CN107941479A - 一种智能滚动接触疲劳试验系统及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种智能滚动接触疲劳试验系统及其测试方法，其针对现有滚动接触疲劳试验机不能量化评估疲劳失效、不能精准获得材料接触疲劳数据等问题，设计了基于机器视觉技术的疲劳状态监测及量化评估系统，该系统通过图像处理技术等可量化评估滚子试件疲劳失效状态，并可获得材料接触疲劳失效的数据。
Description
技术领域
本发明涉及机械疲劳测试领域。
背景技术
滚动接触疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等机械零件失效中大约有80％以上属于接触疲劳破坏，而且破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故。所以精准获取材料疲劳性能是解决基础零部件、基础工艺、基础材料落后问题的关键途径之一。
国内外相关研发机构及企业推出了满足不同试验需求的多种滚动接触疲劳试验机，但存在很多不足，主要表现在:设备稳定性、可靠性不高；只能单目标测试，试验效率低；试验环境恶劣，人员需长期值守，劳动强度大，参与积极性不高；失效情况需停机后人为主观判断，无法实现设备连续测试运转，导致不能精准获取材料接触疲劳强度数据，严重制约了相应材料性能基础数据库的建立。
发明内容
本发明针对现有滚动接触疲劳试验机不能量化评估疲劳失效、不能精准获得材料接触疲劳数据等问题，设计了基于机器视觉技术的疲劳状态监测及量化评估系统，该系统通过图像处理技术等可量化评估滚子试件疲劳失效状态，并可获得材料接触疲劳失效的数据。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种智能滚动接触疲劳试验系统，其特征在于:主要包括主试验系统、加载系统和陪试系统。
所述主试验系统和陪试系统安装在同一个实验平台上。
所述主试验系统主要包括主试验系统底座、主试轴驱动伺服电机、主试验箱体、主试系统移动滑块、主试系统移动导轨和主试箱体底座。
所述主试验箱体主要包括主轴A、两个密封端盖、箱体、传感器座圈A。所述主轴A通过轴承安装在箱体内。所述箱体的两端通过带有油封的密封端盖封堵。所述主轴A的两端穿出箱体两端的密封端盖，其一端接入所述主试轴驱动伺服电机、另一端安装滚子试件。
所述传感器座圈A安装在其中一个密封端盖上。加速度传感器安装在所述传感器座圈A上。所述主试验箱体的底部固定在主试验系统底座上。所述主试验系统底座通过主试系统移动滑块安装在主试系统移动导轨上。所述主试系统移动导轨固定在所述实验平台上。所述主试验箱体沿主试系统移动导轨滑动的方向垂直于主轴A的轴向。
所述陪试系统包括陪试箱体、陪试件陪试箱底座和陪试轴驱动伺服电机。
所述陪试箱体主要包括主轴B、两个密封端盖、箱体。所述主轴B通过轴承安装在箱体内。所述箱体的两端通过带有油封的密封端盖封堵。所述主轴B的两端穿出箱体两端的密封端盖，其一端接入所述陪试轴驱动伺服电机、另一端安装陪试件。所述陪试箱体固定在实验平台上。所述陪试件的形状和尺寸与滚子试件相同。实验时，
所述加载系统主要包括一个通过驱动电机驱动的伺服电缸。所述伺服电缸的安装底座固定在所述主试验系统的一侧。伺服电缸的伸缩端安装压力传感器。所述压力传感器与主试验箱体接触。所述伺服电缸推动主试验箱体沿主试系统移动导轨移动时，所述压力传感器测量加载在主试验箱体上的载荷。实验时，加载系统推动主试验箱体，使得陪试件与滚子试件接触。
进一步，所述实验平台包括一个试验机底座。所述试验机底座的主体部分是一个柜体。该柜体下端安装滑轮、上表面是主、陪试箱体底座。所述主、陪试箱体底座是一个水平台面。
进一步，所述主试验箱体的箱体包括箱盖A、箱盖板A和下箱体A。所述下箱体A中空，其两端具有主轴孔。下箱体A内部安装主轴A、轴承NJ314A和轴承NJ310A。
所述下箱体A的上端敞口被箱盖A封闭。所述箱盖A具有一个检查孔。所述检查孔被箱盖板A封闭。
所述轴承NJ314A和轴承NJ310A的外圈固定在下箱体A中。所述主轴A穿过并固定在轴承NJ314A和轴承NJ310A的内圈。
所述主试验箱体的左侧的密封端盖包括骨架油封IA和左端盖A。所述主轴A的左侧穿过左端盖A的中心孔。所述左端盖A封闭下箱体A左侧的主轴孔。所述左端盖A面向主试验箱体内部的一侧安装骨架油封IA。所述主轴A穿过骨架油封IA。
所述主试验箱体的右侧的密封端盖包括骨架油封IIA和右端盖A。所述主轴A的右侧穿过右端盖A的中心孔。所述右端盖A封闭下箱体A右侧的主轴孔。所述右端盖A面向主试验箱体内部的一侧安装骨架油封IIA。所述主轴A穿过骨架油封IIA。
所述主轴A是通过轴端连接件A和滚子试件安装座A安装滚子试件。所述轴端连接件A是一个回转体，它通过键槽连接的方式，套装在主轴A的一端。轴端连接件A随着主轴A旋转。所述滚子试件安装座A是一个回转体，它的一端通过螺栓IIIA连接在轴端连接件A的端面、另一端固定滚子试件。陪试箱体的箱体包括箱盖B、箱盖板B和下箱体B。所述下箱体B中空，其两端具有主轴孔。下箱体B内部安装主轴B、轴承NJ314B和轴承NJ310B。
所述下箱体B的上端敞口被箱盖B封闭。所述箱盖B具有一个检查孔。所述检查孔被箱盖板B封闭。
所述轴承NJ314B和轴承NJ310B的外圈固定在下箱体B中。所述主轴B穿过并固定在轴承NJ314B和轴承NJ310B的内圈。
所述主试验箱体的左侧的密封端盖包括骨架油封IB和左端盖B。所述主轴B的左侧穿过左端盖B的中心孔。所述左端盖B封闭下箱体B左侧的主轴孔。所述左端盖B面向主试验箱体内部的一侧安装骨架油封IB。所述主轴B穿过骨架油封IB。
所述主试验箱体的右侧的密封端盖包括骨架油封IIB和右端盖B。所述主轴B的右侧穿过右端盖B的中心孔。所述右端盖B封闭下箱体B右侧的主轴孔。所述右端盖B面向主试验箱体内部的一侧安装骨架油封IIB。所述主轴B穿过骨架油封IIB。
所述主轴B是通过轴端连接件B和滚子试件安装座B安装陪试件。所述轴端连接件B是一个回转体，它通过键槽连接的方式，套装在主轴B的一端。轴端连接件B随着主轴B旋转。所述滚子试件安装座B是一个回转体，它的一端通过螺栓IIIB连接在轴端连接件B的端面、另一端固定陪试件。4.根据权利要求1所述的一种智能滚动接触疲劳试验系统，其特征在于：还包括控制箱。通过所述控制箱来控制陪试轴驱动伺服电机和主试轴驱动伺服电机。
进一步，还包括润滑系统。所述润滑系统包括润滑油箱、油泵电机、油泵和润滑油壳。
所述油泵电机驱动油泵，使得润滑油箱的润滑油被抽出，并对主试验系统、加载系统和陪试系统提供润滑油。
所述润滑油壳上端敞口。所述润滑油壳位于滚子试件下方。润滑油箱中的润滑油喷向滚子试件后，汇集到润滑油壳中，并重新回流润滑油箱。
基于上述智能滚动接触疲劳试验系统的滚动接触疲劳试验方法，其特征在于：
包括一个测试装置。所述测试装置包括：光源、CCD相机和监测辅助装置。
所述光源为环形光源。所述光源环绕在CCD相机的镜筒上。
所述监测辅助装置包括箱体、油盒、润滑油管、竖直挡油板、倾斜挡油板和旋转毛刷。
所述箱体由顶板、左侧板、后侧板和前侧板组成。所述箱体下端的敞口扣在油盒上。
所述左侧板开孔。所述CCD相机和光源面向左侧板的开孔。
所述后侧板上面安装两个转轴。这两个转轴被连接直流电机的传动轴同时驱动。这两个转轴分别安装滚子试件和旋转毛刷。所述滚子试件面对CCD相机。
所述顶板上安装有润滑油喷头和竖直挡油板。所述润滑油喷头通过润滑油管供油。。所述竖直挡油板位于滚子试件的上方，所述竖直挡油板处于润滑油喷头与左侧板之间。所述倾斜挡油板的一侧连接在后侧板上。所述倾斜挡油板位于滚子试件的下方。
测试时，包括以下步骤：
1〕利用智能滚动接触疲劳试验系统，使得滚子试件与陪试件相互接触、相互滚压。此过程中，记录压力传感器测得的载荷、加速度传感器测得的振动数据。
2〕在试验所设定的时间结束后，将滚子试件安装在监测辅助装置中，在润滑油喷射的状态下，使滚子试件与旋转毛刷同时旋转。
3〕调整CCD相机，动态采集滚子试件的表面图像。
4〕图像预处理：采用图像增强算法提高图像的锐化程度后，采用阈值算法确定图像亮区域并通过区域相减获得亮ROI图块。
5〕图像处理：采用边缘模板匹配算法进行滚子试件整周图像拼接，采取阈值算法获取点蚀孔洞，并对凸显缺陷区域进行形态学分析。
6〕图像后处理：对图像缺陷区域进行连通域分析，根据特征挑选点蚀区域，并根据相机像素当量计算出点蚀区域的面积并对疲劳失效状态进行量化评估。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，智能滚动接触疲劳试验系统是研究轴承、齿轮、轴等关键基础零部件疲劳失效机理的重要装备，本发明针对现有滚动接触疲劳试验机不能量化评估滚子试件表面疲劳缺陷状态的现状，设计的基于机器视觉技术的滚子试件表面疲劳缺陷监测系统，有利于获取准确可靠的材料接触疲劳数据，对实现工业强基工程，解决基础零部件、基础工艺、基础材料落后等问题具有十分重要的意义。同时该类系统可增强轴承、齿轮、轴等关键基础零部件企业的研发实力和经济实力。
附图说明
图1 接触疲劳试验系统机械部分总布局
图2 主、陪试验系统主视图；
图3 主、陪试验系统俯视图；
图4 主、陪试验系统左视图；
图5 润滑系统俯视图；
图6 润滑系统主视图；
图7 润滑系统左视图；
图8 主试验箱体305结构图；
图9 陪试箱体705结构图。
图10 监测系统辅助装置
图11 监测系统辅助装置俯视图
图12 辅助装置内部结构图
图13 滚子试件表面图像采集处理流程
图14 动态采集图像
图15 图像增强效果图
图16 灰度特征直方图
图17 阈值处理
图18 孔洞填充算法处理
图19 区域相减
图20 阈值处理结果
图21 形态学分析
图22 特征挑选
图23 点蚀孔洞面积计算
图中：试验机底座1、主、陪试箱体底座2、主试验系统3、加载系统4、控制箱5、触摸显示屏6、陪试系统7、试验机润滑系统8、
主试验系统底座301、主试轴驱动伺服电机302、主试轴联轴器303、主试轴转动盘304、主试验箱体305、滚子试件306、润滑油壳307、主试系统移动滑块308、主试系统移动导轨309、主试箱体底座310、主轴A3051、骨架油封IA3052、右端盖A3053、箱盖A3054、螺栓IA3055、箱盖板A3056、轴承NJ314A3057、轴承内挡圈A3058、轴承外挡圈IA3059、传感器座圈A30510、轴端连接件A30511、螺栓IIA30512、滚子试件安装座A30513、螺栓IIIA30514、螺栓IVA30515、左端盖A30517、骨架油封IIA30516、铜挡圈A30518、轴承NJ310A30519、轴承外挡圈IIA30520、螺栓VA30521、下箱体A30522、螺栓VIA30523。
压力传感器401、伺服电缸402、伺服电缸驱动电机403、直角减速机404、伺服电缸安装底座405、主试件加载装置406、
陪试箱底座701、陪试轴驱动伺服电机702、陪试轴联轴器703、陪试轴联轴器704、陪试箱体705、陪试件706、
润滑油箱811油泵电机805、油泵806、润滑油壳307油箱液位计812、润滑管路压力表813
直流电机S1、监测辅助装置S2、光源S3、镜筒S4、CCD相机S5、工作台S6、相机安装座S7、镜片S8、油盒S9、轴承座底座S10、传动轴S12、直流电机座S13、润滑油喷头S201、润滑油管S202、竖直挡油板S203、顶板S204、左侧板S205、后侧板S206、滚子试件306、右侧板S208、倾斜挡油板S209、旋转毛刷S210、前侧板S211。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
一种智能滚动接触疲劳试验系统，其特征在于:主要包括主试验系统3、加载系统4和陪试系统7。
所述主试验系统3和陪试系统7安装在同一个实验平台上。
所述主试验系统3主要包括主试验系统底座301、主试轴驱动伺服电机302、主试验箱体305、主试系统移动滑块308、主试系统移动导轨309和主试箱体底座310。
所述主试验箱体305主要包括主轴A3051、两个密封端盖、箱体、传感器座圈A30510。所述主轴A3051通过轴承安装在箱体内。所述箱体的两端通过带有油封的密封端盖封堵。所述主轴A3051的两端穿出箱体两端的密封端盖，其一端接入所述主试轴驱动伺服电机302、另一端安装滚子试件306。所述滚子试件306是一个金属圆柱体，其一端具有连接孔。
所述传感器座圈A30510安装在其中一个密封端盖上。加速度传感器安装在所述传感器座圈A30510上。所述加速度传感器用于测量振动，将其底部固定在传感器座圈A30510上即可。所述传感器座圈A30510与主轴A3051同心。所述主试验箱体305的底部固定在主试验系统底座301上。所述主试验系统底座301通过主试系统移动滑块308安装在主试系统移动导轨309上。所述主试系统移动导轨309固定在所述实验平台上。所述主试验箱体305沿主试系统移动导轨309滑动的方向垂直于主轴A3051的轴向。
所述陪试系统7包括陪试箱体705、陪试件706陪试箱底座701和陪试轴驱动伺服电机702。
所述陪试箱体705主要包括主轴B7051、两个密封端盖、箱体。所述主轴B7051通过轴承安装在箱体内。所述箱体的两端通过带有油封的密封端盖封堵。所述主轴B7051的两端穿出箱体两端的密封端盖，其一端接入所述陪试轴驱动伺服电机702、另一端安装陪试件706。所述陪试箱体705固定在实验平台上。所述陪试件706的形状和尺寸与滚子试件306相同。实验时，
所述加载系统4主要包括一个通过驱动电机403驱动的伺服电缸402。实施例中，驱动电机403通过直角减速机404驱动伺服电缸402。所述伺服电缸的安装底座405固定在所述主试验系统3的一侧。伺服电缸402的伸缩端安装压力传感器401。所述压力传感器401与主试验箱体305接触。所述伺服电缸402推动主试验箱体305沿主试系统移动导轨309移动时，所述压力传感器401测量加载在主试验箱体305上的载荷。实验时，加载系统4推动主试验箱体305，使得陪试件706与滚子试件306接触。二者均被驱动滚动。
实施例中，所述实验平台包括一个试验机底座1。所述试验机底座1的主体部分是一个柜体。该柜体下端安装滑轮、上表面是主、陪试箱体底座2。所述主、陪试箱体底座2是一个水平台面。
实施例中，所述主试验箱体305的箱体包括箱盖A3054、箱盖板A3056和下箱体A30522。所述下箱体A30522中空，其两端具有主轴孔。下箱体A30522内部安装主轴A3051、若干个轴承NJ314A3057和若干个轴承NJ310A30519。
所述下箱体A30522的上端敞口被箱盖A3054封闭。所述箱盖A3054具有一个检查孔。所述检查孔被箱盖板A3056封闭。所述箱盖板A3056通过螺栓IA3055固定于检查孔周边的螺孔中。
所述轴承NJ314A3057和轴承NJ310A30519的外圈固定在下箱体A30522中。所述主轴A3051穿过并固定在轴承NJ314A3057和轴承NJ310A30519的内圈。
所述主试验箱体305的左侧的密封端盖包括骨架油封IA3052和左端盖A30516。所述主轴A3051的左侧穿过左端盖A30516的中心孔。所述左端盖A3053封闭下箱体A30522左侧的主轴孔。左端盖A30516通过螺栓VIA30523固定在下箱体A30522左侧主轴孔的四周。所述左端盖A30516面向主试验箱体305内部的一侧安装骨架油封IA3052。所述主轴A3051穿过骨架油封IA3052。
所述主试验箱体305的右侧的密封端盖包括骨架油封IIA30516和右端盖A3053。所述主轴A3051的右侧穿过右端盖A3053的中心孔。所述右端盖A3053封闭下箱体A30522右侧的主轴孔。右端盖A3053通过螺栓VA30521固定在下箱体A30522右侧主轴孔的四周。所述右端盖A3053面向主试验箱体305内部的一侧安装骨架油封IIA30516。所述主轴A3051穿过骨架油封IIA30516。
所述主轴A3051是通过轴端连接件A30511和滚子试件安装座A30513安装滚子试件306。所述轴端连接件A30511是一个回转体，它通过键槽连接的方式，套装在主轴A3051的一端。轴端连接件A30511随着主轴A3051旋转。螺栓IIA30512旋入所述轴端连接件A30511和主轴A3051的旋转中心，以此方式将二者连接在一起。所述滚子试件安装座A30513是一个回转体，它的一端通过螺栓IIIA30514连接在轴端连接件A30511的端面、另一端固定滚子试件306。实施例中，滚子试件306的连接孔嵌套在安装座A30513上，滚子试件306和安装座A30513的端面均具有轴向的螺纹孔同轴，可以通过螺栓将二者连接。
所述传感器座圈A30510是一个金属环。这个金属环通过螺栓IVA30515固定在左端盖A30517上。轴端连接件A30511穿过这个金属环。所述轴端连接件A30511与传感器座圈A30510同轴，二者之间具有间隙。
陪试箱体705的箱体包括箱盖B7054、箱盖板B7056和下箱体B70522。所述下箱体B70522中空，其两端具有主轴孔。下箱体B70522内部安装主轴B7051、若干个轴承NJ314B7057和若干个轴承NJ310B70519。
所述下箱体B70522的上端敞口被箱盖B7054封闭。所述箱盖B7054具有一个检查孔。所述检查孔被箱盖板B7056封闭。所述箱盖板B7056通过螺栓IB7055固定于检查孔周边的螺孔中。
所述轴承NJ314B7057和轴承NJ310B70519的外圈固定在下箱体B70522中。所述主轴B7051穿过并固定在轴承NJ314B7057和轴承NJ310B70519的内圈。
所述主试验箱体305的左侧的密封端盖包括骨架油封IB7052和左端盖B70516。所述主轴B7051的左侧穿过左端盖B70516的中心孔。所述左端盖B7053封闭下箱体B70522左侧的主轴孔。左端盖B70516通过螺栓VIB70523固定在下箱体B70522左侧主轴孔的四周。所述左端盖B70516面向主试验箱体305内部的一侧安装骨架油封IB7052。所述主轴B7051穿过骨架油封IB7052。
所述主试验箱体305的右侧的密封端盖包括骨架油封IIB70516和右端盖B7053。所述主轴B7051的右侧穿过右端盖B7053的中心孔。所述右端盖B7053封闭下箱体B70522右侧的主轴孔。右端盖B7053通过螺栓VB70521固定在下箱体B70522右侧主轴孔的四周。所述右端盖B7053面向主试验箱体305内部的一侧安装骨架油封IIB70516。所述主轴B7051穿过骨架油封IIB70516。
所述主轴B7051是通过轴端连接件B70511和滚子试件安装座B70513安装陪试件706。所述轴端连接件B70511是一个回转体，它通过键槽连接的方式，套装在主轴B7051的一端。轴端连接件B70511随着主轴B7051旋转。螺栓IIB70512旋入所述轴端连接件B70511和主轴B7051的旋转中心，以此方式将二者连接在一起。所述滚子试件安装座B70513是一个回转体，它的一端通过螺栓IIIB70514连接在轴端连接件B70511的端面、另一端固定陪试件706。实施例中，陪试件706的连接孔嵌套在安装座B70513上，陪试件706和安装座B70513的端面均具有轴向的螺纹孔同轴，可以通过螺栓将二者连接。
实施例中，还包括控制箱5。通过所述控制箱5来控制陪试轴驱动伺服电机702和主试轴驱动伺服电机302的转速、扭矩等。
实施例中，还包括润滑系统。所述润滑系统包括润滑油箱811、油泵电机805、油泵806和润滑油壳307。
所述油泵电机805驱动油泵806，使得润滑油箱811的润滑油被抽出，并对主试验系统3、加载系统4和陪试系统7提供润滑油。
所述润滑油壳307上端敞口。所述润滑油壳307位于滚子试件306下方。润滑油箱811中的润滑油喷向滚子试件306后，汇集到润滑油壳307中，并重新回流润滑油箱811。
实施例中，所述润滑油箱811带有油箱液位计812和润滑管路压力表813。
实施例2：
一种基于实施例1所述的智能滚动接触疲劳试验系统的滚动接触疲劳试验方法，
获取试件表面满足试验要求的疲劳缺陷图像是进行滚子试件表面疲劳缺陷精准量化评估的关键，本发明基于机器视觉技术采用CCD相机、光源、监测辅助装置等搭建了满足滚动接触疲劳试验要求的滚子试件表面疲劳缺陷图像采集环境及系统，融合多种图像处理算法编写图像采集处理程序对试件表面图像进行周向拼接和处理，并获得精准的点蚀区域面积。图像采集、处理流程如图13所示。
所述测试装置包括：光源S3、CCD相机S5和监测辅助装置S2。
所述光源S3为环形光源。所述光源S3环绕在CCD相机S5的镜筒S4上。即CCD相机S5的镜片S8位于光源S3的中心。
所述监测辅助装置S2包括箱体、油盒S9、润滑油管S202、竖直挡油板S203、倾斜挡油板S209和旋转毛刷S210。
所述箱体由顶板S204、左侧板S205、后侧板S206和前侧板S211组成。所述箱体下端的敞口扣在油盒S9上。
所述左侧板S205开孔。所述CCD相机S5和光源S3面向左侧板S205的开孔。
所述后侧板S206上面安装两个转轴。这两个转轴被连接直流电机的传动轴S12同时驱动，二者旋向相反。这两个转轴分别安装滚子试件306和旋转毛刷S210。所述滚子试件306面对CCD相机S5。
所述顶板S204上安装有润滑油喷头S201和竖直挡油板S203。所述润滑油喷头S201通过润滑油管S202供油。所述润滑油喷头S201向滚子试件306喷油。所述旋转毛刷S210刷匀滚子试件306表面的润滑油。所述竖直挡油板S203位于滚子试件306的上方，所述竖直挡油板S203处于润滑油喷头S201与左侧板S205之间，避免润滑油飞溅影响CCD相机S5工作。所述倾斜挡油板S209的一侧连接在后侧板S206上。所述倾斜挡油板S209位于滚子试件306的下方，使得旋转毛刷S210刷除的润滑油汇入油盒S9，避免飞溅，进而重新循环使用。
实施例中，测试装置包括工作台S6和相机安装座S7。
所述油盒S9和相机安装座S7固定在工作台S6上。所述CCD相机S5被架设在相机安装座S7上。
由图13可看出，滚子试件表面图像采集处理的基本流程是：在进行滚子试件表面监测前，首先需调整相机的工作距离，并对相机像素进行当量标定，并根据单片机记录的脉冲个数出发相机进行试件表面动态图像采集，采集到的图像处理流程分为三步。
即，测试时，包括以下步骤：
1〕利用智能滚动接触疲劳试验系统，使得滚子试件306与陪试件706相互接触、相互滚压。此过程中，记录压力传感器401测得的载荷、加速度传感器测得的振动数据。
2〕在试验所设定的时间结束后，将滚子试件306安装在监测辅助装置S2中，在润滑油喷射的状态下，使滚子试件306与旋转毛刷S210同时旋转。
3〕调整CCD相机S5，动态采集滚子试件306的表面图像。
4〕图像预处理：采用图像增强算法提高图像的锐化程度后，采用阈值算法确定图像亮区域并通过区域相减获得亮ROI图块。
5〕图像处理：采用边缘模板匹配算法进行滚子试件306整周图像拼接，采取阈值算法获取点蚀孔洞，并对凸显缺陷区域进行形态学分析。
6〕图像后处理：对图像缺陷区域进行连通域分析，根据特征挑选点蚀区域，并根据相机像素当量计算出点蚀区域的面积并对疲劳失效状态进行量化评估。
值得说明的是，滚子试件是圆柱形的弧面，且光路具有放射和漫反射特性。因此，采用低角度环形光搭建光路环境，并标定相机像素当量，便于获取单个像素的实际大小。本系统通过STM32单片机采集编码器的脉冲并累加到指定的数量并外触发拍照。
相机获取的动态图像(如图14)通过halcon软件工具箱中的图像增强算法提高图像锐化度，锐化的数学原理如下：
设原图像矩阵为X，经中值滤波的图像矩阵为Y，对比度系数a,输出图像矩阵Z，则图像增强原理公式为：Z＝((X-Y)*a)+X,图像增强后的效果如图15。
通过分析图像灰度特征直方图(如图16)，采用基于色差的固定阈值图像分割算法，算法原理表达式为：
以T0＝30为临界值，分割出亮区域(如图8)。并且使用bolb分析获取完整的亮区域(如图9)。通过区域相减算法获取亮区域图块(如图19)，选择每幅图像公共部分作为模板，使用边缘灰度模板匹配算法，定位到每幅图模板区域位置，然后使用放射变换算法使公共区域重叠，从而实现ROI区域的拼接，得到试件整周表面的图像。
对拼接后的图像进行阈值算法处理，获取图像的点蚀孔洞部分(如图20)，并对提取的缺陷部分进行形态学处理以获得缺陷部分的完整性(如图21)。对提取缺损的区域进行8连通域分析，然后对每一个区域进行特征分析使用区域的面积和高度特征挑选出试件的缺陷部分(如图22)。使用区域面积分析算法获取区域面积像素个数15354(如图23)。
根据标定结果获取区域面积实际大小，即可量化评估滚子试件表面缺陷程度。
Claims (6)
1.一种智能滚动接触疲劳试验系统，其特征在于:主要包括所述主试验系统(3)、加载系统(4)和陪试系统(7)；
所述主试验系统(3)和陪试系统(7)安装在同一个实验平台上；
所述主试验系统(3)主要包括主试验系统底座(301)、主试轴驱动伺服电机(302)、主试验箱体(305)、主试系统移动滑块(308)、主试系统移动导轨(309)和主试箱体底座(310)；
所述主试验箱体(305)主要包括主轴A(3051)、两个密封端盖、箱体、传感器座圈A(30510)；所述主轴A(3051)通过轴承安装在箱体内；所述箱体的两端通过带有油封的密封端盖封堵；所述主轴A(3051)的两端穿出箱体两端的密封端盖，其一端接入所述主试轴驱动伺服电机(302)、另一端安装滚子试件(306)；
所述传感器座圈A(30510)安装在其中一个密封端盖上；加速度传感器安装在所述传感器座圈A(30510)上；所述主试验箱体(305)的底部固定在主试验系统底座(301)上；所述主试验系统底座(301)通过主试系统移动滑块(308)安装在主试系统移动导轨(309)上；所述主试系统移动导轨(309)固定在所述实验平台上；所述主试验箱体(305)沿主试系统移动导轨(309)滑动的方向垂直于主轴A(3051)的轴向；
所述陪试系统(7)包括陪试箱体(705)、陪试件(706)陪试箱底座(701)和陪试轴驱动伺服电机(702)；
所述陪试箱体(705)主要包括主轴B(7051)、两个密封端盖、箱体；所述主轴B(7051)通过轴承安装在箱体内；所述箱体的两端通过带有油封的密封端盖封堵；所述主轴B(7051)的两端穿出箱体两端的密封端盖，其一端接入所述陪试轴驱动伺服电机(702)、另一端安装陪试件(706)；所述陪试箱体(705)固定在实验平台上；所述陪试件(706)的形状和尺寸与滚子试件(306)相同；实验时，
所述加载系统(4)主要包括一个通过驱动电机(403)驱动的伺服电缸(402)；所述伺服电缸的安装底座(405)固定在所述主试验系统(3)的一侧；伺服电缸(402)的伸缩端安装压力传感器(401)；所述压力传感器(401)与主试验箱体(305)接触；所述伺服电缸(402)推动主试验箱体(305)沿主试系统移动导轨(309)移动时，所述压力传感器(401)测量加载在主试验箱体(305)上的载荷；实验时，加载系统(4)推动主试验箱体(305)，使得陪试件(706)与滚子试件(306)接触。
2.根据权利要求1所述的一种智能滚动接触疲劳试验系统，其特征在于：所述实验平台包括一个试验机底座(1)；所述试验机底座(1)的主体部分是一个柜体；该柜体下端安装滑轮、上表面是主、陪试箱体底座(2)；所述主、陪试箱体底座(2)是一个水平台面。
3.根据权利要求1或2所述的一种智能滚动接触疲劳试验系统，其特征在于：所述主试验箱体(305)的箱体包括箱盖A(3054)、箱盖板A(3056)和下箱体A(30522)；所述下箱体A(30522)中空，其两端具有主轴孔；下箱体A(30522)内部安装主轴A(3051)、轴承NJ314A(3057)和轴承NJ310A(30519)；
所述下箱体A(30522)的上端敞口被箱盖A(3054)封闭；所述箱盖A(3054)具有一个检查孔；所述检查孔被箱盖板A(3056)封闭；
所述轴承NJ314A(3057)和轴承NJ310A(30519)的外圈固定在下箱体A(30522)中；所述主轴A(3051)穿过并固定在轴承NJ314A(3057)和轴承NJ310A(30519)的内圈。
所述主试验箱体(305)的左侧的密封端盖包括骨架油封IA(3052)和左端盖A(30516)；所述主轴A(3051)的左侧穿过左端盖A(30516)的中心孔；所述左端盖A(3053)封闭下箱体A(30522)左侧的主轴孔；所述左端盖A(30516)面向主试验箱体(305)内部的一侧安装骨架油封IA(3052)；所述主轴A(3051)穿过骨架油封IA(3052)；
所述主试验箱体(305)的右侧的密封端盖包括骨架油封IIA(30516)和右端盖A(3053)；所述主轴A(3051)的右侧穿过右端盖A(3053)的中心孔；所述右端盖A(3053)封闭下箱体A(30522)右侧的主轴孔；所述右端盖A(3053)面向主试验箱体(305)内部的一侧安装骨架油封IIA(30516)；所述主轴A(3051)穿过骨架油封IIA(30516)；
所述主轴A(3051)是通过轴端连接件A(30511)和滚子试件安装座A(30513)安装滚子试件(306)；所述轴端连接件A(30511)是一个回转体，它通过键槽连接的方式，套装在主轴A(3051)的一端；轴端连接件A(30511)随着主轴A(3051)旋转；所述滚子试件安装座A(30513)是一个回转体，它的一端通过螺栓IIIA(30514)连接在轴端连接件A(30511)的端面、另一端固定滚子试件(306)。
陪试箱体(705)的箱体包括箱盖B(7054)、箱盖板B(7056)和下箱体B(70522)；所述下箱体B(70522)中空，其两端具有主轴孔；下箱体B(70522)内部安装主轴B(7051)、轴承NJ314B(7057)和轴承NJ310B(70519)；
所述下箱体B(70522)的上端敞口被箱盖B(7054)封闭；所述箱盖B(7054)具有一个检查孔；所述检查孔被箱盖板B(7056)封闭；
所述轴承NJ314B(7057)和轴承NJ310B(70519)的外圈固定在下箱体B(70522)中；所述主轴B(7051)穿过并固定在轴承NJ314B(7057)和轴承NJ310B(70519)的内圈。
所述陪试箱体(705)的左侧的密封端盖包括骨架油封IB(7052)和左端盖B(70516)；所述主轴B(7051)的左侧穿过左端盖B(70516)的中心孔；所述左端盖B(7053)封闭下箱体B(70522)左侧的主轴孔；所述左端盖B(70516)面向主试验箱体(305)内部的一侧安装骨架油封IB(7052)；所述主轴B(7051)穿过骨架油封IB(7052)；
所述陪试箱体(705)的右侧的密封端盖包括骨架油封IIB(70516)和右端盖B(7053)；所述主轴B(7051)的右侧穿过右端盖B(7053)的中心孔；所述右端盖B(7053)封闭下箱体B(70522)右侧的主轴孔；所述右端盖B(7053)面向陪试箱体(705)内部的一侧安装骨架油封IIB(70516)；所述主轴B(7051)穿过骨架油封IIB(70516)；
所述主轴B(7051)是通过轴端连接件B(70511)和滚子试件安装座B(70513)安装陪试件(706)；所述轴端连接件B(70511)是一个回转体，它通过键槽连接的方式，套装在主轴B(7051)的一端；轴端连接件B(70511)随着主轴B(7051)旋转；所述滚子试件安装座B(70513)是一个回转体，它的一端通过螺栓IIIB(70514)连接在轴端连接件B(70511)的端面、另一端固定陪试件(706)。
4.根据权利要求1或3所述的一种智能滚动接触疲劳试验系统，其特征在于：还包括控制箱(5)；通过所述控制箱(5)来控制陪试轴驱动伺服电机(702)和主试轴驱动伺服电机(302)。
5.根据权利要求1或3所述的一种智能滚动接触疲劳试验系统，其特征在于：还包括润滑系统；所述润滑系统包括润滑油箱(811)、油泵电机(805)、油泵(806)和润滑油壳(307)；
所述油泵电机(805)驱动油泵(806)，使得润滑油箱(811)的润滑油被抽出，并对主试验系统(3)、加载系统(4)和陪试系统(7)提供润滑油；
所述润滑油壳(307)上端敞口；所述润滑油壳(307)位于滚子试件(306)下方；润滑油箱(811)中的润滑油喷向滚子试件(306)后，汇集到润滑油壳(307)中，并重新回流润滑油箱(811)。
6.一种基于权利要求1～5所述的智能滚动接触疲劳试验系统的滚动接触疲劳试验方法，其特征在于：
包括一个测试装置；所述测试装置包括：光源(S3)、CCD相机(S5)和监测辅助装置(S2)；
所述光源(S3)为环形光源；所述光源(S3)环绕在CCD相机(S5)的镜筒(S4)上；
所述监测辅助装置(S2)包括箱体、油盒(S9)、润滑油管(S202)、竖直挡油板(S203)、倾斜挡油板(S209)和旋转毛刷(S210)；
所述箱体由顶板(S204)、左侧板(S205)、后侧板(S206)和前侧板(S211)组成；所述箱体下端的敞口扣在油盒(S9)上；
所述左侧板(S205)开孔；所述CCD相机(S5)和光源(S3)面向左侧板(S205)的开孔；
所述后侧板(S206)上面安装两个转轴；这两个转轴被连接直流电机的传动轴(S12)同时驱动；这两个转轴分别安装滚子试件(306)和旋转毛刷(S210)；所述滚子试件(306)面对CCD相机(S5)；
所述顶板(S204)上安装有润滑油喷头(S201)和竖直挡油板(S203)；所述润滑油喷头(S201)通过润滑油管(S202)供油；；所述竖直挡油板(S203)位于滚子试件(306)的上方，所述竖直挡油板(S203)处于润滑油喷头(S201)与左侧板(S205)之间；所述倾斜挡油板(S209)的一侧连接在后侧板(S206)上；所述倾斜挡油板(S209)位于滚子试件(306)的下方；
测试时，包括以下步骤：
1〕利用智能滚动接触疲劳试验系统，使得滚子试件(306)与陪试件(706)相互接触、相互滚压；此过程中，记录压力传感器(401)测得的载荷、加速度传感器测得的振动数据；
2〕在试验所设定的时间结束后，将滚子试件(306)安装在监测辅助装置(S2)中，在润滑油喷射的状态下，使滚子试件(306)与旋转毛刷(S210)同时旋转；
3〕调整CCD相机(S5)，动态采集滚子试件(306)的表面图像；
4〕图像预处理：采用图像增强算法提高图像的锐化程度后，采用阈值算法确定图像亮区域并通过区域相减获得亮ROI图块。
5〕图像处理：采用边缘模板匹配算法进行滚子试件(306)整周图像拼接，采取阈值算法获取点蚀孔洞，并对凸显缺陷区域进行形态学分析。
6〕图像后处理：对图像缺陷区域进行连通域分析，根据特征挑选点蚀区域，并根据相机像素当量计算出点蚀区域的面积并对疲劳失效状态进行量化评估。
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