一种高速滑动电接触运动副表面损伤分类方法与流程

本发明涉及损伤识别，无损检测
技术领域：
，特别是一种高速滑动电接触运动副表面损伤分类方法。
背景技术：
：在经济全球化以及现代化工业生产发展迅猛的时代，大载流高速滑动电接触构件在电气工程领域、国防科研领域中发挥着重要作用，是弓网系统、电磁发射系统、电动机车供电和运载火箭整流装置中的重要部件。由于电接触构件表面摩擦副之间的机械特性和电气特性，使其表面受电载荷、高速以及高温等影响而产生损伤，降低电接触性能及系统的工作效率。高速滑动电接触过程引起导轨表面产生微损伤，其损伤种类主要有两种：因滑动过程中的撞击、烧损或熔化等原因形成的凹坑以及由磨损形成的划痕。根据形成的机理不同，凹坑可分为：刨蚀坑和烧蚀坑；而根据宏观形貌不同，划痕可分为：凹划痕和凸划痕。虽然利用损伤宽度、深差矩形比及损失质量等参数，能够分出工件损伤凹坑或划痕的具体类别，但是工件损伤的具体外貌特征还是不太明确，不利于维修人员准确的了解工件表面的健康状况。高速滑动电接触运动副表面损伤情况的分类越明确，越有利于维修人员对构件表面的损伤有清晰的认识，对于制定有效的维护措施同时避免不必要的财产损失和人员伤亡具有重要意义。对于高速滑动电接触运动副表面损伤的形成机理以及表面损伤提取等方面，许多国内外著名学者都做了深入研究，但是对于工件表面微小损伤情况的细化分析以及具体分类的研究则罕见报道。技术实现要素：本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种高速滑动电接触运动副表面损伤分类方法。为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：一种高速滑动电接触运动副表面损伤分类方法，包括以下步骤：步骤一、将被测高速滑动电接触运动副置于二维激光扫描仪下，通过高低螺筒，调节构件距离二维激光扫描仪的距离，得到被测高速滑动电接触运动副表面的三维点云数据；步骤二、提取三维点云数据中的损伤区域；步骤三、计算损伤区域的体积和质量：把损伤区域剖分成一个个不规则的小三棱柱体的体积微元，寻找每一个不规则三棱柱体微元的最低点，以最低点的z轴坐标值所在平面为分界平面，把每一个不规则三棱柱体形状的体积微元分成一个规则的三棱柱微元和一个不规则的棱锥微元，分别利用体积公式计算，最后叠加，得到损伤区域的损伤体积，进而得到损伤质量；步骤四、计算损伤区域的面积：定义损伤区域的面积为三角剖分后每个微元在基准平面上投影的小三角形微元面积之和，损伤面积计算公式为：s为损伤面积；步骤五、计算损伤区域的周长：利用在损伤区域的边界线上相邻两条扫描线上的两点，计算得出两点间的距离；然后依次计算出相邻扫描线上边界点之间的距离，最后再相加，即得损伤区域的周长；步骤六、计算损伤区域的形状参数：首先定义标准圆的形状参数为1，用形状参数的大小来表示偏离标准圆的程度，符号标记为a，根据标准圆周长公式和面积公式计算出圆的半径，分别标记为r1和r2：根据圆的面积公式s＝πr12得出：根据圆的周长公式l＝2πr2得出：当r1＝r2的时候为标准的圆，因此定义形状参数a来判断损伤的形状，定义如下所示：将和代入得出如下表达式：将步骤四、步骤五得到的损伤区域的面积和周长代入式求出损伤区域的形状参数；步骤七、将运动副的已知损伤类型作为样本，已知损伤类型包括单一损伤和多重损伤，单一损伤包括单点、划条，多重损伤包括群点、擦伤，多次计算每个样本的欧拉数，然后取每个样本的所有欧拉数的平均值作为每个损伤类型的欧拉数，对步骤一中采集到的被测高速滑动电接触运动副表面的三维点云数据进行二值化处理得到二值图像，基于二值图像求取得到欧拉数；步骤八、对高速滑动电接触运动副表面损伤进行精确识别分类：根据求取得到的欧拉数知：当样本为单一缺陷时，空洞数与碎片数相等，欧拉数为1；而当样本缺陷为多重缺陷时，欧拉数大于1；确定之后，再分别区分单一损伤中的单点和划条以及多重损伤中的群点和擦伤，然后在计算样件的形状指数，以长方形1:5作为形状指数阈值，a＝0.436；在单一损伤中，通过多次计算形状指数参数求得平均值跟a进行对比，小于a则为划条，大于a则为单点；在多重损伤中群点的形状指数参数平均值大于a，而擦伤的形状指数参数平均值小于a。进一步，所述步骤二中，采用基于扫描线数据点迭代求差的方法与最近邻域搜索相结合的方法提取三维点云数据中的损伤区域，具体步骤如下：1)设定基准平面：先对三维点云数据采用最小二乘法拟合，得到与被测高速滑动电接触运动副表面相对应的平面ax+by+cz+d＝0，并以此平面作为基准平面；2)提取损伤边界点：首先，将基准平面的所有z坐标值基础上增加±l的余量，并称此含有±l余量的平面为参考基准平面；提取出所有z坐标值在z-l＜z＜z+l范围内的点云数据得到新点云数据；然后，用得到的新点云数据的后一个数据点的x坐标值减去前一个数据点的x坐标值，当xi+1-xi＞ε时保留第i个和第i+1个数据点，其中i＝0、1、2...n-1、n为新点云数据中某条扫描线上总的点云数，原扫描数据的特点是扫描线上每个点的x坐标值是依次以ε值增加的，当剔除损伤区域点云以后，参考基准平面在损伤区域没有点云数据；依次遍历整个新点云数据中的点，最终得到损伤边界点；3)搜索并连接边界点：采用最近邻域点搜索的方法确定哪些数据点是处于同一边界上；以边界提取结果数据的某一个点为起始点，并标记该点，搜索距离这个点最近的点作为下一轮搜索的起始点，已经标记过的点不再参与下面的搜索，依次循环，直到搜索到终点；由于在同一边界上的点都已经被标记不在参与搜索，所以在终点搜索到的最近点有可能是其他边界的点或者是干扰点，为了避免这种情况，设置一个距离阈值δ作为判断条件，当某点距离其邻域内最近点的距离大于δ，即认定为终止点；4)提取损伤外貌：在步骤3)的基础上，以每条扫描线上第一个损伤边界点后面的数据点为损伤区域起始点，依次提取损伤区域的点云数据，直至遇到同一扫描线上的下一个损伤边界点为止，即为每条扫描线上损伤区域的点云数据。依次循环进行，直至循环完所有的扫描线，提取出损伤区域点云数据；然后计算损伤区域点云数据的曲率，并将点云曲率信息按一定的规则映射成rgb彩色信息，其中用绿色代表小曲率，红色代表大曲率，可以直观的观察出损伤的微小变化趋势；5)在上述结果的基础之上，将扫描数据和提取的损伤边界点数据进行点云数据配准，将每条扫描线上配准之后的数据的重叠部分分别标记为r，其中r＝1,2,3...，分别使其中的第奇数个数据作为损伤区域的起始点，其紧接着的第偶数个数据为该损伤区域的终止点，在扫描数据上将相邻的起始点与终止点之间的数据提取出来，依次循环完所有的扫描线就得到了损伤区域数据。进一步，所述步骤三中，计算损伤体积和质量具体步骤如下：假设整个检测矩阵的大小为m×n，损伤区域某一行的边缘点的坐标为(i,p),(i,q)则该行z轴的基准为：式中：zij为第i行第j列的数据；损伤总体积v为：式中：zi为剖分三棱柱的三个高，i＝1、2、3；h为每一行的基准；s为单个小三角形微元的面积；损伤区域质量m为：m＝v*ρ，式中ρ为被测材料的密度。进一步，所述步骤五中，在损伤区域的边界线上相邻两条扫描线上的两点间的距离的计算公式为：损伤区域的周长的计算公式为：式中n为边界线上扫描点的个数。与现有技术相比，本发明在能够提取出高速滑动电接触构件表面损伤区域的基础上，通过损伤形状参数、欧拉数等相关损伤参数的定量计算，设计了清晰合理的分类方法；能够区分出表面损伤是单一损伤还是多重损伤，在单一损伤中是单点损伤还是滑条损伤，在多重损伤中是群点损伤还是擦伤；为运动副表面损伤真实形貌的了解提供重要依据，同时欧拉数在工件表面微小损伤分类中的应用也十分独特。附图说明图1为本发明的对高速滑动电接触运动副表面损伤进行精确识别分类流程图。图2为本发明一种实施例中高速滑动电接触运动副表面损伤位置a处的边界提取结果。图3为本发明一种实施例中高速滑动电接触运动副表面损伤位置a处的边界点连接。图4为本发明一种实施例中高速滑动电接触运动副表面损伤位置a处的原始损坏和提取结果；(a)为位置a上的原始损坏图像，(b)为位置a处的提取结果。图5为损伤区域检测算法流程。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。如图1所示，本实施例提供了一种高速滑动电接触运动副表面损伤分类方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将被测高速滑动电接触运动副置于二维激光扫描仪下，通过高低螺筒，调节构件距离二维激光扫描仪的距离，得到被测高速滑动电接触运动副表面的三维点云数据；步骤二、提取三维点云数据中的损伤区域：采用基于扫描线数据点迭代求差的方法与最近邻域搜索相结合的方法提取三维点云数据中的损伤区域，具体步骤如下：1)设定基准平面：由于实验台歪斜或者被测高速滑动电接触运动副本身放置不平，可能会引起z轴值的偏差，因此要先对三维点云数据采用最小二乘法拟合，得到与被测高速滑动电接触运动副表面相对应的平面ax+by+cz+d＝0，并以此平面作为基准平面；2)提取损伤边界点：首先，将基准平面的所有z坐标值基础上增加±l的余量(因为在进行平面拟合时，有的实际数据点并没有落到基准平面上，所以要在基准平面的基础上留有±l的余量，并称此含有±l余量的平面为参考基准平面)；提取出所有z坐标值在z-l＜z＜z+l范围内的点云数据得到新点云数据。然后，用得到的新点云数据的后一个数据点的x坐标值减去前一个数据点的x坐标值，当xi+1-xi＞ε时保留第i个和第i+1个数据点(i＝0、1、2...n-1、n)为新点云数据中某条扫描线上总的点云数，原扫描数据的特点是扫描线上每个点的x坐标值是依次以ε值增加的，当剔除损伤区域点云以后，参考基准平面在损伤区域没有点云数据，所以扫描线上每一个点的x轴坐标值不再是以ε值增加)，依次遍历整个新点云数据中的点，最终得到损伤边界点。位置a处的提取结果图如图2所示。3)搜索并连接边界点：由于提取出来的损伤边界点数据比较散乱，因此采用最近邻域点搜索的方法确定哪些数据点是处于同一边界上；以边界提取结果数据的某一个点为起始点，并标记该点，搜索距离这个点最近的点作为下一轮搜索的起始点，已经标记过的点不再参与下面的搜索。依次循环，直到搜索到终点；由于在同一边界上的点都已经被标记不在参与搜索，所以在终点搜索到的最近点有可能是其他边界的点或者是干扰点，为了避免这种情况，需要设置一个终止条件，本文设置一个距离阈值δ作为判断条件，当某点距离其邻域内最近点的距离大于δ，即认定为终止点。位置a处搜索边界点连接效果如图3所示；4)提取损伤外貌：在步骤3的基础上，以每条扫描线上第一个损伤边界点后面的数据点为损伤区域起始点，依次提取损伤区域的点云数据，直至遇到同一扫描线上的下一个损伤边界点为止，即为每条扫描线上损伤区域的点云数据。依次循环进行，直至循环完所有的扫描线，便可提取出损伤区域点云数据。然后计算损伤区域点云数据的曲率，并将点云曲率信息按一定的规则映射成rgb彩色信息。绿色代表小曲率，红色代表大曲率，可以直观的观察出损伤的微小变化趋势。提取的损伤形貌如图4所示，其检测算法流程如图5所示；5)在上述结果的基础之上，将扫描数据和提取的损伤边界点数据进行点云数据配准，将每条扫描线上配准之后的数据的重叠部分分别标记为r(r＝1,2,3...)，分别使其中的第奇数个数据作为损伤区域的起始点，其紧接着的第偶数个数据为该损伤区域的终止点。在扫描数据上将相邻的起始点与终止点之间的数据提取出来，依次循环完所有的扫描线就得到了损伤区域数据。(例如就是将某条扫描线上第一个标记数据作为该扫描线上损伤区域的起始点，第二个标记数据作为该扫描线上损伤区域的终止点，依次类推。)步骤三、计算损伤区域的体积和质量：把损伤区域剖分成一个个不规则的小三棱柱体的体积微元，寻找每一个不规则三棱柱体微元的最低点，以最低点的z轴坐标值所在平面为分界平面，把每一个不规则三棱柱体形状的体积微元分成一个规则的三棱柱微元和一个不规则的棱锥微元，分别利用体积公式计算，最后叠加，得到损伤区域的损伤体积，进而得到损伤质量，具体为：假设整个检测矩阵的大小为m×n，损伤区域某一行的边缘点的坐标为(i,p),(i,q)则该行z轴的基准为：式中：zij为第i行第j列的数据；损伤总体积v为：式中：zi为剖分三棱柱的三个高，i＝1、2、3；h为每一行的基准；s为单个小三角形微元的面积；损伤区域质量m为：m＝v*ρ，式中ρ为被测材料的密度。步骤四、计算损伤区域的面积：定义损伤区域的面积为三角剖分后每个微元在基准平面上投影的小三角形微元面积之和，损伤面积计算公式为：s为损伤面积；步骤五、计算损伤区域的周长：利用在损伤区域的边界线上相邻两条扫描线上的两点，计算得出两点间的距离；然后依次计算出相邻扫描线上边界点之间的距离，最后再相加，即得损伤区域的周长，具体计算公式为：在损伤区域的边界线上相邻两条扫描线上的两点间的距离的计算公式为：损伤区域的周长的计算公式为：式中n为边界线上扫描点的个数。步骤六、计算损伤区域的形状参数：首先定义标准圆的形状参数为1，用形状参数的大小来表示偏离标准圆的程度，符号标记为a，根据标准圆周长公式和面积公式计算出圆的半径，分别标记为r1和r2：根据圆的面积公式s＝πr12得出：根据圆的周长公式l＝2πr2得出：当r1＝r2的时候为标准的圆，因此定义形状参数a来判断损伤的形状，定义如下所示：将和代入得出如下表达式：将步骤四、步骤五得到的损伤区域的面积和周长代入式求出损伤区域的形状参数；步骤七、将运动副的已知损伤类型作为样本，已知损伤类型包括单一损伤和多重损伤，单一损伤包括单点、划条，多重损伤包括群点、擦伤，多次计算每个样本的欧拉数，然后取每个样本的所有欧拉数的平均值作为每个损伤类型的欧拉数，对步骤一中采集到的被测高速滑动电接触运动副表面的三维点云数据进行二值化处理得到二值图像，基于二值图像求取得到欧拉数；步骤八、对高速滑动电接触运动副表面损伤进行精确识别分类：如图1所示，根据求取得到的欧拉数知：当样本为单一缺陷时，空洞数与碎片数相等，欧拉数为1；而当样本缺陷为多重缺陷时，欧拉数大于1；确定之后，再分别区分单一损伤中的单点和划条以及多重损伤中的群点和擦伤，然后在计算样件的形状指数，以长方形1:5作为形状指数阈值，a＝0.436；在单一损伤中，通过多次计算形状指数参数求得平均值跟a进行对比，小于a则为划条，大于a则为单点；在多重损伤中群点的形状指数参数平均值大于a，而擦伤的形状指数参数平均值小于a。表1损伤识别分类结果损伤位置形状参数(a)欧拉数(e)损伤类型a0.5372多重群点损伤b0.8121单一单点损伤c0.6213多重群点损伤d0.4212多重擦伤损伤标准样件0.3321单一划条损伤本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。当前第1页12