的 阶段，也是嵌入式系统和网络相互作用的结果。正是第四阶段的到来加速了智能 仪器系统的发展，使得某些设备或底层网络可以直接嵌入i n t e m e t ，也可以通过u s b 转储数据。随着网络在人们生活中的地位日益重要，越来越多的应用需要采用支 持网络功能的嵌入式系统，所以在嵌入式系统中使用操作系统将成为今后的发展 趋势。 所以结合信号处理理论、嵌入式技术以及网络技术的新型嵌入式智能仪器是 将来一段时间内铁路智能仪器的发展趋势。由于电子元器件技术的不断提高，当 前出现高速的嵌入式芯片a r m 、d s p 、m i p s 、p o w e r p c 、x 8 6 等。这些嵌入式芯 片不仅处理速度达到几十兆指令，而且有流水线的功能，使处理速度远远大于普 通单片机。嵌入式芯片有丰富的芯片外围电路，需要开发人员考虑的外部电路大 大减少。更重要的是由于能移植操作系统，如a r m 芯片，可以根据具体的应用进 行应用软件的更改，而硬件电路无需变动，因此也大幅度缩短了产品的开发周期， 并且使得功能更强大。 设计基于a r m 的图像采集处理系统，便于实现u s b 接口的连接、以太网的 通信、嵌入式操作系统的移植，易于应用程序的开发及远程控制的实现。硬件的 通用性以及系统开发的易移植性，使得基于a r m 的嵌入式图像采集处理系统越来 越受到广泛的关注，有广阔的应用前景。 5 北京交通人学硕十论文 1 5 论文研究的主要内容及任务 本文设计基于a r m 的嵌入式图像采集处理系统，对铁路轴承套圈荧光磁粉探 伤的结果进行图像采集及处理识别，实现探伤结果的自动化，弥补原探伤流程中 人工观察结果法所存在的不足。论文主要对嵌入式平台的构建和图像采集及处理 算法的实现进行研究，系统的硬件基于3 2 位a r m 嵌入式微处理器，软件基于移 植到a r m 上的嵌入式l i n u x 操作系统，图像处理算法主要应用数学形态学算法。 本文的主要工作如下： 1 针对轴承套圈的结构及表面缺陷的类型，设计嵌入式图像采集处理系统的 整体结构方案。 2 设计以a r m 芯片为核心的图像采集处理系统并搭建硬件电路。 3 建立嵌入式l i n u x 的交叉编译丌发环境，移植嵌入式l i n u x 操作系统及文 件系统等。 4 研究轴承套圈荧光磁粉探伤结果图像的采集处理及识别算法，开发在嵌入 式l i n u x 中的应用程序并实现。 6 磁粉探伤理论基础及自动识别系统结构方案 2 磁粉探伤理论基础及自动识别系统结构方案 2 1 轴承套圈表面缺陷类型 2 1 1 加工过程产生的缺陷 1 锻造缺陷 锻造折叠裂纹：轴承套圈在锻造时，由于切料不齐、毛刺、飞边及操作不当 等原因容易在套圈表面形成折叠裂纹，其特点是裂纹较粗大，形状不规则，往往 存在于锻件的表面。 过烧：当锻件温度过高或在此温度下保温时间很长，将在零件的表面或心部 产生不同程度的过烧现象。 湿裂：轴承套圈毛坯锻造后，如果停锻温度较高，冷却时局部或全部碰到冷 却水而急冷，从而在表面产生裂纹。一般存在于外径、端面、倒角、内径等处。 内裂：轴承套圈用坯料锻造时，如果加热速度过快，表面升温高而内部升温 慢，就会导致内外的温差很大。在这种情况下，如果保温时间不足，将使材料中 心的温度远低于表面温度。如果锻件厚度较大，心部的温度则更低，内外温差更 大，在这种条件下进行锻造，极易导致内裂。 2 车削缺陷 车削加工时，若进给量过大，造成深的刀痕和大的车削应力，则在淬火时易 造成应力集中而导致开裂。 3 淬火缺陷 轴承零件在淬火过程中因为淬火温度过高或冷却速度太快，当内应力( 包括组 织应力和热应力) 大于材料的断裂强度时，就会出现淬火裂纹。 4 磨削缺陷 轴承零件在磨削过程中，由于大的砂轮进给量、砂轮轴的跳动、切削液供给 不充分、砂轮磨粒钝，均易使零件产生磨削裂纹。另外，热处理时淬火温度过高 而造成轴承零件的组织过热、晶粒粗大，残余奥氏体量较多、有网状和粗大颗粒 碳化物存在、回火不及时或不充分、零件内的残余内应力较大、套圈热处理变形 超差等原因也能导致产生磨削裂纹【9 1 。 对于轴承套圈，磨削裂纹常出现在端面、挡边、内外径及滚道上。 2 1 2 机车行驶中产生的缺陷 7 北京交通人学硕十论文 1 接触疲劳( 疲劳磨损) 失效 接触疲劳失效是各类轴承最常见的失效模式之一，是轴承表面受到循环接触 应力的反复作用而产生的失效。轴承零件表面的接触疲劳剥落是一个疲劳裂纹从 萌生、扩展到裂纹的过程。初始的接触疲劳裂纹首先从接触表面以下最大正交切 应力处产生，然后扩展到表面形成麻点状剥落或小片状剥落，前者被称为点蚀或 麻点剥落；后者被称为浅层剥落。如初始裂纹在硬化层与心部交界区产生，造成 硬化层的早期剥落，则称为硬化层剥落。 2 粘附和磨粒磨损失效 粘附和磨粒磨损失效是各类轴承表面最常见的失效模式之一。轴承零件之间 相对滑动摩擦导致其表面金属不断损失称为滑动摩损。持续的磨损将使零件尺寸 和形状变化，轴承配合间隙增大，工作表面形貌变坏，从而丧失旋转精度，使轴 承不能正常工作。滑动磨损形式可分为磨粒磨损、粘附磨损、腐蚀磨损、微动磨 损等，其中最常见的为磨粒磨损和粘附磨损。 2 2 轴承套圈的磁粉探伤 磁粉探伤的原理是：对导磁会属材料制成的工件进行磁化至饱和程度，若材 料内部非常均匀，没有缺陷，则在其内部将产生均匀分布的磁力线；如果工件表 面或近表面区域存在裂纹、央渣或气孔等缺陷时，这些缺陷会阻碍磁力线的通过， 产生漏磁现象，使缺陷两侧的表面上产生一对n 、s 极的局部磁场。这时，若在被 检工件的表面上撒放磁粉或磁粉悬液，磁粉就会被漏磁场所吸附，产生磁粉集聚， 因而把缺陷的形象清楚地显示出来。 磁粉探伤是普遍采用的对用铁磁性材料制作的轴承零件表面及近表面裂纹及 其他缺陷的探伤技术。过去轴承厂家所用的磁粉探伤机大部分还是通用型磁粉探 伤机。随着探伤技术的发展和生产的需要，近些年来专门适用于轴承零件的磁粉 探伤机已不断试制成功，对于中、小型套圈有2 0 0 0 型和4 0 0 0 型，对于大型轴承 套圈有6 0 0 0 型和9 0 0 0 型的专用套圈磁粉探伤机。还有专用轴承滚子磁粉探伤机， 可直接与生产线连接在一起，现都己逐步在轴承行业推广使用。使用磁粉探伤， 灵敏度高，可靠性好，适于大批量检验，在轴承行业应用最广泛。目前，铁路专 用的轴承套圈磁粉探伤机已经可以按规定程序完成除上下料，观察以外的全部探 伤过程。 图2 1 为现有的半自动轴承套圈磁粉探伤机： 礁耪探伤理论基础及自动识刖系统结构方案 闰二1 芈自动轴承套罔融耪撵伤机 h g u r e2 - 1s c m i i a u t o m a f i c b e a r i n gr i n g m a g n a f l u x 2 3 图像采集处理识别系统结构方案设计 目前兰州铁路修配厂的轴承探伤流水线如图2 - 2 所示，待测轴承进入流水线， 首先进行粗清洗和解体，之后对轴承套圈及滚子进行精清洗，并进行分类处理， 其中轴承滚子经过滚子专用涡流探伤机进行自动探伤，轴承的套圈通过半自动轴 承套圈磁粉探伤机进行磁粉探伤由工作人员对磁粉探伤的结果进行肉眼识别， 并将不合格的工件剔出流水线，探伤合格的轴承套罔及滚子汇合于流水线卜，并 进行轴承的组装，经过检验后合格轴承下线。 - 一一 禾 工 下 - - - - - - - - - - - - - - - 一 - 酗2 - 2 轴承探伤流水线 f i g u r e2 - 2 b e a t i n g i n s p e c t i o na s s e m b l y l i n e 特幢 轴承 合格 轴雁 北京交通大学顾十论文 针对轴承套圈磁粉探伤中，工作人员的工作环境差，肉眼观察易疲劳，容易 引起误检和漏检的特点，设计基于机器视觉的轴承套圈磁粉探伤结果的自动识别 系统。 系统采用步进电机带动轴承套圈轴向旋转，设计嵌入式图像采集处理系统， 控制摄像头与步进电机协l 司工作。拍摄轴承套圈表面探伤结果图，图片彝处理程 序进行运算，判断轴承套图表面的裂纹状况，识别结果通过声光报警器通知工作 人员。平台结构图如图2 3 所示。 卅 黼o l 。 城“l “删 l 馘4 l 删螺 l 纰 i 轴承奁嘲t 件 f 豢 厂 、一， 幽2 - 3 平台结构幽 f i g u l e 2 - 3f i g u r e o f p l a t f o r m $ t d i c g l f e 嵌入式图像采集处理系统总体设计综述 3 嵌入式图像采集处理系统总体设计综述 3 1 嵌入式系统设计的7 个阶段 在嵌入式系统的设计中，传统的嵌入式系统设计方法已经远远满足不了嵌入 式系统发展的需要，人们开始寻求一种新的软硬件协同设计方法。如图3 - 1 所示。 产硬迭硬接维 品件 代 件收护 定软与 详细的硬件与软 软测与 义 件实件设计 集 试升 级划 现 成分 、硬件设计过程 、 7 软件设计过程 图3 - 1 嵌入式系统设计的各阶段 f i g u r e3 - 1s t a g e so f e m b e d d e ds y s t e md e s i g n 这种方法的特点在协同设计、协同测试和协同验证上，充分考虑了软硬件的 关系，并在设计的每个层次上给以测试验证，使得尽早发现和解决问题。 按照嵌入式系统的工程设计方法，嵌入式系统的设计可以分成7 个阶段：产 品定义、硬件与软件划分、迭代与实现、详细的硬件与软件设计、硬件与软件集 成、接受测试和维护升级。 1 产品定义：设计一个优秀的嵌入式系统，这是一个必不可少的阶段。在精 心设计开发以前，产品的定位一定要设计好。明确的定位可以节省很多时 间和人力。 2 硬件和软件划分：嵌入式设计关系到硬件与软件，设计人员必须确定问题 的哪一部分在硬件中解决，哪一部分在软件中解决。 3 迭代与实现。 4 详细的硬件与软件设计：硬件设计包括原理图和p c b 布线两部分。嵌入 式系统的软件设计包括b o o t l o a d e r 设计、文件系统设计、驱动程序设计、 应用程序设计。如果需要甚至可能还要自己设计操作系统。 5 硬件与软件的集成。 6 接受测试：这个阶段对于嵌入式产品尤为重要。 7 维护与升级：嵌入式产品通常是很有针对性，也就是专门执行某项任务的 平台。 嵌入式设备要完成的任务通常有严格的要求，所以嵌入式系统也意味着设计 北京交通人学硕士论文 的高度优化。在开始第一部的产品定义时，就要考虑我们的设计是否便于实现： 不仅仅在技术上，还要看该产品在市场上是否有竞争力。 3 2 a r m 微处理器 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器：嵌入式微处理器一般具备以下4 个特 点： 1 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应， 从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。 2 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块 化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存 储区保护功能，同时也有利于软件渗断。 3 可扩展的处理器结构，能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微 处理器。 4 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和 通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有m w 、甚 至uw 级。 目前全世界的嵌入式微处理器已经超过1 0 0 0 多种，流行的体系结构有3 0 多 个系列。目前几乎所有的半导体制造商都生产嵌入式微处理器，越来越多的公司 拥有自己的处理器设计部门。 嵌入式微处理器的体系结构经历了从c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 到r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 和c r i s c ( c o m p a c tr e d u c e di n s t r u c t i o n s e tc o m p u t e r ) 的转变；位数由4 位、8 位、1 6 位、3 2 位到6 4 位；寻址空间一般 从几k b 到几百m b ；处理速度从o 1 m i p s 到2 0 0 0 m i p s ；常用的封装从8 引脚的 d i p 到几百引脚的q f p 和b g a 。 在众多的嵌入式微处理器中，我们选用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理 器，即我们通常所洗的a r m 微处理器来进行嵌入式图像采集处理系统的设计。 3 2 1a r m 简介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是个公司的名字，也可以 认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1 9 9 1 年a r m 公 司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用a r m 技术知识产 权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器，已遍及工业控制、消 1 2 嵌入式图像采集处理系统总体殴计综述 费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于a r m 技术 的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术 正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供 应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯 片，世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各 自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进 入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用a r m 公司的授权，因此既 使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降 低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。 a r m 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构的 处理器，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的a r m 微处理器 都有各自的特点和应用领域。 1 a r m 7 系列 2 a r m 9 系列 3 a r m 9 e 系列 4 a r m l 0 e 系列 5 a r m l1 系列 6 s e c u r c o r e 系列 7 i n t e l 的x s c a l e 其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 、a r m l1 为5 个通用处理器系列， 每一个系列提供一套相对独特的性能，为满足较高的应用而设计。 由于a r m 是3 2 位的r i s c 芯片，它的体系结构为：处理器有7 种运行模式、 使用便于流水线操作的单周期指令、寄存器为3 7 个、存储器支持大端格式和小端 格式，并且执行速度快，所以决定了a r m 适合运行操作系统。运行操作系统后才 能完成一些复杂的功能，如以太网通信、u s b 通信等，也便于应用程序开发。a r m 执行速度快，存储空间大，适合便携式产品设计。 3 2 2a i 蝴9 处理器的特点 a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面有以下特点： 1 5 级整数流水线，指令执行效率更高。 2 提供1 1 m i p s m h z 的哈佛结构。 3 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集。 1 3 北京交通人学硕十论文 4 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口。 5 全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入式 操作系统。m p u 支持实时操作系统。 6 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 a r m 9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机项盒、 高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。 a r m 9 系列微处理器包含a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型，以 适用于不同的应用场合。本系统选用能运行完整操作系统的a r m 9 2 0 t 类型处理 器。 ， 3 3 嵌入式操作系统 在一些简单的嵌入式应用中，都不使用操作系统，它们只是为了实现某些特 定的功能，使用一个简单的循环控制对外接的控制请求进行处理，不具备现代操 作系统的特性，如进程管理、存储管理、设备管理、网络通信等。当嵌入式系统 的应用越来越复杂，范围越来越广泛的时候，缺少操作系统就成了一个最大的缺 点，因为每添加一项新的功能都可能需要从头丌始设计，大大增加了开发成本和 系统的复杂度。 c 语言的出现使我们的操作系统开发变得简单，可以利用c 语言很快写出一 个小型、稳定的操作系统，同时，对于嵌入式操作系统及应用开发来说，利用效 率和速度都提高了很多。 从2 0 世纪8 0 年代开始，出现了各种各样的商用嵌入式操作系统，这些操作 系统大部分都是为专用系统设计开发的，从而形成了目前多种商业嵌入式操作系 统百家争鸣的局面，如v x w o r k s 、p s o s 、p a l m o s 和w i n c e 等。 3 3 1嵌入式操作系统的选择 嵌入式系统开发主要追求在满足产品需求的情况下，做到成本的最小化。在 现在的嵌入式系统中，软件的成本越来越高，故大家逐步趋向于基于通用嵌入式 操作系统来开发嵌入式应用系统。通常，应用系统对嵌入式软件的基本要求是体 积小、执行速度快、具有较好的可裁剪性和移植性。嵌入式操作系统负责嵌入式 系统的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制协调并发活动，它必须体现所 在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。嵌入式操作系 统的种类繁多，大体上可分为两种：商用型和免费型。商用型的操作系统功能稳 1 4 嵌入式图像采集处理系统总体设计综述 定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，如v x w o r k s 和w i n d o w s c e 等，但往往 价格昂贵。免费型的操作系统在价格方面具有优势，目前主要有l i n u x 和l ac o s 等。不管选用什么样的系统，都要从以下几个方面加以考虑： 1 操作系统的硬件支持( 包括是否支持目标系统、可移植性) 。 2 开发工具的支持程度。 3 能否满足应用需求。 许多嵌入式系统一旦开始运行，就不需要过多的干预，而且要求不能够在运 行中出现什么故障。在这种条件下，要求负责系统管理的嵌入式操作系统具有较 高的稳定性。选择一款既能满足应用需求，性价比又达到最佳的实时操作系统， 对开发工作的顺利开展意义重大。 在嵌入式图像采集处理系统的设计中，采用嵌入式l i n u x 作为操作系统具有很 大的优势，l i n u x 作为一个非常流行的通用操作系统，人们在它的嵌入式应用的研 究中取得了不少成果。l i n u x 与其它嵌入式操作系统( q n x ，w i n d o w sc e ，v x w o r k s ， h o p e n ) 相比，具有一些独特的优势，非常适合嵌入式应用。它的优势体现在以不 方面： 1 内核稳定、功能强大、支持多种硬件平台、应用软件多、兼容性好。 2 。内核可根据需要任意裁减。 3 使用成本低，免费开放源代码。 4 许多专业的商业公司参与，发展潜力大。 l i n u x 是一个类u n i x 的操作系统，其代码是完全重新开发的，内核功能强犬， 实现简洁。最新的l i n u x 内核支持多种体系结构的处理器，包括目前流行的i n t e l x 8 6 、m o t o r o l a i b mp o w e r p c 、a r m 等微处理器体系结构。同时，l i n u x 平台上的 应用软件也不断地得到扩充。 比较常见的嵌入式l i n u x 操作系统有：r t l i n u x ( 实时l i n u x ) 、u c l i n u x ( 针对无 m m u 设备) 、e m b e d i x 、x l i n u x 、p o k e t l i n u x 、m i d o r i l i n u x 、m o n t a v i s t al i n u x 、红 旗嵌入式l i n u x 等等，均为各个公司在l i n u x 基础上做出的不同特点的发行版。本 系统采用直接移植裁减l i n u x 内核的方式构建嵌入式l i n u x 操作系统，使用内核