CN109559339B - 基于图像控制点配准的刚性表面接触过程分析方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于图像控制点配准的刚性表面接触过程分析方法及系统，首先通过三维高分辨率表面形貌测量技术测量零件表面得到三维高密度点云数据，然后利用MATLAB将其转化为灰度图像。通过提取图像上的缸孔、螺纹孔等特征获得特征点坐标，利用装配关系获得特征点坐标对应关系，求得仿射变换矩阵。最后利用仿射矩阵将两幅图变换到同一坐标系下并求出相同坐标位置的法向距离，获得初始面差图像。通过逐步减小二者法向距离可以分析两表面接触过程接触点的变化情况。本发明的接触分析方法，能够对零件面接触全局进行分析，计算效率高，避免了有限元方法的计算时间长、分析面积小的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及配合表面接触分析和图像处理技术领域，具体地，涉及基于图像控制点配准的刚性表面接触过程分析方法。尤其是采用专利文献CN103544694A方法生成能够反映零件整体表面形貌的灰度图像，提取相互配合的两表面的特征点，通过特征点点进行图像配准，获得两表面初始接触面差，并以图像形式展示面差逐渐缩小的接触过程。
背景技术
机械结合面间的接触行为在很大程度上影响着机械系统的摩擦磨损、配合性质、传动精度、密封性等性能，并直接影响机器的使用性能与寿命等特性。随着零件表面形貌检测技术的不断进步，研究者们发现当放大到一定尺度时任何表面都是粗糙不平的，任何两个机械加工表面的接触从微观尺度看都是粗糙表面上一系列微凸体之间的接触，具有接触的不均匀性。
传统的表面接触问题多采用有限元方法进行仿真计算。现有技术中，王立华在论文“机械结合面微观接触模型及接触特性研究”(《机械设计与研究》2015年第31卷第4期，69-74页)中基于ANSYS有限元软件对由扫描显微镜测量的1μm2表面形貌进行接触分析，得到了接触面积与接触载荷之间的关系曲线。由于有限元方法计算时间长，效率低，只能截取零件表面一小块面积进行分析，难以获得整个工件表面的接触特性。
专利文献WO2008070746A2名称为“SYSTEM AND METHOD FOR SHIFTING PHASE INA MULTI-WAVELENGTH INTERFEROMETRIC IMAGING SYSTEM”，提出的三维高分辨率表面形貌测量技术能够对零件表面形貌进行整体检测，能够生成反映零件整体表面形貌的三维高密度点云数据，该数据为X、Y、Z三维坐标格式，以及彩色编码的三维表面形貌图像。专利文献CN103544694A名称为“零件表面形貌三维高密度点云数据转化为灰度图像的方法”，提出了把测量点云转化为灰度图像的方法，可以对表面纹理进行表征分析。然而，这些方法仅对一个面进行分析，难以获得两个工件表面接触时实际接触面积与接触过程。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于图像控制点配准的刚性表面接触过程分析方法。
根据本发明提供的一种基于图像控制点配准的刚性表面接触过程分析方法，通过将测量得到的两表面点云数据转化为灰度图像，通过图像配准计算两表面面差，从而间接进行接触过程分析，其中，所述面差图像，即以图像形式表达两表面之间距离，图像灰度值与两表面距离成正比。
根据本发明提供的一种基于图像控制点配准的刚性表面接触过程分析方法，包括：
第一步：采用对测量表面点云数据进行处理，生成能够反映两配合表面形貌的灰度图像与二值图像；
第二步：对两表面二值图像进行区域标号，从而提取特征；
第三步：根据两表面实际装配要求对两表面图像进行特征配对，得到配对的特征点；
第四步：进行控制点配准；根据配对的特征点，以最小化配对点变换误差平方和为目标，通过配对特征点求解仿射变换矩阵；
第五步：根据所述仿射变换矩阵，求解面差图像并分析接触过程。
优选地，对两表面二值图像采用泛洪填充算法进行区域标号。
优选地，在第五步中，将待配准图像变换到基准图像坐标系下，计算初始面差图像，逐步缩小两表面距离，求出接触过程图像表征。
根据本发明提供的一种基于图像控制点配准的刚性表面接触过程分析系统，通过将测量得到的两表面点云数据转化为灰度图像，通过图像配准计算两表面面差，从而间接进行接触过程分析，其中，所述面差图像，即以图像形式表达两表面之间距离，图像灰度值与两表面距离成正比。
根据本发明提供的一种基于图像控制点配准的刚性表面接触过程分析系统，包括：
第一模块：采用对测量表面点云数据进行处理，生成能够反映两配合表面形貌的灰度图像与二值图像；
第二模块：对两表面二值图像进行区域标号，从而提取特征；
第三模块：根据两表面实际装配要求对两表面图像进行特征配对，得到配对的特征点；
第四模块：进行控制点配准；根据配对的特征点，以最小化配对点变换误差平方和为目标，通过配对特征点求解仿射变换矩阵；
第五模块：根据所述仿射变换矩阵，求解面差图像并分析接触过程。
优选地，对两表面二值图像采用泛洪填充算法进行区域标号。
优选地，在第五模块中，将待配准图像变换到基准图像坐标系下，计算初始面差图像，逐步缩小两表面距离，求出接触过程图像表征。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明生成的灰度图像，可以表征两个零件表面刚发生接触时整个面的初始面差，可以对整个面而非局部进行接触过程分析，计算时间短，效率高。克服了传统有限元接触分析计算时间长、效率低、无法进行全局分析的缺点。面差图像对于后续进一步两表面接触时的密封特性、泄漏路径与泄漏率的表征与计算提供了基础。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是缸体顶面特征标号图
图2是缸盖底面特征标号图
图3是缸体缸盖刚刚接触时面差图像
图4是缸体缸盖从刚开始接触至完全接触过程变化图
表1是缸体缸盖特征标号配对表
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
两刚性表面配合接触面差小，接触过程难以直接测量。为了避免对接触过程进行直接测量，本发明提出了一种基于图像控制点配准的刚性表面接触过程分析方法。通过测量两表面高清晰点云数据并转化为灰度图像，通过图像配准方法计算两表面面差，从而间接进行接触过程分析。该方法生成的面差图像可以有效反映两表面初始接触面差以及接触过程面差变化情况。其中，所述面差图像，即以图像形式表达两接触面之间距离，图像灰度值与两面距离成正比。
如图1、图2、图3和表1所示，本发明方法包括下述步骤：
第一步：通过采用三维高分辨率表面形貌测量技术对发动机缸体顶面和缸盖底面进行测量，得到三维高密度点云数据，该数据以X、Y、Z三维坐标格式显示，其X、Y方向分辨率均为150μm，Z方向测量精度为1μm，点云数据密度可达到每平方毫米40个测点，测点总数可达4百万点。用专利CN103544694A方法生成缸体顶面表面形貌的灰度图像G1，缸盖底面灰度图像G2与相应的二值图像B1、B2(灰度图像灰度值代表测点高度)。
第二步：对二值图像B1、B2采用泛洪填充算法进行区域标号，直到所有像素点都有一个确定的标号为止，如图1所示。对同一标号区域，求出所有点的坐标均值(质心坐标)，圆形区域则为圆心坐标。如销孔圆心、螺纹孔圆心等。
第三步：根据两表面实际装配要求对两表面图像进行特征配对，如表1所示。如通过同一根螺栓进行拧紧的螺纹孔等。
第四步：进行控制点配准。设缸体顶面G1为基准面，缸盖底面G2为待配准面，根据第三步配对的特征点，以最小化配对点变换误差平方和为目标求解仿射变换矩阵。
第五步：求解面差图像并分析接触过程。将待配准图像变换到基准图像坐标系下，计算初始面差图像，逐步缩小两表面距离，求出接触过程图像表征。根据第四步求出的仿射变换矩阵将G2变换到G1坐标系下。求出每一相同位置像素点的距离并映射成灰度图像，即初始面差图像，如图3所示，灰度值代表距离小大小。以一定步长逐步减小两表面距离，发生接触的点以像素1表示，未发生接触以及孔洞边缘区域以0表示，以二值图像形式表达逐步接近的过程，如图4所示。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
表1缸体缸盖特征标号配对表
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (4)
1.一种基于图像控制点配准的刚性表面接触过程分析方法，其特征在于，通过将测量得到的两表面点云数据转化为灰度图像，通过图像配准计算两表面面差，从而间接进行接触过程分析，其中，所述面差图像，即以图像形式表达两表面之间距离，图像灰度值与两表面距离成正比；
所述基于图像控制点配准的刚性表面接触过程分析方法，包括：
第一步：采用对测量表面点云数据进行处理，生成能够反映两配合表面形貌的灰度图像与二值图像；
第二步：对两表面二值图像进行区域标号，从而提取特征；
第三步：根据两表面实际装配要求对两表面图像进行特征配对，得到配对的特征点；
第四步：进行控制点配准；根据配对的特征点，以最小化配对点变换误差平方和为目标，通过配对特征点求解仿射变换矩阵；
第五步：根据所述仿射变换矩阵，求解面差图像并分析接触过程；
将待配准图像变换到基准图像坐标系下，计算初始面差图像，逐步缩小两表面距离，求出接触过程图像表征；根据第四步求出的仿射变换矩阵将待配准图像变换到基准图像坐标系下；求出每一相同位置像素点的距离并映射成灰度图像，即初始面差图像，灰度值代表距离小大小；以一定步长逐步减小两表面距离，发生接触的点以像素1表示，未发生接触以及孔洞边缘区域以0表示，以二值图像形式表达逐步接近的过程。
2.根据权利要求1所述的基于图像控制点配准的刚性表面接触过程分析方法，其特征在于，对两表面二值图像采用泛洪填充算法进行区域标号。
3.一种基于图像控制点配准的刚性表面接触过程分析系统，其特征在于，通过将测量得到的两表面点云数据转化为灰度图像，通过图像配准计算两表面面差，从而间接进行接触过程分析，其中，所述面差图像，即以图像形式表达两表面之间距离，图像灰度值与两表面距离成正比；
所述基于图像控制点配准的刚性表面接触过程分析系统，包括：
第一模块：采用对测量表面点云数据进行处理，生成能够反映两配合表面形貌的灰度图像与二值图像；
第二模块：对两表面二值图像进行区域标号，从而提取特征；
第三模块：根据两表面实际装配要求对两表面图像进行特征配对，得到配对的特征点；
第四模块：进行控制点配准；根据配对的特征点，以最小化配对点变换误差平方和为目标，通过配对特征点求解仿射变换矩阵；
第五模块：根据所述仿射变换矩阵，求解面差图像并分析接触过程；
将待配准图像变换到基准图像坐标系下，计算初始面差图像，逐步缩小两表面距离，求出接触过程图像表征；根据第四步求出的仿射变换矩阵将待配准图像变换到基准图像坐标系下；求出每一相同位置像素点的距离并映射成灰度图像，即初始面差图像，灰度值代表距离小大小；以一定步长逐步减小两表面距离，发生接触的点以像素1表示，未发生接触以及孔洞边缘区域以0表示，以二值图像形式表达逐步接近的过程。
4.根据权利要求3所述的基于图像控制点配准的刚性表面接触过程分析系统，其特征在于，对两表面二值图像采用泛洪填充算法进行区域标号。
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