[发明专利]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

说明书

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。

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。