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上海大学硕士论文摘要 运动表面形貌在线测量技术 摘要 本文叙述了在线运动表面形貌测量技术在部分膜弹流润滑( p e h l ) 下的动态 磨损研究的重要性，通过分析比较各种现有的接触和非接触测量系统用于在线测 量的优缺点之后，针对运动表面的特性，提出并研制了一套以光切法为基本原理， 以图像采集以及图像处理技术为基础的在线测量系统。 首先对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， 图像采集的控制实现和实验机的基本组成和功能进行了详细的说明。 然后对系统的主要组成部分图像处理软件进行了比较详细的论述，针对 静态图像的处理特点详细地讨论了本系统采用的图像处理技术，并提出了一些新 的适合光切图像的处理技术，大大提高了图像处理的精度，也提高了图像处理过 程的效率，使系统能按用户的要求提取所需的边界轮廓曲线。 针对动态图像的处理特点，系统提出了很多新的图像处理方法，比如：逐列 自适应阈值法，曲线跟踪法等，通过处理结果的对比证明了这些方法能很好地处 理动态图像，使系统用于在线测量成为了可能。 最后通过大量的实验，分别对静态图像和动态图像的处理结果进行了验证， 结果表明系统不但能很好的处理静态图像，而且能很好的处理动态图像。系统基 本上能满足在线测量的要求，并为部分膜弹流润滑理论研究提供有力的实验支撑。 关键词：光切法，部分膜润滑，磨损，粗糙度测量，图像处理技术 上海大学硕士论文 a b s t r a c t r e a l t i m e r o u g h n e s s m e a s u r e m e n t t e c h n i q u e f o rm o v i n gs u r f a c e a b s t r a c t i nt h e s t u d yo fd y n a m i cw e a l u n d e rp a r t i a le 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 ，r e a l t i m er o u g h n e s sc h a n g em e a s u r e m e n t i sv e r yi m p o r t a n t b a s e d o nt h ec o m p a r i s o no fd i s a d v a n t a g ea n df e a s i b i l i t yo ft h ee x i s t i n go p t i c a lm e t h o d si n m o v i n gs u r f a c em e a s u r e m e n t ，a no p t i c a lr o u g h n e s sm e a s u r e m e n ts y s t e mh a sb e e n d e v e l o p e d t h es y s t e mm a k e su s eo ft h el i g h ts e c t i o nm e t h o da n dd i g i t a li m a g e p r o c e s s i n gt e c h n i q u e f i r s t ，i nt h i st h e s i s ，t h e d e t a i l so ft h em e a s u r e m e ms 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 gt h et h e o r yo fl i g h ts e c t i o nm e t h o d , t h ec o n t r o lo fi m a g ea c q u i s i t i o n ，t h e m a i n c o m p o n e n t so f e x p e r i m e n tm a c h i n ea n d t h ec o n f i g u r a t i o n o f o p t i c a ls y s t e m t h e nt h ed e t a i l so f i m a g ep r o c e s s i n gs o f t - w a r ew e r ep r e s e n 把d ，w h i c hi st h em a i n p a r t o ft h e s y s t e m a c c o r d i n g t ot h e i m a g e sc o l l e c t e d f r o ms t a t i c s u r f a c e ，t h e t e c h n i q u ef o ri m a g ep r o c e s s i n g ，t h ed e v e l o p m e n to fs o m ef l e wm e t h o d sf o ri m a g e p r o c e s s i n g a n dt h e i r v a l i d i t y d i s c u s s e d t h e p r o c e s s i n g m e t h o d sc a nf a s tt h e p r o c e s s i n gs p e e do ft h ed i g i t a li m a g ec o l l e c t e df r o ml i g h ts e c t i o na n do b t a i nt h e n e e d e dp r o f i l eo f t h es u r f a c e a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e d i g i t a li m a g ea c q u i r e d f r o mm o “n g s u r f a c e ，t h es y s t e md e v e l o p sm a n yn e wm e t h o d st op r o c e s st h ed i g i t a li m a g es u c ha s t h em e t h o do fe v e r yl i n ea u t o - f i t t h r e s h o l d ，m e t h o do ft r a c k i n gc u r v e m a n y e x p e r i m e n t sh a v ev e r i f i e dt h o s em e t h o d sc a np r o c e s sd i g i t a li m a g ev e r yf a s ta n d p r e c i s e l y , a n da l l o ft h o s em a k ei t p o s s i b l et h a t t h i s s y s t e mc a nb eu s e di n t h e r e a l - t i m em e a s u r e m e n t a tl a s to ft h et h e s i s ，i tw a sn a r r a t e dt h a tm a n y e x p e r i m e n t s i a v eb e e nd o n ea n d t h er e s u l t so f t h e d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gh a v eb e e nv e r i f i e da n dc o m p a r e d a l lt h e s e w o r kp r o v e dt h a tt h e s y s t e mh a st h eg 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 s a c q u i r e df r o mm o v i n g s u r f a c ea n dt h em e a s l i r e m e n ts y s t e mc a nm e e tt h en e e d so ft h e r e a l - t i m er o u g h n e s sm e 踟e m e n tu n d e rp e h lw e a rt e s tc o n d i t i o n t h i sw o r kh a s l a r g eb e n e f i tf o r t h es t u d yo f t h ed y n a m i c w e a ru n d e rp e h l k e yw o r d s ：l i g h t s e c t i o n m e t h o d ；p e h l ；w e a r ；r o u g h n e s sm e a s u r e m e n t ；d i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n g 上海大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景和意义 在进入21 世纪的今天，随着世界科学技术、工业技术的飞速发展，对各种 机械产品的质量要求越来越高，对零部件的使用寿命以及可靠性等的要求也越来 越高，特别是航空、汽车、大型重型机械以及一些精密机械等中的重要零件更是 如此，而很多情况下零部件表面的摩擦磨损特性是决定这些零部件使用寿命以及 可靠性的重要参数之一。绝大多数汽车、航空等的机械零部件之所以不能继续使 用，并不是因为零部件的整个破坏，而是由于零件工作表面的磨损使整个设备的 工作性能下降而导致设备的失效。据统计，有7 5 的汽车零件是由于磨损而报废， 可见对摩擦磨损进行研究将具有广泛的经济效益。 随着现代制造技术、材料科学和润滑技术的发展，设备的零部件抗磨损能力 不断提高，但同时由于设备精度和要求的提高，即使是微量的磨损都会对设备的 性能造成很大影响，特别是对于微型机械和高精度设备。现在大部分润滑摩擦接 触副，由于设备性能及承载的提高，一般很少工作在全膜润滑或弹流润滑状态下， 而是工作在部分膜弹性流体动力润滑条件下( v z i - m ) ，部分膜弹性流体动力润滑是 一种处于边界润滑和弹流润滑之间的一种润滑状态，这时的油膜厚度与粗糙度处 于一个数量级，此时既有油膜润滑存在，又有粗糙峰的接触，作用在接触面的载 荷一部分由粗糙峰承担，一部分由弹流油膜承担。因此部分膜弹流润滑接触条件 下的接触面之间必然存在摩擦磨损。据统计，多数齿轮、凸轮、滚动轴承、活塞 环以及发动机的轴瓦和曲轴等很多时候都是工作在p e h l 下的，而润滑失效和摩 擦磨损是造成此类零部件损坏的主要原因之一，因此对于p e h l 下摩擦磨损的研 究，将有非常现实的意义。 然而在部分膜弹流润滑接触条件下，接触副在工作过程中，表面粗糙度的大 小和粗糙峰的纹理方向随着磨损的进行都在不断地变化，而粗糙度的变化又会影 响两表面之间油膜厚度1 1j 1 2 1 f 3 l 4 1 的分布，而油膜厚度( 润滑条件) 的变化反过来又 会影响磨损率、粗糙度的变化，它们之间是一个相互作用、相互影响的动态过程， 所以在磨损过程中磨损率不是常量，而是一个不断变化的量。由此可见，在部分 膜弹流润滑接触条件下，油膜厚度、磨损率、粗糙度是一个动态变化过程。要对 这一动态的过程进行深入、全面、正确的研究，必不可少的一种手段就是实验。 第j 贾共9 0 页 上海大学硕士学位论文第一章绪论 如果通过实验能很好地获得这一动态过程中接触副表面粗糙度的动态变化情况， 就可以进一步研究油膜厚度、磨损率等的变化与表面粗糙度的变化之间的关系， 这必然为p e h l 下摩擦磨损的理论研究提供很大的帮助。 对于p e h l 下的动态摩擦磨损过程的实验研究，传统的测试表面形貌变化的 方法是通过不断停机及将试件取下采用t a l y s u r f 等专用粗糙度测量设备来测量， 这样不断停机的测试方法，势必破坏实验的延续性，其数据的可信度低，测得的 粗糙度变化很难讲是其原始工况下的变化。对于p e h l 动态微磨损下的表面形貌 变化的测量，最好是能发展一种在线测试技术，既不破坏实验的连续性又不破坏 实验的工况，同时又能测得表面的形貌变化。本课题就是为追求这种设想提出和 开展的。结合p e h l 下的动态特性，研究一种高效、准确、抗干扰能力强、非接 触的在线测量系统来测量运动表面在p e h l 下的表面形貌的变化。 1 2 表面形貌测量技术现状 有关表面形貌测量的实验，各国研究者们进行了大量的研究工作；其方法一 是接触测量法，二是非接触测量法，比如：传统的触针法( 如t a l y s u r f 系列设备) 就是接触式测量f 6 l ，目前这种技术已经发展得比较成熟，测量精度也比较高，测 试灵敏，测量的范围广，所以这种技术被大量采用；不过它的实验设备复杂，对 技术人员的要求比较高：比如这种测量的精确性对针尖半径大小的选择要求适 合，当表面不平度的尺寸小于所选针尖的直径时，它的测量结果就会小于表面粗 糙度的实际值，换句话说，在这种情况下表面粗糙度的部分信息就被针尖所过滤 了没有测量出来。另外由于要求针尖与表面接触，在材料比较软时特别不适用， 因为它很容易划伤表面，易使薄壁试件变形，而且它受环境的影响很大：这种测 量一次只能测量一条直线，当测量整个表面的粗糙度时这种技术就非常慢；这种 方法对测量时的跳动也很敏感，不适合用于运动表面的在线测量。因此很多年来， 研究者们试图发展其它表面粗糙度测量装置来改善传统的触针式接触测量，于是 非接触的测量技术发展起来，其中主要是光学测量技术，这些方法主要是通过聚 焦、干涉、反射和散射斑等光学现象，比如：光切法、光点变位法、光波干涉法、 微分法、外差干涉法、散斑法、临界角法、反射光能法即反射散射比法等7 1 。 在光学测量方面，现在已经有很多种测量方法，但他们大多数也是用于静态 测量，图1 - 1 所示表示了利用光干涉原理来测量表面粗糙度【8 j 【9 】 1 0 l 。当用光学平 第2 页7 共9 0 页 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 晶( 经过精密加工，可认为是理想的平面) 来检验工件的表面不平度时，如果工 件表面也同样的平直，则通过平晶，可以看到直线的干涉条纹。这是因为工件与 平晶之间有微小的倾角a ，由于光波的干涉而产生等厚的干涉( 图1 - 1 ) 。 一斗 乒4 o g 图1 - 1 光干涉原理 如果工件表面有缺陷，例如有沟槽，则干涉条纹不再是直线了。在有沟槽的地方， 干涉条纹相应的发生了曲折。沟槽的深度h 可以用于涉条纹的曲折量口和条纹的 间隔b 来度量 h ：旦生( 1 - 1 ) b2 式巾五产生干涉条纹的光波的波长。 如果工件表面成球形，那么干涉条纹变为圆环。总之，干涉条纹的形状正确 反映了工件表面的形状，如同地图上的等高线。于是工件表面的“峰”、“谷” 不平度也转化到平面上千涉条纹的曲折量。然后用显微镜进行测定，从而得到工 件表面的不平度值。 图1 1 所示的平晶与工件表面是接触性测量，但在实际测量中干涉法是非接 触测量，但由于干涉法的测量精度比较高，对表面的震动很敏感，在对运动表面 测量时被测表面的跳动对它的干涉图像影响很大j ，所以它不适合用于运动表面 的在线测量巾。 图1 2 也表示了利用光t 涉原理的相对光强法测量表面粗糙度的工作原理 【”】【”j ，上下两表面是平行的透明玻璃盘，其下表面镀有一定反射率的铬膜，当平 行光透过玻璃盘射到工件表面时，由光学同源干涉原理可知玻璃盘下表面铬膜所 第3 页共9 0 页 簇 了 7 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 产生的反射光束1 与工件表面的反射光束2 相位差相同，光程不同，这样就在平 行于铬膜的平面上形成干涉条纹。一般情况，通过分析比较干涉图中像素的相对 强度，就可以用下面的公式计算出油膜厚度h ： ：墨! ! 竺丛生二型( 1 2 ) 4 刀 式中，7 表示两反射光强度，厶是光的波长，痧是相位，胛是油的折射率。 图l - 2 相对光强法 这种方法不适合象部分膜弹性流体动力润滑的情况，因为这时工件表面与玻 璃下表面有接触，这样玻璃的镀层很容易被破坏，而且由于它的精度高和上面提 到的干涉法一样对跳动敏感，也不能用于对运动表面的在线测量中，因为一旦表 面运动起来，表面的跳动会严重影响干涉条纹的稳定。 图l 一3 表示了清华大学洗亮1 4 】等采用的全反射光能法的测量原理： 图l q 3 全反射光能法的测量原理 第4 页共9 0 页 上海大学硕士学位论文第一章绪论 当一束光线从光密介质进入光疏介质，并且当入射角大于临界角时就会发生 全反射，事实上，全反射光要跨过界面并且逐步因远离表面而衰减。这样的非均 匀波称为倏逝波。采用受抑全反射的方法可以探测该波的衰减程度【l “。因此，其 可用来测量两表面间的距离，从而确定出上下两表面的共同粗糙度。该技术近年 来得阱迅速发展。 该方法的主要优点为：1 ) 相对测量范围扩大了：2 ) 测量结果不受介质变化的 影响，因为其折射率在计算过程已被采用；3 ) 垂直方向分辨率可达2n m ，可用于 高精表面三维形貌测量。该方法存在以下缺点：1 ) 由于其采用受抑全反射光强来 确定表面起伏程度，因此，测量结果受激光散斑影响较大；2 ) 这种方法仍属准接 触式测量，不适宜于完全要求非接触测量的表面；3 ) 该方法是靠测量间隙来确定 表面轮廓的，因此当待测表面作高速运动和产生振动时，它将会产生较大的误差。 p e r s s o n ”】也提出了一种新的方法来在线测量表面粗糙度，即：光斑对比法 ( s p e c k l e - c o n t r a s t ) ，这种方法简单但是测量范围太小只能在r a = 0 0 1 0 0 1 5 0 a n 之间。后来p e r s s o n 又提出一种测量表面粗糙度的方法【l7 1 ，它采用两个不同波长 的发光光源，在适当选择波长后，测量的灵敏度比较理想。它的测量范围r a 从 o 5 烈5 o n ，这种技术与其它的技术相比有一定改进。但是，它易受测量时的错 位和震动影响【1 7 】，而且，在动态条件下，要测试试件表面的同一点时，操作起来 不大方便。此外这种方法只能算出粗糙度的统计参数值r a ，不能得出表面轮廓 的形状和波形，而在p e h l 下粗糙度的变化、油膜厚度的分布等与粗糙度轮廓的 方向和形状有关，所以只有统计参数r a 对研究粗糙度的变化规律是不够的，关 于这种技术的详细知识可参阅有关书籍【1 9 1 另外，邱瑜等人【”】采用激光散射法对表面粗糙度进行非接触式在线测量，这 种测量方法是基于反射散射比法的测量原理，当一束光线以一定角度照射到物体 表面时，除部分光被物体吸收外，大部分光被反射和散射，根据几何光学的原 理，反射光和散射光的强弱与物体的表面粗糙度有关。反射光集中于小面积上， 形成有许多光点组成的光斑，散射光则分布于光斑两侧，形成有许多光点组成的 光带。对于表面粗糙度值较小的表面，反射光斑的光能较强，散射光带宽度较窄； 反之，表面粗糙度值较大的表面反射光斑的光能较弱，而散射光带则较宽。可见 这种方法虽然能在线测量表而粗糙度，但是它只能定性地说明表而粗糙度胎与 第5 页共9 0 页 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 反射光能大小有一定的对应关系，也不能定量地说明表面形貌的轮廓形状。 另外王文等人提出了黑白光斑对比法【2 l 】【2 2 j ，这种方法是利用反射光中的黑色 斑点和白色斑点数量的多少与表面粗糙度的大小有一定的对应关系来描述表面 粗糙度参数的，它可以用于表面粗糙度的在线测量，但也不能定量地描述表面粗 糙度的实际轮廓形状。此外还有很多利用光的散射等方法测量表面形貌参数 【2 3 】q 2 6 1 ，但是它们大都只能定性地得出统计参数的值，很难定量地描述表面形貌 的轮廓大小和粗糙峰的纹理方向以及它们的变化，而且有些测量方法( 散射光强 法) 一般只能用于同种加工工艺的比较，而不能用作不同工艺之间的比较。 从目前的各种测量方法可见，由于摩擦副的动态特性，要研究一种新的测量 技术来测量运动表面摩擦磨损过程中的表面形貌，并产生绝对准确的数据结果是 很困难的。但是研究一种新的在线测量方法，相对准确地测量运动表面的粗糙度 大小和轮廓形状是可行的。本课题就是本着这一宗旨进行的，从上面的分析知道 要在线测量运动表面的粗糙度变化，现有的很多方法不能采用；但我们在实验和 研究中发现光切法在测量表面形貌时具有以下特点：1 它是非接触式测量，2 它 的测量精度比较高，3 光切法不但能准确的测量出表面粗糙度大小，而且能很好 地测出表面形貌的形状，4 光切法得到的图像简单，即使有一定的外界干扰，图 像质量也不会受多大影响，即：光切法抗干扰能力较强。5 光切图像简单，处理 容易而且快速，效率比较高。因此光切法用于在线测量具有很多测量方法没有的 优点。此外衡量一个实用的表面轮廓测量系统性能优劣的指标主要有三个：测量 时间，测量精度以及测量系统的成本，综合考虑以上这些因数，在非接触测量系 统中，光切法是一个比较理想的选择。本课题就是利用光切法的基本原理，使用 c c d 等图像采集系统以及图像处理技术，开发研制了一套在线测量运动表面形貌 参数的系统，并提出了一些新的适合光切图像的图像处理方法。 1 3 光切法用于表面形貌测量的研究现状 利用光切显微镜测量表面粗糙度是一种传统的方法，很早就开始采用了，但 是最开始测量人员是用肉眼通过物镜观察，利用测微物镜对线读数【2 7 】【2 8 j 【2 9 】来测量 表面粗糙度的，这种目测瞄准的方法不但有较大的测量误差，而且测量的效率很 低：因此这种测量方法渐渐地不再适合实际生产中的测量要求。随着光电技术的 飞速发展，优良的图像传感器，c c d ( 光电偶合器) 的广泛应用，在测量系统中 第6 页共9 0 页 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 采用c c d 摄像头代替人眼对图像进行采集和处理，不仅提高了测量精度，也提 高了测量的自动化 3 0 1 1 3 l 】。现在由于计算机技术以及图像处理技术的发展，光切法 在测量中的运用也得到了很快的发展f 3 2 】，同时，光切法的测量也从二维形貌参 数的测量发展到对三维表面形貌的测量中 3 8 j ，比如：光切法三维测量在逆工 程中的应用，三维实体重建等，而且这些研究相应地把原来的光切法的使用 进行很多的有益的改进【4 l 】 f 4 ”，此外光切法在生产实际中的应用也得到了广泛发 展【4 5 】叫4 9 1 ，所有这些研究和应用都在一定程度上促进了光切法的使用和发展。然 而目前就光切法的测量和研究主要还是基于静止表面的测量研究。很少有人把光 切法用于动态在线测量的动态磨损过程中，而如上所说，光切法有用于在线测量 的诸多优点，因此如果能利用光切法研制一套高效，精确，低成本并能对运动表 面进行动态在线测量的系统，不但能为p e h l 下的摩擦磨损理论研究提供有利的 实验支撑，而且无疑也会为今后光切法在测量领域的研究和运用提供很大的帮 助。 1 4 课题研究的主要任务： 本课题是以发展和研究实验方法和实验手段为目的，主要是发展用于对运动 表面进行在线测量的实验技术，并为部分膜弹性流体动力润滑下的动态磨损过程 的理论研究提供有力的实验支撑，课题的主要任务有以下几个方面： 1 根据目前对p e h l 下摩擦磨损的理论研究需要，分析比较现有多种测量技 术，研制一种在线测量技术用于对运动表面形貌的动态测量： 2 研究并设计用于动态测量的实验机，利用光学显微镜、图像采集卡以及c c d 等图像采集元件，发展一套新的在线测量系统； 3 在现有的图像处理技术基础上，提出新的适合光切法图像的图像处理算法。 4 编制高效的实验数据( 图像) 处理软件，从光切图像中提取出准确的边界 轮廓曲线，并计算出表面形貌的各个参数，并使软件可视化为通用软件。 5 对新的测量系统在有跳动和速度等工况下进行实验，验证其性能指标，比 如：准确性、重现性、鉴别率、抗干扰能力等，然后对系统用于在线测量的性能 进行客观评价。 1 5 本章小结： 本章首先阐述了课题的意义和背景，并根据目前研究中的具体情况和要求提 第7 页共9 0 页 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 出了发展在线测量技术的必要性，即：表面形貌参数在运动期间获得的技术。然 后分别就接触式测量和各种非接触测量用于动态在线测量的优缺点进行了比较， 特别对各种非接触式测量用于动态测量的优缺点做了系统、详细的比较；回顾了 当前光切法在各种测量和生产实际中的使用情况，并根据光切法用于在线测量的 优点，提出了以光切法为基本原理，研制并开发一套在线测量技术，达到对运动 表面形貌快速、准确地在线测量目的：最后提出本次实验研究的目的和主要任务。 第8 页共9 0 页 上海大学硕士论文 第二章光切法在线测量系统组成和原理 第二章光切法在线测量系统组成和原理 针对部分膜弹流润滑( p e h l ) 下的摩擦磨损理论研究的特点及其对实验的 要求，前面分析比较了包括光切法在内的各种非接触测量系统用于p e h l 下在线 测量的优缺点以及可行性之后，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图像处理技术等发展一套在线测量系统。本章将就本 系统的基本组成和原理进行简单论述。 2 1 系统的基本组成和原理 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、实验机、微型计算机、图像采集卡、显示器、 c c d 等光电耦合器， 光源 图2 - 1 在线测量系统的外观图 系统的基本原理如图2 - 2 所示： 图2 - 2 测量系统原理图 第9 页共9 0 页 上海大学硕士论文 第二章光切法在线测量系统组成和原理 在测量前，粗略估计被测试件表面粗糙度的大小之后，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，如果在目镜分划扳位置安置一个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，同时传送到v g a 显示缓冲区并实时在显示器上进行显示。 这样计算机得到的是如图2 3 所示的包含有工件表面二维轮廓信息的数字图 像( 因为光切显微镜的线光源有一定的宽度，故图像放大后显示的是一条亮带) 。 利用数字图像处理技术对采集的图像进行分析、处理与计算就能够得到我们需要 的轮廓曲线。再从轮廓曲线上各点的数值就能计算出粗糙度的各项参数值来。 2 2 光切法的基本原理 图2 - 3 系统采集到的原始图像 图2 - 4 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，我们设想有 一个平面p 垂直地和被测工件的表面相截，如 图( 2 - 4 ) 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。这种设想要成为现实，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 第l o 页共9 0 页 上海大学硕士论文 第二章光切法在线测量系统组成和原理 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 - 4 ) 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? 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口角度的方向和 工件相截，就可以用显微镜在与工件表面成a 角度的b 方向进行观察和测量，如 图2 5 ，这样就解决了第一个问题。如果我们用一种特殊的物质制成平面p 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 图2 - 5 光切法原理图图2 - 6 光切法图像 到的图像如图2 - 6 所示。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镜。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 - 7 ) ，具有表面微小峰谷( 设不平深度为h ) 的工件被照明镜管投射的光带照明后，分别在顶s 点及谷岛点产生反射，通过观 第l i 页共9 0 页 上海大学硕士论文 第二章光切法在线测量系统组成和原理 察显微镜的物镜，各自成像在分划板i s j 点及g 点。由于光带以口角度投射在工 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s 净4 s ；的距离h 。设观察物镜的放 大率( 放大倍数) 为卢，则 h = 矗馏( 2 - 1 ) 图2 7 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 h ：h ，c o s 口：竺c o s 口( 2 - 2 ) 8 照明光束投射于工件表面的峰鼻及谷b 后，分别在s 。和5 ：处反射( 图2 8 ) 。 s ，s ：就是观察物镜的物面。随着照明显微镜调焦位置的不同，s 。或或两者都 有一定程度的模糊。图2 - 8 所表示的为调焦于峰只的情况。由图可见，谷b 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 第1 2 页共9 0 页 上海大学硕士论文第二章光切法在线测量系统组成和原理 可能是有规则的反射，也可能产生无规则的漫反射。 p b i 、 老 i 蕊 7 而 心澎 f是 、 、 图2 8 光束在工件表面反射的情况 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 。所以用口= 4 5 。代入公式( 2 2 ) 得： 拈- c o s 4 5 。= 老协。， 2 4 光切显微镜的光学系统 光切显微镜的光学系统如图2 - 9 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1 0 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 上晦大学硕士论文 第二章光切法在线测量系统组成和原理 远心光路。 图2 - 9 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 x s g 型光切显微镜的光学系统基本上如图2 - 9 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 1 0 所示， 图2 1 09 j 型光切显微镜光学系统 1 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 一物镜 8 一测微物镜9 一分划板1 0 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 一c c d 第1 4 页共9 0 页 上海大学硕士论文 第二章光切法在线测量系统组成和原理 在光路中插入了反射镜1 1 、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 进行图像采集。 2 5 图像采集系统原理与控制实现 图像采集我们使用软件控制，软件的设计我们采用图形编程语言l a b v i e w ( l 曲o r a t o r yv i r t u a li 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 ) ，l a b v i e w 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、通信等众多领域得到运用，这里我们利用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 r v _ 一1 8 8 1 e x ，采集速度为2 5 帧，秒) 传来的视频 信号，由此得到光切数值图像。系统利用了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 ( ) 或w i n e x e c ( ) 实现调用，从而实现图像采集与图像处理系统的集成，这样不必在采集图像时打 开l a b v i e w 编译环境，大大缩短了图像采集时的准各时间，同时也减轻了计算机 处理多线程的负担，减小了内存消耗，也大大提高了用户操作的方便性。 图2 11 手动控制采集图像的l a b v i e w 源程序 第j 5 页共9 0 页 上海大学硕士论文 第二章光切法在线测量系统组成和原理 图2 1 2 自动控制采集图像的l a b v i e w 源程序 图像采集时，考虑到实验形式的多样性，在系统中实现了手动控制采集方式 和自动采集方式采集图像，图2 1 l 和图2 1 2 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。 在本系统的用户界面中，用户只需选择不同的菜单即可实现上述两种采集控 制方法。如图2 1 3 是实现采集的控制菜单界面： 图2 1 3 图像采集选择菜单 当用户选择图2 1 3 的“图像采集( 手动) ”菜单，系统会出现如图2 1 4 所示 的手动采集图像的控制窗体 第1 6 页共9 0 页 上海大学硕士论文第二章光切法在线测量系统组成和原理 图2 一1 4 手动采集图像控制面板 图2 1 5 自动采集图像控制面板 在图2 1 4 中的编辑框中可以输入图像保存的位置，由于是手动控制方式，所 以当想采集图像时，点击“采集图像”按钮，就可以把采集到的图像保存到指定 的位置，如果把“采集图像”按钮按住不放，则可以连续不断地采集图像，当然 可以按“停止采集”按钮来停止图像的采集。 如果用户选择图2 1 3 中的“采集图像( 自动) ”菜单，系统会出现图2 1 5 所 示的自动采集界面，自动采集时可以在时间设置框中指定一个时间间隔，这样系 统每隔这样一段时间就会自动采集图像，并把图像存放到指定位置，自动采集时 可以一边采集一边处理图像，提高了系统的效率。 由本系统采集到的图像是灰度图，并以b m p 格式进行保存，这种图像只含 亮度信息，不含色彩信息。由于灰度图中的r = g = b ，所以只要用2 5 6 色的调 色板就可以完全表示灰度图像的所有灰度级；这些调色板是( o ，0 ，o ) ，( 1 ，1 ， 1 ) 一直到( 2 5 5 ，2 5 5 ，2 5 5 ) 。所以这种图像处理起来很方便，因为图像的灰度 大小数值就是调色板的索引值，也就是实际的r g b 的亮度值。 2 6 实验机的组成和原理 实验机主要包括变速电动机，底座，试件以及支撑条，加力杆，油杯等，通 过变速电动机可以使试件获得不同的转速，实现系统在各种转速下的动态测量； 通过油杯可以让试件在有或没有润滑的磨损过程中进行动态测量；还可以通过控 制加力杆上的载荷来控制试件磨损过程的润滑状态，以实现试件在各种润滑状态 下的磨损过程，以便让系统在各种润滑状态下进行动态测量。本研究的目的主要 是能对部分膜弹性流体动力润滑下的磨损过程进行动态的在线测量，并为研究部 第1 7 页共9 0 页 上海大学硕士论文 第二章光切法在线测量系统组成和原理 分膜弹性流体动力润滑下的摩擦磨损理论研究提供有效的实验支撑。因此在润滑 状态下进行动态测量时，为了防止润滑油对采集图像的影响，我们在试件进入测 量区以前用海绵把润滑油和可能的杂质抹去。剩下非常少量的油膜对采集的图像 影响很小。 2 7 本章小结： 本章首先阐述了本系统的几个主要组成部分，并简单地说明了整个系统的工 作过程和原理，比较详细地介绍了光切法的基本原理以及光切显微镜的基本原 理，然后介绍了系统实现图像采集的基本过程和控制实现。最后介绍了系统的实 验机的基本组成和工作原理。 第1 8 页共9 0 页 上海大学硕士学位论文 第三章静态图像处理方法讨论 第三章静态图像处理方法讨论 光切法测量结果的准确与否，关键在于如何对光切图像进行处理，因此，图 像处理软件的设计成了本系统设计的核一t l , 部分。软件设计我们使用了功能强大的 集成开发工具v c + + 6 0 ，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，我们开发了一个功能强大、界面美观 的图像处理软件。本软件主要是针对光切法图像的采集及处理而设计的，其目的 不仅能处理在线测量的动态图像，同时更能准确地处理光切法从静止表面上采集 到的静态图像。因此本章将从静态图像的处理步骤出发，讨论本软件系统采用的 部分图像处理方法。 对于静态图像，由于图像的前景与背景的灰度对比较大，加上没有速度和跳 动等的影响，图像的质量一般比较好，处理比较容易，如图3 1 ： 图3 - 1 静态原始图 使用本系统一般按以下步骤即可非常准确地提取所需的边界轮廓曲线 1 ) 先对图像进行滤波或平滑处理，滤波后的图像如图3 - 2 所示： 图3 - 23 1 中值滤波后的结果 第1 9 页共9 0 页 上海大学硕士学位论文 第三章静态图像处理方法讨论 平滑处理后的结果如图3 - 3 图3 3 用高斯模板滤波后的结果 可以看出，由于静态图像的质量比较好，噪声信号少，信噪比高，经过滤波 或平滑以后的图像变化并不大，但这里实际上还是滤掉了很多的噪声，这样有利 于对图像进行阈值化并提取边界轮廓。当然下面也可以看到对于有些质量更好的 静态图像也可以直接进行阈值分割，而不必对原始图像先进行滤波或平滑处理。 2 ) 然后对图像进行阈值变换，将图像二值化。如图3 - 4 所示 图3 - 4 阙值变换后的图像 3 ) 提取所需边界轮廓曲线，此曲线就是表面粗糙度的轮廓曲线。如图3 - 5 以 及图3 - 6 所示： ，、。、一 图3 - 5 提取上边界结果 一 图3 - 6 提取下边界结果 第2 0 页共9 0 页 上海大学硕士学位论文第三章静态图像处理方法讨论 从上面的处理步骤可以看出静态图像的处理很方便，系统的效率很高，基本 上不需要人手动对图像作任何预处理，下面将阐述上面提取边界过程中用到的图 像处理技术的基本原理： 3 1 图像的增强 一般情况下，各类图像系统中图像的传送和转换( 如成像、复制、扫描、传 输以及显示等) 都会造成图像的某些降质。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。通常改善方法有两类：一类是 不考虑图像降质原因，只将图像中感兴趣的特征有选择的突出，而衰减其次要信 息；另一类是针对图像降质原因，设法去补偿降质因素，从而使改善后的图像尽 可能的逼近原始图像。第一类方法能够提高图像的可读性，改善后的图像不一定 逼近原始图像，如突出目标的轮廓，衰减各种噪声，将黑白图像转换成彩色图像 等这类方法通常称为图像增强技术。第二类方法能提高图像质量的逼真度，一般 称为图像复原技术。 图像增强技术通常有两类方法：空间域法和频率域法。空间域法主要是在空 间域中对图像像素灰度值直接进行运算处理。例如：将包含某点的一个小区域内 的各点灰度值进行平均计算，用所得的平均值代替该点的灰度值，这就是通常所 说的平滑处理。空间域法的图像增强技术可以用下式来描述： g ( x ，y ) = f ( x ，y ) ( z ，y ) ( 3 - 1 ) 其中f ( x ，y ) 是处理前的图像：g ( x ，y )