CN102914479A - 布氏硬度自动测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明的优点包括：1.利用计算机图像识别代替了人工检测法，可快速、准确地测定布氏硬度，克服了现有技术中需人工干预、主观性强、检测精度低、对待测试件表面质量要求高等缺陷；2.采用内部光学***获取压痕图像，具有成本低、图像质量高和便于携带操作的优点；3.利用图像处理技术科学地描述压痕形状特征，能够客观地反映压痕边缘的细微变化，并利用压痕边缘曲率变化，剔除由表面质量差造成的噪声边缘，提高了硬度测定的精确度；4.根据本发明的方法编制的计算机图像测定***，具有好的扩展能力，对各类试件表面质量的适应度高，具有自动化程度高、操作快速、简便的特点。

Description

布氏硬度自动测定方法

技术领域

本发明涉及一种布氏硬度自动测定方法,属于计算机图像处理技术领域。具体而言是一种利用图像处理技术进行布氏硬度快速自动测定的方法。

背景技术

布氏硬度测定的基本原理：对一个标准硬度球形压头施以一定的压力，将其压入被测物体表面，卸去载荷后被测物体将残留的一个圆形压痕，根据压痕的大小来确定材料的硬度值。硬度值按压头直径、载荷和压痕直径的大小根据公式计算而得。其中，压痕直径通常用显微镜人工观测读数，或是运用数字摄像头获取压痕图像后，人工选取压痕边界点并推算压痕直径。它们主要依赖于人眼观察，要求测试人员具备一定工作经验与专业技能、测定效率较低，且容易引起人为误差，造成不同操作者间测定的结果相异。

目前，本领域正在寻求布氏硬度压痕直径快速自动测定方法。一种方案是，利用CCD相机获取压痕图像，运用图像处理技术实现对压痕尺寸的自动精确测量。但是由于所测量的试件表面质地不同,所采集压痕图像中往往存在较多噪声成分，降低了压痕边缘提取的准确度与试件硬度测量的精确度。

为了保证压痕直径的精确测量，国家标准（GB/T231.1-2009）中要求试件表面应平坦光滑，并且不应有氧化皮及外界污物等，并建议表面粗糙度参数Ra不大于1.6μm。因此，需要通过机械方法(上磨床)或手工方法，对被测表面进行研磨修整，使试样的被测表面粗糙度达到检侧条件。修整后试件表面粗糙度值较低，在采集压痕图像时，其成像质量较好，压痕图像边缘清晰（如图2）。但对表面进行研磨修整，既构成了附加的操作环节，也使测量成本上升。

发明内容

为了更加精确地测定材料硬度，本发明提供了一种方案，其中，利用计算机图像处理技术，结合压痕形状特征，快速而准确地获得压痕的形状信息，科学地描述压痕形状的细微变化，从而使检测人员从繁重的重复劳动中解脱。

为了克服目前检测方法存在的各种问题，本发明的目的在于提供了一种利用机器视觉技术实现布氏硬度快速、精确的测定方法。在本发明中，首先利用了图像处理技术提取压痕边缘，提取压痕形状特征，然后通过描述压痕形状的细微变化，剔除伪边缘，保留压痕真实边缘，最终通过计算压痕直径大小，实现布氏硬度的精确测定。

根据本发明的一个方面，提供了一种布氏硬度自动测定方法，其特征在于包括：

采集试件上的压痕的图像；

提取所述压痕的所述图像的边缘；

剔除所述边缘中的伪边缘；

生成压痕圆；

计算试件的硬度。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的图像获取以及处理装置连接示意图；

图2显示了经过研磨修整后的一个光洁面压痕的图像；

图3是根据本发明的一个实施例的普通工业打磨后压痕图像以及边缘提取；

图4是根据本发明的一个实施例的锈面压痕图像以及边缘提取。

具体实施方式

根据本发明的一个实施例，提供了一种布氏硬度自动测定的方法，它具有快速、精确、稳定、完全无需人工干预等优点，以克服现有技术中存在的不足。

为了实现上述目的，根据本发明的一个实施例的布氏硬度自动测定方法包括：

－采集试件压痕图像

使用硬度计将一定直径的硬质合金球施加试验力压入试件表面，经规定保持时间后，卸除试验力，试件表面出现压痕。如图1所示，将（便携式）布氏硬度测定仪1垂直放置于试件2的表面，用便携式布氏硬度测定仪1采集试件表面上压痕图像信息，并输入计算机3。

－提取压痕边缘

普通的工业打磨装置处理测试表面，试件表面粗糙度值较高，压痕图像边缘部分较模糊如图3(a)与图4(a)。并且在经过图像分析处理后，获取相应的压痕边缘如图3(b)与图4(b)所示。

－剔除压痕的伪边缘

由于试件表面质量不高，造成压痕边缘噪声点较多，存在部分伪边缘，即不属于真实压痕的边缘。需要剔除伪边缘后，以真实边缘进行圆拟合。

针对噪声点使得圆边缘产生突变的特点，对压痕边缘各点求取曲率，并求曲率变化值，曲率的变化反应了轮廓线的变化情况，圆轮廓的曲率变化较为平坦，变化值小于预定值（如0.3）。而噪声点存在部分，存在曲率突变现象。因此，在根据本发明的一个实施例中，通过以下步骤判定并剔除伪边缘：

A.以压痕轮廓上的一个点（如左上方的点）为起始点，按一个方向（如逆时针方向），对压痕轮廓进行跟踪，进行间隔预定数目（如10个）像素点的采样，

B.计算压痕轮廓的某点p的曲率k。计算过程如下：

${\mathrm{\θ}}_1=\mathrm{ta}{n}^{-1}\left(\frac{y_p-y_{p-i}}{x_p-x_{p-i}}\right),$ ${\mathrm{\θ}}_2=\mathrm{ta}{n}^{-1}\left(\frac{y_{p+i}-y_p}{x_{p+i}-x_p}\right)$

k=θ₂-θ₁

其中，（x_p,y_p）为点p的坐标；以轮廓线左上方的点作为起始点，按逆时针方向对轮廓线进行跟踪，间隔i个（如i＝10）像素点，得到当前点的两个相邻采样点（x_p-i,y_p-i），（x_p+i,y_p+i）；θ_j(j=1,2)为相应采样点的切线角；

C.累计曲率变化值连续小于预定的变化值（如0.3）的采样点，

D.判断累计数是否超过一个预定的累计数值（如10个），若“是”则判断所涉及的像素点属于圆弧段，若“否”则判定所涉及的像素点属于伪边缘。

E．剔除伪边缘。

－生成压痕圆

剔除伪边缘后，压痕轮廓上保留一段或者多段圆弧，对圆弧段进行拟合，从而得到压痕拟合圆，如图3.c与图4.c。

－计算被测试件硬度

根据压痕拟合圆的直径和相关参数可计算出被测试件的硬度，计算方法如公式（1）所示。

根据该实施例的布氏硬度测定方法的实际结果，硬度值精度达0.01HBW，压痕直径到0.0001mm分辨率，且测定压痕并显示结果仅需不到1秒。

本发明的优点包括：

1.利用计算机图像识别代替了人工检测法，可以快速、客观、准确地测定布氏硬度，克服了现有技术方案中需人工干预、主观性强、检测精度低、对待测试件表面质量要求高等缺陷；

2.本发明采用内部光学***获取压痕图像，具有成本低、图像质量高和便于携带操作等优点；

3.利用图像处理技术科学地描述压痕形状特征，能够客观地反映压痕边缘的细微变化，并利用压痕边缘曲率变化，剔除由表面质量差造成的噪声边缘，最终提高硬度测定的精确度；

4.根据本发明所述方法编制的计算机图像测定***，还具有较好地扩展能力。对各类试件表面质量的适应度高，具有自动化程度高、操作快速、简便的特点。

Claims (10)

1.一种布氏硬度自动测定方法，其特征在于包括：

采集试件（2）上的压痕的图像；

提取所述压痕的所述图像的边缘；

剔除所述边缘中的伪边缘；

生成压痕圆；

计算试件（2）的硬度。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于采集试件（2）上的压痕的图像的步骤包括：

将布氏硬度测定仪（1）垂直置于试件（2）的表面，

用布氏硬度测定仪（1）采集试件（2）的表面上的压痕图像信息，并将压痕图像信息输入计算机（3）。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于提取所述压痕的所述图像的边缘的步骤包括：

对试件（2）的表面进行工业打磨处理。

4.根据权利要求3的方法，其特征在于剔除所述边缘中的伪边缘的步骤包括：

A.以压痕轮廓上的一个点为起始点，按一个方向对压痕轮廓进行跟踪，进行间隔预定数目的像素点的采样；

B.计算压痕轮廓的采样像素点的曲率；

C.累计曲率变化值连续小于预定的曲率变化值的采样点；

D.判断累计数是否超过一个预定的累计数值，若“是”则判断所涉及的像素点属于圆弧段，若“否”则判定所涉及的像素点属于伪边缘；

E．剔除伪边缘。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于所述生成压痕圆的步骤包括：

剔除伪边缘后保留的压痕轮廓的圆弧段进行拟合，从而得到压痕拟合圆。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于计算试件（2）硬度的步骤包括：

根据所述压痕拟合圆的直径和输入的载荷值，计算出被测试件的硬度。

7.根据权利要求4的方法，其特征在于：

所述预定的曲率变化值为0.3，

所述预定的累计数值为10个。

8.根据权利要求1－7之一的方法，其特征在于进一步包括：

用硬度计通过向一定直径的硬质合金球施加试验力而将所述硬质合金球压入所述试件（2）的表面，并保持预定的保持时间后，

卸除试验力，

从而在试件（2）的表面形成所述压痕。

9.根据权利要求8的方法，其特征在于：

所述布氏硬度测定仪（1）是便携式布氏硬度测定仪。

10.根据权利要求6的方法，其特征在于：

所述计算压痕轮廓的采样像素点的曲率的步骤包括；

取

${\mathrm{\θ}}_1=\mathrm{ta}{n}^{-1}\left(\frac{y_p-y_{p-i}}{x_p-x_{p-i}}\right),$ ${\mathrm{\θ}}_2=\mathrm{ta}{n}^{-1}\left(\frac{y_{p+i}-y_p}{x_{p+i}-x_p}\right)$

k=θ₂-θ₁

其中，k为所述曲率，（x_p，y_p）为点p的坐标；以轮廓线左上方的点作为起始点，按逆时针方向对轮廓线进行跟踪，间隔i个像素点，得到当前点的两个相邻采样点（x_p-i,y_p-i），（x_p+i,y_p+i）；θ_j(j=1,2)为相应采样点的切线角；

所述根据所述压痕拟合圆的直径和输入的载荷值计算出被测试件的硬度的步骤按下式进行：

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