非接触式光整加工磨块运动平面速度场测量方法及系统

1.本发明涉及先进制造领域，尤其涉及一种基于时序图像的非接触式光整加工磨块运动平面速度场测量方法及系统。


背景技术：

2.滚磨光整加工技术用于提高零件表层质量和改善表层性能。该技术是将自由或非自由状态的被加工工件置于盛有自由状态的颗粒介质(滚抛磨块)和液体介质(磨剂、水)的容器中，通过在被加工工件与加工介质之间设定一定形式的相对运动，使加工介质对工件表面产生无序或有序的碰撞滚压、微量磨削以及一定的化学作用，从而达到对零件表面进行抛光、增亮、去毛刺、清洁和除垢等提高综合表面质量的效果。滚磨光整加工技术适应性强、应用范围广，近几年在机械、电子、信息、能源、航空航天、兵器等领域的应用得到了迅速发展。磨块作为滚磨光整加工技术中的加工介质，其相对工件的冲击速度很大程度上影响了工件表面的材料去除、工件粗糙度的降低以及硬度方面的改善。然而，滚抛磨块是一种弹性粒子的集合体，受接触力、阻尼和重力等多种作用力的影响，具有颗粒群强制动态特性，所以对磨块速度的研究方法应该与传统固体、液体和气体研究的方法有所不同。目前，仅有基于ccd激光位移传感器测速和光线探针测量方法可以实现对磨块速度的单点测量，对于直接获取磨块平面瞬时速度场的方法一直是一种挑战。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种基于时序图像的非接触式光整加工磨块运动平面速度场测量方法及系统，以解决上述技术背景中提出的问题。
4.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
5.本技术第一个方面提供了一种基于时序图像的非接触式光整加工磨块运动平面速度场测量方法，包括以下步骤：
6.a1，利用高速相机记录待测区域磨块的时序图像；
7.a2，对原始的磨块时序图像进行图像前处理，包括亮度调整和对比度调整；
8.a3，对前处理后的磨块时序图像进行位移估计处理，包括互相关计算或磨块颗粒追踪，获得待测区域磨块运动平面速度场分布；
9.a4，对平面速度场进行后处理，剔除错误速度矢量，同时根据相邻正确矢量插值替代被剔除的错误矢量；
10.a5，对平面速度场进行尺度校准，将像素为单位的速度场转化为国际通用长度单位的速度场。
11.优选地，步骤a1包括以下步骤：采用柔和白色光源对运动磨块进行照明，将高速相机安装于视线垂直于待测速度场平面且适当距离的位置，调节相机曝光时间和拍摄帧频等参数，对磨块进行拍摄获得待测区域磨块的时序图像。
12.优选地，步骤a2包括以下步骤：对拍摄的原始的磨块时序图像进行亮度调整和对
比度调整，以获得对磨块纹理更高的识别度，提高位移估计精度。
13.优选地，步骤a3包括以下步骤：将相邻时刻的处理后磨块图像进行位移估计处理，包括互相关计算或磨块颗粒追踪，获得待测区域磨块运动平面速度场分布；其中，磨块直径较小时采用互相关算法进行处理，磨块直径较大时采用磨块颗粒追踪算法进行处理。
14.优选地，步骤a4包括以下步骤：采用全局阈值计算式(1)、局部平均值滤波式(2)或局部中值滤波式(3)处理获得的平面流场u(i,j)，挑选并剔除出其中的错误矢量，并采用线性插值或者三次样条插值的方法，根据正确速度矢量插值获得替代矢量，
[0015][0016][0017][0018]
其中，u(i，j)是速度场的值；std(u(i，j))是速度场的标准方差；t为滤波阈值；std(u(i-1：i+1，j-1：j+1))是局部(3
×
3)区域内的速度场标准方差；是局部(3
×
3)区域内的速度场平均值；是局部(3
×
3)区域内的速度场中值。
[0019]
优选地，步骤a5包括以下步骤：保持相机及测量区域位置不变，拍摄已知长度的物体图像，如拍摄尺子等，然后计算出单个图像像素对应的物方尺寸，即x米每像素，接着将像素为单位的速度场乘以x米每像素转化为以米等国际通用长度单位的速度场矩阵。
[0020]
本技术第二个方面提供了一种基于时序图像的非接触式光整加工磨块运动平面速度场测量系统，包括硬件系统和软件系统两个部分，其中，
[0021]
硬件系统包括：用于采集图像的高速相机及主镜头、照明装置和数据处理系统，所述数据处理系统用于控制高速相机的拍摄参数、以及接收高速相机传输的磨块时序图像；
[0022]
软件系统包括：用于对图像进行数据处理分析的时序磨块图像速度场计算平台。
[0023]
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
[0024]
本技术能实现通过单个高速相机拍摄的磨块时序图像获得待测光整加工磨块运动的整个平面瞬时速度场分布，相比于现有激光位移传感器、光纤探针等单点速度测量方法，本技术提供了平面瞬时速度场整场测量方法，也极大地提高了速度场测量效率，为滚磨光整加工研究起到了促进作用。
附图说明
[0025]
构成本技术的一部分附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施
例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
[0026]
图1是基于时序图像的非接触式光整加工磨块运动平面速度场测量方法流程图；
[0027]
图2是基于时序图像的非接触式光整加工磨块运动平面速度场测量系统的结构示意图；
[0028]
图3是主轴式滚磨光整加工磨块运动测量装置图；
[0029]
图4是棕刚玉球形磨块示例图；
[0030]
图5是尺度校准图像示例图；
[0031]
图6是瞬态速度场分布测量结果示例图。
具体实施方式
[0032]
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0033]
实施例：
[0034]
图1为基于时序图像的非接触式光整加工磨块运动平面速度场测量方法流程图。
[0035]
如图1所示，本实施例的一种基于时序图像的非接触式光整加工磨块运动平面速度场测量方法，通过高速相机测量获取磨块速度场分布，具体步骤如下：
[0036]
步骤1：采用高速摄像机对立式主轴式滚磨光整加工设备中磨块运动进行测量。
[0037]
如图3所示，滚筒的直径为216mm，高为210mm，材料为不锈钢(0cr18ni9),填充量为滚筒体积的60％。
[0038]
如图4所示，磨块为直径3mm的棕刚玉球形磨块，密度为2.49g/cm3。
[0039]
步骤2：采用memrecam q1m高速摄像机以每秒500帧(fps)的速度拍摄图像，并通过xsj2x1300-2白炽灯给拍摄区域提供照明。
[0040]
其中，滚筒转速分别设置为60rpm、80rpm、100rpm；图像的视野为66mm
×
63mm，提供1280
×
1024像素的分辨率。
[0041]
步骤3：将记录的图像进行亮度调整和对比度调整，提高图片亮度和对比度。
[0042]
步骤4：将相邻时刻的处理后磨块图像按照式(1)进行互相关计算，获得待测区域磨块运动平面速度场分布。
[0043][0044]
步骤5：采用全局阈值计算式(2)、局部平均值滤波式(3)或局部中值滤波式(4)处理获得的平面流场u(i，j)。挑选并剔除出其中的错误矢量，并采用线性插值或者三次样条插值的方法，根据正确速度矢量插值获得替代矢量。
[0045]
[0046][0047][0048]
其中，u(i，j)是速度场的值；std(u(i，j))是速度场的标准方差；t为滤波阈值；std(u(i-1：i+1，j-1：j+1))是局部(3
×
3)区域内的速度场标准方差；是局部(3
×
3)区域内的速度场平均值；是局部(3
×
3)区域内的速度场中值。
[0049]
步骤6：保持相机及测量区域位置不变，拍摄尺子进行尺度校准，如图5。然后计算出单个图像像素对应的物方尺寸，将像素为单位的速度场乘以x米每像素转化为以米为单位的速度场矢量矩阵，如图6。
[0050]
另一方面，本技术还公开了一种基于时序图像的非接触式光整加工磨块运动平面速度场测量系统。
[0051]
参阅图2所示，该系统包括硬件系统和软件系统两个部分。其中：
[0052]
硬件系统包括：用于采集图像的高速相机及主镜头、照明装置和数据处理系统，所述数据处理系统用于控制高速相机的拍摄参数、以及接收高速相机传输的磨块时序图像；
[0053]
软件系统包括：时序磨块图像速度场计算平台，用于对图像进行数据处理分析。
[0054]
综上所述，本技术能实现通过单个高速相机拍摄的磨块时序图像获得待测光整加工磨块运动的整个平面瞬时速度场分布，相比于现有激光位移传感器、光纤探针等单点速度测量方法，本技术提供了平面瞬时速度场整场测量方法，也极大地提高了速度场测量效率，为滚磨光整加工研究起到了促进作用。
[0055]
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。