CN104197862A - 一种基于图像技术的全自动摩擦角测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于图像技术的全自动摩擦角测量仪，由承载部分和测控部分组成，所述承载部分包括基座、动平台、摩擦板和透明罩，动平台安装在基座上，摩擦板安装在动平台上，透明罩罩在动平台上；测控部分包括控制电机、电机驱动处理器、处理器和CCD相机，控制电机的输出轴与动平台的旋转中心端相连，控制电机通过电线与电机驱动处理器相连，CCD相机安装在透明罩的顶部中央位置，CCD相机、控制电机均通过数据线与处理器相连，所述电机驱动处理器与处理器电连接，处理器包括图像获取模块、图像对比分析模块和显示模块。本发明排除了外界环境的干扰，使得试验结果更加客观；能够广泛适应各种形态的物料摩擦角测试。

Description

一种基于图像技术的全自动摩擦角测量仪

技术领域

本发明属于摩擦测试领域，特别涉及一种基于图像技术的全自动摩擦角测量仪。

背景技术

材料的摩擦特性是很多科学研究和工程应用中常用的重要基础性数据，摩擦测试仪器的性能优劣直接关系到试验所得摩擦数据的精确性、稳定性与可靠性。通常，按照摩擦介质之间的相对运动状态，可将摩擦特性大体分为动摩擦特性与静摩擦特性。其中，静摩擦特性是指摩擦介质之间将要发生而未发生相对运动时的界面摩擦阻力的大小。对于常见的宏观、低速情况而言，按照库仑定律对摩擦特性进行表达依然是合适的，并常用摩擦系数表示摩擦特性的大小。由于静摩擦系数等于摩擦角的正切值，因而，对于静摩擦特性的测量，通常采用测量其摩擦角的方式予以间接测量。其基本的测量思路是：将材料放在一个初始位置水平的平台上，然后缓慢增大平台的倾角并观察材料是否发生运动(含滑动与滚动)，当材料开始发生运动时，平台的倾角即为该材料与台面(材料)之间的摩擦角。基于这种测量思路，相关科研工作者和工程技术人员开发出了若干摩擦角测量装置。

专利申请号为201210579862.5的发明专利公开了一种“煤的摩擦角测量装置”，由框架、平板、伸缩控制装置和量角仪组成，其中平板的一段与框架上平面的一边铰接，另一段与伸缩控制装置相连，从而形成一个倾角可调的动平台，量角仪则位于平板侧面，用来指示平板的倾角。该装置结构简单且功能明确，能够在较低的精度要求下用来测量煤与平板之间的摩擦角，不足之处在于平板不具备在任意倾斜角度状态下锁止保持的能力，且测量全过程中均需要人工干预与操作，包括平板倾角的缓慢调节、倾角的保持和倾角的读数，从而不可避免地给测量带入了人为操作误差，难以保证测量结果的稳定性与可靠性。

专利申请号为201210413462.7的发明专利公开了一种“用于散粒体物料摩擦角和摩擦系数测量的斜面仪装置”，由可调斜板、限位立柱、接料盘、直尺、圆弧尺和摇杆棘轮等组成，也能够进行散体物料的摩擦角测量。由于该发明所述装置中的摇杆棘轮部件具有自锁功能，因而在使用时，可调斜板能够在任意位置保持倾斜状态而无需人力扶持，使操作员能专心读取倾角数据。但是，使用该发明所述装置进行摩擦角测量时，仍需依靠人工对倾角大小进行持续调节，并由肉眼观察、判断物料是否发生运动，最后需要人工读取倾角数据，所以测量的全程仍然离不开人工干预与操作，还是会不可避免地带入人为操作误差，使得测量结果的稳定性、客观性与可靠性仍存在对人工操作的依赖。

专利号为201010547073.4的发明专利公开了一种“散粒物料摩擦角或休止角测量装置和测量方法”，由电机、物料盘、红外对射管、和微处理器等组成，能够测量散体物料颗粒与板材之间的摩擦角。由于该发明专利所述的装置中采用了电机对物料盘的倾斜进行驱动，并采用了红外检测元件对散体物料颗粒是否发生运动进行检测并反馈给微处理器，因而，使用该装置进行物料摩擦角测量能够摆脱测量全过程中的人工干预，具有一定的自动化特点，从而在一定程度上保证测量结果的客观性与准确性。但是，该发明专利所述的摩擦角测量装置仍存在一定的局限性与不足之处：(1、由于该装置采用一对红外射管对物料的状态进行监测，操作方法是“将一颗谷粒放置在物料盘上2个红外对射管的连线位置上”，以谷粒运动后离开红外对射管连线位置时红外对射管光路不再被阻挡作为停止电机运转的触发信号，所以，该装置仅能测量单个散体颗粒与板材之间的摩擦角，对于颗粒群体而言，该测量结果必然因颗粒个体之间的差异而存在随机性，这正是科学测量中应尽量避免的；(2、受限于上述的测量原理与方法，用该装置测量摩擦角时，被测物料必须是颗粒状且不能太大，因此该装置仅能用于对散体颗粒进行摩擦角测量，而不能用于其它板状材料(如手机外壳)、片状材料(如银行卡、纸张等)的摩擦角测量；(3、虽然该装置具备一定的自动化能力，但其测量环境依然是开放式的，所以，对于质量较轻或外形较特殊的颗粒体而言，开放式测量环境中的气流扰动会影响到测量结果的准确性。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足之处，为材料的摩擦角测量提供一种基于图像技术的全自动摩擦角测量仪。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于图像技术的全自动摩擦角测量仪，其特征在于：由承载部分和测控部分组成，所述承载部分包括基座、动平台、摩擦板和透明罩；动平台安装在基座上，摩擦板安装在动平台上，透明罩罩在动平台上；所述测控部分包括控制电机、电机驱动处理器、处理器和CCD相机，控制电机的输出轴与动平台的旋转中心端相连，控制电机通过电线与电机驱动处理器相连，CCD相机安装在透明罩的顶部中央位置，所述CCD相机、控制电机均通过数据线与处理器相连，所述电机驱动处理器与处理器电连接，处理器包括图像获取模块、图像对比分析模块和显示模块，所述图像获取模块用于控制CCD相机获取图像，所述图像对比分析模块用于对比分析所述CCD相机所获取的图像、并将对比分析结果传输给电机驱动处理器，所述显示模块用于显示控制电机的旋转角度。

优选地，所述动平台与基座之间通过铰接的方式连接。

优选地，所述动平台上设有尺寸略大于与摩擦板的尺寸相同的梯形槽，所述摩擦板装在所述梯形槽内、且与梯形槽间隙配合。

优选地，所述透明罩呈立方体形状，透明罩的顶面中央位置加工有矩形孔，CCD相机安装在所述矩形孔内。

优选地，所述控制电机的单个最小旋转角度不大于1°，为伺服电机或带反馈功能的步进电机。

优选地，所述CCD相机的镜头为定焦广角镜头，等效焦距不超过30mm。

优选地，所述图像获取模块控制CCD相机获取图像的采样频率不得低于4Hz；所述图像对比分析模块对比处理一张图像所消耗的时间不超过0.2s。

基于图像技术的全自动摩擦角测量仪的测量过程如下，

(一)、根据试验的具体需要，选用合适的材料制作成摩擦板，并将摩擦板固定在动平台上，此时，动平台的初始位置应为水平状态；

(二)、将摩擦试验测试的物料对象，可以是散体颗粒，也可以是板状、片状材料，随意平铺在摩擦板的表面上，并将透明罩安装在动平台上加以固定；

(三)、处理器中的图像获取模块控制CCD相机获取摩擦板上测试物料的初始图像，用来作为后续图像比对的参照图像；

(四)、通过电机驱动处理器控制电机平稳地逆时针旋转，设置的旋转角度范围为0°～90°，控制电机开始执行电机驱动处理器的设置程序，低速平稳地逆时针旋转，同时，图像获取模块控制CCD相机连续地对摩擦板表面的物料状态进行图像采集并发送给处理器，图像对比分析模块将所获取的图像与初始图像进行比对处理；

(五)、当处理器中的图像比对处理结果显示摩擦板表面物料状态发生变化时，处理器发送指令给电机驱动处理器控制所述控制电机立即停止，此时，控制电机将已转过的角度发给处理器，由显示模块显示已转过的角度，即为试验所测得的摩擦角，所得摩擦角的数据误差不超过1.5°。

基于上述的摩擦角的测量过程，本发明具有的有益效果是：(一)、由于本发明所述的摩擦角测量仪的动平台上安装有透明罩，所以使用本发明所述装置开展的摩擦角试验是在一个封闭的环境中进行的，这排除了外界环境的干扰，尤其排除了气流扰动对轻质物料或材质的影响，使得试验结果更加客观；(二)、由于本发明所述的摩擦角测量仪是通过处理器图像处理的方式判断整个摩擦板的板面范围内物料是否发生运动并进而给控制电机发出停止指令，所以本发明所述的摩擦角测量仪能够广泛适应各种形态的物料摩擦角测试；(三)、鉴于本发明所采用的上述测量原理，本发明所述装置不仅能测量单个颗粒体的摩擦角，更能够测试颗粒群体与摩擦板之间的摩擦角，由于常见的散体颗粒之间一般都具有一定的差异性，所以这对散体颗粒群体的摩擦特性研究更有意义；(四)、本发明所述的摩擦角测量仪使用简单，并将人工干预和参与程度降到了最低，在按照试验要求设定好程序之后，在测试的全过程中，仅仅是在一开始放置物料时需要操作员手工放置，且该放置过程的要求十分低，只需将物料随意地铺放在摩擦板的表面即可。

附图说明

图1是基于图像技术的全自动摩擦角测量仪工作状态的透视轴测图；

图2是基于图像技术的全自动摩擦角测量仪在初始状态下的透视轴测图；

图3是基于图像技术的全自动摩擦角测量仪的承载部分的透视轴侧放大图；

图4是摩擦角测试过程的流程图。

图中：

1-CCD相机，2-透明罩，3-动平台，4-基座，6-控制电机，7-摩擦板，8-处理器，9-电机驱动处理器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1、图2、图3所示，本发明所提供的基于图像技术的全自动摩擦角测量仪，由承载部分和测控部分组成。

承载部分由基座4、动平台3、摩擦板7和透明罩2组成。

动平台3长410mm、宽300mm、厚20mm，从其右侧开始向左侧加工有一个梯形槽，梯形槽下宽280mm、上宽270mm、高10mm、深380mm；动平台3的上表面内外两侧分别加工有两个矩形槽，矩形槽长10mm、宽5mm、深15mm，位置要求上下、左右对称即可；

基座4长610mm、宽300mm、厚20mm。动平台3的左端与基座4的左端铰接。基座4和动平台3可由常见金属材料如45号钢制成。

摩擦板7的外形尺寸与动平台3上加工的梯形槽的尺寸一致，以能够顺利地插入梯形槽中为宜；摩擦板7的材料根据试验的实际需要选定，例如需要测试谷粒与不锈钢之间的摩擦角时，摩擦板7即选用不锈钢加工制成。

透明罩2呈立方体形状，由有机玻璃制成，长390mm、宽295mm，其高度以能够使顶部安装的CCD相机1拍摄到底部摩擦板7的全部范围内画面为准，在本实施方案中，透明罩2高200mm，顶部中央加工有一个矩形孔，其尺寸以能够安装固定CCD相机1为准；透明罩2的内外侧板的下部加工有能够与动平台3上表面内外两侧矩形槽相匹配的矩形销，并通过这四个矩形销与动平台3连接固定。

测控部分由控制电机6、电机驱动处理器9、处理器8和CCD相机1组成。

控制电机6为步进电机电机且带有反馈功能，功率不小于100W，能够执行的最小单步旋转角度，即步距角为0.9°，控制电机6的输出轴通过销轴5与动平台3左端相固连，用以驱动动平台3产生倾斜运动。控制电机6通过电线与电机驱动处理器9相连，控制电机6的运转由电机驱动处理器9来控制。

电机驱动处理器9和处理器8安放在基座4的右端，以不影响动平台3工作为准。电机驱动处理器9与处理器8电连接。

以标准的135相机为参照，CCD相机1的镜头配备的是等效焦距为28mm的定焦镜头，并安装在透明罩2的顶部中央位置，通过数据线与处理器8相连。

处理器8选用电脑，内存2G、CPU主频2.0、显存不小于512MB，内装有图像获取模块、图像对比分析模块，由matlab和VB混合编制而成。所述图像获取模块用于控制CCD相机1获取图像，所述图像对比分析模块用于对比分析所述CCD相机1所获取的图像、并将对比分析结果传输给电机驱动处理器9，所述显示模块用于显示控制电机6的旋转角度。

基于该实施方案所得装置的测试过程流程图如图4所示，具体的试验操作方法是：

第一步：操作员根据试验需要选用合适材料制作成如上所述的摩擦板7，并将其插入到动平台3的梯形槽内加以固定，并使动平台3处于初始位置即水平状态，如图2所示；

第二步：将摩擦试验测试的散体颗粒群随意地平铺在摩擦板7的表面上，并将透明罩2通过四个矩形销安装在动平台3上加以固定；

第三步：通过电机驱动处理器9设置控制电机6以0.45°/s即0.9°/2s的转速平稳地逆时针旋转，同时设置其旋转范围为0°～90°；

第四步：使用CCD相机1获取一张摩擦板7上散体颗粒群的初始照片并进行图像分析，用来作为后续图像比对的参照图像，并设置处理器8中的图像获取与处理分析软件控制CCD相机1以5Hz的采样频率获取摩擦板7上散体颗粒群的照片并启动程序开始正常采样和处理工作；

第五步：启动控制电机6开始执行电机驱动处理器10的设置程序，动平台3开始低速平稳地增大倾角、发生倾斜，同时，CCD相机1连续地对摩擦板7表面的散体颗粒群状态进行图像采集并发送给处理器8进行图像比对处理，单张图像比对处理所消耗的时间为0.1s；

第六步：当处理器8中的图像比对处理程序结果显示摩擦板7表面物料状态发生变化时，处理器8立即按照预先设置的程序向电机驱动处理器9发送停止中断指令，电机驱动处理器9进而发出指令使控制电机6立即停止运转，此时，电机驱动处理器9中记录的控制电机6已转过的角度即为试验所需要的摩擦角。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于图像技术的全自动摩擦角测量仪，其特征在于：由承载部分和测控部分组成，所述承载部分包括基座(4)、动平台(3)、摩擦板(7)和透明罩(2)，动平台(3)的左端与基座(4)的左端铰接；摩擦板(7)安装在动平台(3)上，透明罩(2)罩在动平台(3)上；所述测控部分包括控制电机(6)、电机驱动处理器(9)、处理器(8)和CCD相机(1)，控制电机(6)的输出轴通过销轴(5)与动平台(3)的左端相固连，控制电机(6)通过电线与电机驱动处理器(9)相连，CCD相机(1)安装在透明罩(2)的顶部中央位置，所述CCD相机(1)、控制电机(6)均通过数据线与处理器(8)相连，所述电机驱动处理器(9)与处理器(8)电连接，处理器(8)包括图像获取模块、图像对比分析模块和显示模块，所述图像获取模块用于控制CCD相机(1)获取图像，所述图像对比分析模块用于对比分析所述CCD相机(1)所获取的图像、并将对比分析结果传输给电机驱动处理器(9)，所述显示模块用于显示控制电机(6)的旋转角度。

2.根据权利要求1所述的基于图像技术的全自动摩擦角测量仪，其特征在于：所述动平台(3)上设有尺寸略大于与摩擦板(7)的尺寸相同的梯形槽，所述摩擦板(7)装在所述梯形槽内、且与梯形槽间隙配合。

3.根据权利要求1所述的基于图像技术的全自动摩擦角测量仪，其特征在于：所述透明罩(2)呈立方体形状，透明罩(2)的顶面中央位置加工有矩形孔，CCD相机(1)安装在所述矩形孔内。

4.根据权利要求1所述的基于图像技术的全自动摩擦角测量仪，其特征在于：所述控制电机(6)的单个最小旋转角度不大于1°，为伺服电机或带反馈功能的步进电机。

5.根据权利要求1所述的基于图像技术的全自动摩擦角测量仪，其特征在于：所述CCD相机(1)的镜头为定焦广角镜头，等效焦距不超过30mm。

6.根据权利要求1所述的基于图像技术的全自动摩擦角测量仪，其特征在于：所述图像获取模块控制CCD相机(1)获取图像的采样频率不得低于4Hz；所述图像对比分析模块对比处理一张图像所消耗的时间不超过0.2s。