船舶主機(jī)墊片接觸比精確檢測方法

鄧義斌,張俊，武龍飛,熊君,胡飛孔

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,武漢 430063；2.中船工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有限公司，廣州 510700;3.武漢市船舶檢驗(yàn)所，武漢 430030)

船舶主機(jī)墊片配制是主機(jī)安裝的重要工序之一，墊片配制質(zhì)量是影響船舶主機(jī)安全運(yùn)行的重要因素。GB/T34000—2016《中國造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》明確要求主機(jī)墊片的接觸比不低于70%，允許極限60%[1]。主機(jī)墊片有用鋼質(zhì)墊塊刮配的[2]，也有環(huán)氧樹脂澆注成的[3]，鋼質(zhì)墊片在主機(jī)安裝中必不可少。目前船舶修造現(xiàn)場，主機(jī)鋼質(zhì)墊片進(jìn)行接觸比檢測采用傳統(tǒng)的色油法[4]，即在與調(diào)整墊片表面接觸的配合面上涂抹色油后試配，取出墊片，觀察墊片表面色油分布情況，評估接觸比是否滿足要求。此法依賴經(jīng)驗(yàn)且只能粗略評估，無法得到精準(zhǔn)的檢測結(jié)果。國內(nèi)外關(guān)于接觸面精確檢測方法分為接觸式和非接觸式[5]，由于非接觸式平面檢測的精度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)正逐步替代傳統(tǒng)的接觸式檢測，非接觸式檢測主要用在粗糙度測量、平面度測量等場合[6]，以及摩擦接觸面分析，還有運(yùn)用圖像處理技術(shù)分析接觸面圖像以獲取更多細(xì)節(jié)信息,但在配合件表面接觸面積的定量檢測方面仍存在空缺。為此，本文提出一種基于計算機(jī)圖像技術(shù)的接觸比精確檢測方法，運(yùn)用計算機(jī)圖像處理技術(shù)對主機(jī)鋼質(zhì)墊片的色油圖像進(jìn)行識別，探索接觸比的精確檢測方法和技術(shù)，開展模擬實(shí)驗(yàn)評估檢測效果，并分析檢測結(jié)果的影響因素。

1 主機(jī)墊片接觸比精確檢測技術(shù)

接觸比η是實(shí)際接觸面積S1與理論接觸面積S0的比值，計算公式如下。

(1)

主機(jī)墊片接觸比的圖像檢測就是將色油圖像中接觸部分和未接觸部分區(qū)分開來，精確計算出各部分面積，然后計算出接觸比。主機(jī)墊片接觸比精確檢測的思想就是運(yùn)用計算機(jī)圖像處理技術(shù)對色油圖像進(jìn)行預(yù)處理、圖像灰度轉(zhuǎn)換、二值圖轉(zhuǎn)換、二值圖像素點(diǎn)統(tǒng)計等一系列處理，從而得出精確的接觸比。

1.1 接觸比精確檢測流程

1)圖像采集及預(yù)處理。采集主機(jī)墊片色油圖像，根據(jù)需要進(jìn)行預(yù)處理(如拉伸，變形，剪裁等)，獲得有效的檢測區(qū)域。

2)圖像灰度轉(zhuǎn)換。運(yùn)用浮點(diǎn)算法將RGB三原色的色油圖像轉(zhuǎn)化為灰度顏色的圖像。

3)圖像二值轉(zhuǎn)換。采用大津法(OTSU算法)產(chǎn)生自適應(yīng)閾值T，把灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值圖。

4)二值像素統(tǒng)計。遍歷二值圖中所有像素，并分類統(tǒng)計，從而計算出接觸比。

1.2 接觸比精確檢測關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 色油圖像采集及預(yù)處理技術(shù)

在與主機(jī)墊片接觸的配合面均勻涂抹色油后試配，然后取出墊片，拍照獲取接觸面的色油分布RGB圖像。拍照時盡量采用正常的拍攝角度、光線等以保證圖像質(zhì)量。一般來說，為保證獲取完整的目標(biāo)圖像，在拍照時會拍攝到多余的非目標(biāo)區(qū)域，此時需要對RGB圖像進(jìn)行裁剪或拉伸等預(yù)處理來提取有效的檢測區(qū)域，由于計算機(jī)圖像處理是將像素點(diǎn)矩陣化，為便于后續(xù)分析計算，應(yīng)將RGB圖像裁剪為與墊片相同形狀的矩形。

圖1a)為船舶主機(jī)墊片刮配現(xiàn)場拍攝的色油分布RGB圖像；圖1b)為通過預(yù)處理提取的有效區(qū)域。在圖1a)到圖1b)的預(yù)處理過程中，除了裁剪，還進(jìn)行圖片的拉伸處理。這是由于拍攝時攝像頭與主機(jī)墊片表面不平行，導(dǎo)致不同區(qū)域的壓縮比例不同。通過圖片的拉伸處理，可以使圖像在水平與豎直兩個方向分別保持相同壓縮比例。

圖1 主機(jī)墊片色油圖像處理過程

1.2.2 浮點(diǎn)算法

RGB圖像由R、G、B3個分量構(gòu)成，每個像素點(diǎn)有1 600多萬種變換。當(dāng)3個分量數(shù)值一致時，圖像稱之為灰度圖像。灰度圖像每個像素點(diǎn)有255個值，數(shù)據(jù)量大大降低。浮點(diǎn)算法是最常見的灰度處理方法，該算法符合人眼對顏色的敏感情況，貼近裝配現(xiàn)場的實(shí)際。目前，較為符合人眼特點(diǎn)的浮點(diǎn)運(yùn)算經(jīng)驗(yàn)公式為

f(i,j)=0.3R(i,j)+0.59G(i,j)+0.11B(i,j)

(2)

式中：R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)分別表示圖像中第i行，j列像素點(diǎn)的像素值；f(i,j)表示轉(zhuǎn)化為灰度圖像后該點(diǎn)像素值。

對圖1b)運(yùn)用浮點(diǎn)算法處理結(jié)果見圖1c)。

1.2.3 OTSU算法

灰度圖像經(jīng)過閾值分割后轉(zhuǎn)化為二值圖，即每個像素點(diǎn)只有0和1兩個值，0代表黑色，1代表白色。由于二值圖沒有灰度圖像的多級像素值，圖像數(shù)據(jù)的復(fù)雜程度再次簡化，能顯現(xiàn)出不同區(qū)域的邊緣輪廓，使圖像變得更加簡單，便于后續(xù)處理。OTSU稱為最大類間方差法，追求的是目標(biāo)與背景類間方差最大時的閾值，該算法建立如式(3)所示的目標(biāo)函數(shù)來確定分割閾值。

g(t)=W0×(U0-U)2+W1×(U1-U)2

(3)

式中：t為目標(biāo)與背景的分割閾值；g(t)為閾值為t時的類間方差；W0，W1分別為圖像中目標(biāo)點(diǎn)和背景點(diǎn)的比例，U為圖像均值，U0、U1分別表示圖像中目標(biāo)點(diǎn)和背景點(diǎn)均值。

OTSU以圖像灰度特性為依據(jù)，將圖像分為背景與目標(biāo)兩部分，二者類間方差越大，說明圖像中二者的差別越大。墊片檢驗(yàn)時涂抹的色油通常調(diào)配為藍(lán)油或紅油，未接觸面保持金屬光澤，而接觸面具有色油顏色，在同等拍攝條件采集到的圖像灰度處理后，兩者差異較大。因此，選取類間方差最大時的閾值來進(jìn)行圖像分割最為合理。對圖1c)運(yùn)用OTSU算法處理結(jié)果見圖1d)。

1.2.4 接觸比計算

墊片的試配過程是以接觸面有無色油來區(qū)分是否接觸：有色油即認(rèn)為接觸，反之未接觸。色油圖像經(jīng)過處理得到二值圖后，接觸點(diǎn)和未接觸點(diǎn)分別對應(yīng)為二值圖中的0和1。因此，遍歷二值中的像素點(diǎn)，統(tǒng)計0和1所占比例，即可得出代表0區(qū)域在圖像中面積比例的大小，從而計算得到接觸比。

(4)

式中：η0為二值圖中像素值為0的面積比例；N0為二值圖中像素值為0的像素點(diǎn)數(shù)；N1為二值圖中像素值為1的像素點(diǎn)數(shù)。

2 模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

1)接觸塊對。200 mm×200 mm×20 mm的不銹鋼板2塊，擬接觸的2個實(shí)驗(yàn)表面經(jīng)過拋光處理。其中一塊模擬機(jī)座，另一塊模擬墊片，在墊片模擬塊實(shí)驗(yàn)表面的50、100和150 mm處分別加工200 mm×10 mm×3 mm的2個平行槽模擬未接觸面積，如圖2b)所示；采用3D打印制作200 mm×100 mm×8 mm的樹脂板1塊，在接觸面設(shè)置有深度為2 mm面積已知的正方形、三角形和圓形凹槽來模擬未接觸面積，并在凹槽區(qū)域設(shè)置個數(shù)不同直徑為1 mm圓柱來模擬接觸點(diǎn)，如圖2c)所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)M

2)色油。用潤滑油和紅色氧化鉛粉末等調(diào)配制成，由于潤滑油與工業(yè)重油存在黏度差異，需在潤滑油中加入比正常情況稍多的氧化鉛粉末并充分?jǐn)嚢瑁瑓⒄展I(yè)重油的黏度調(diào)制。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1)將基座模擬塊置于水平工作臺，在其擬接觸面上均勻涂抹調(diào)制好的色油。涂抹過程中注意保證色油均勻分布，厚度取10～15 μm。

2)將墊片模擬塊1的實(shí)驗(yàn)面朝下覆蓋在基座模擬塊上表面的一側(cè)，勻速向另一側(cè)推動，直2個實(shí)驗(yàn)面完全重合。放置2～3 min后即可將墊片模擬塊1沿原路徑勻速拉回，直至二者分離，放置好墊片模擬塊1。

3)將基座模擬塊的色油清洗干凈，重復(fù)步驟1)后，然后按步驟2)進(jìn)行墊片模擬塊2的配合實(shí)驗(yàn)。

4)采集墊片模擬塊1和2實(shí)驗(yàn)表面色油圖像，拍攝時注意光照條件和拍攝角度，避免局部強(qiáng)烈反光。

5)應(yīng)用接觸比精確檢測方法評估結(jié)果。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3分別為采集到的模擬墊片1色油圖像的未切分圖和切分圖；圖4a)b)為自然光源和非自然光源條件下采集到的模擬墊片2色油圖像，圖4c)d)e)分別為自然光源下模擬墊片2不同區(qū)域的局部色油圖像，上述圖像的檢測結(jié)果見表1。

圖3 墊片模擬塊1色油圖像

圖4 墊片模擬塊2色油圖像

表1 模擬實(shí)驗(yàn)識別結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 影響因素

1)圖像切分。對比圖3a)、b)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，對圖像進(jìn)行切分，針對每個子區(qū)域進(jìn)行閾值分割可以有效提升檢測精度。這是由于在采集色油圖像時，如果攝像頭距接觸面較近，則接觸面上的各點(diǎn)與攝像頭之間的距離會產(chǎn)生較大偏差，從而導(dǎo)致拍攝得到的色油圖像各點(diǎn)像素值差異較大，例如，與攝像頭距離差異較大的區(qū)域1和區(qū)域2，假設(shè)這2個區(qū)域目標(biāo)值均小于背景值，并且目標(biāo)像素值和背景像素值分別為m1、n1和m2、n2，由于像素值的差異，可能出現(xiàn)m1>n2或m2>n1的情況，如果對全圖采用統(tǒng)一的閾值進(jìn)行閾值分割，將會導(dǎo)致目標(biāo)像素點(diǎn)與背景像素點(diǎn)的錯誤識別，降低識別精度。因此可適當(dāng)將圖像進(jìn)行切分，分別對每個區(qū)域進(jìn)行閾值分割，可以降低錯誤識別的機(jī)率。

2)光照條件及拍攝角度：對比圖4a)、b)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在自然光源條件下拍攝，無強(qiáng)烈反光區(qū)域形成，各點(diǎn)反射角度幾乎一致，檢測精度較高；而在燈光等非自然光源條件下，反射光線較強(qiáng)，而且各點(diǎn)的反射角度差異增大，局部反射光線的聚集產(chǎn)生光斑，而光斑的產(chǎn)生會嚴(yán)重影響圖像的識別，檢測精度較低。船廠裝配施工現(xiàn)場的光照條件一般為室內(nèi)燈光，因此為避免光斑的形成，拍攝色油圖像時可以從側(cè)面進(jìn)行，適當(dāng)?shù)貎A斜角度，一方面可以減弱反射光線，另一方面可以尋找適當(dāng)?shù)奈恢煤徒嵌龋苊猱a(chǎn)生反射光斑。

3)色油黏度及厚度。當(dāng)調(diào)配的色油黏度較低時，色油的擴(kuò)散性增加，導(dǎo)致有部分色油流入凹槽如圖4c)d)e)所示，色油區(qū)域所占比例增加，導(dǎo)致接觸比識別偏大；當(dāng)黏度過大，氧化鉛粉末無法與潤滑油充分混合，形成氧化鉛小顆粒并結(jié)塊，影響墊片之間的接觸。另外，色油厚度過低時，即便發(fā)生接觸也可能無法沾染色油，即無法將接觸反映在色油圖像上，導(dǎo)致接觸比識別偏小；相反，當(dāng)色油厚度過大時，由于墊片的接觸面之間的擠壓，會將過厚的色油擠壓的其他區(qū)域，存在覆蓋未接觸區(qū)域的可能，導(dǎo)致接觸比識別偏大，此外，色油厚度過大，易造成色油堆積，對光線的反射作用增強(qiáng)，形成反射光斑。

4)無效區(qū)域去除。主機(jī)墊片通常會有地腳螺栓孔，該區(qū)域本來就不會有配合面與之接觸，稱之為無效區(qū)域。無效區(qū)域的存在相當(dāng)于增加了理論接觸面，會導(dǎo)致接觸比偏低。因此，在圖像預(yù)處理時就應(yīng)該標(biāo)識出無效區(qū)域或?qū)⒃搮^(qū)域透明化處理，并在后續(xù)處理過程中略過無效區(qū)域。

3.2 檢測方法評價

從3.1分析可知，在檢測過程中注意控制不利影響因素帶來的干擾，合理操作，檢測精度能達(dá)到表1的2，3，5，6和7號的檢測結(jié)果水平，接觸比識別誤差可以控制在一般工業(yè)應(yīng)用的3%以內(nèi)，滿足裝配現(xiàn)場的使用需求。因此，接觸比精確檢測方法操作簡單，可以應(yīng)用到實(shí)際船舶主機(jī)墊片刮配工作，并為不滿足國標(biāo)規(guī)定接觸比的配合面的進(jìn)一步刮配提供參考。

4 結(jié)論

1)相較于傳統(tǒng)色油法只能粗略評估船舶主機(jī)墊片接觸比是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，本文提出基于圖像處理技術(shù)的接觸比精確檢測方法能給出定量的、精確的接觸比結(jié)果。

2)開展船舶主機(jī)墊片定量的、精確的接觸比檢測并記錄檢測結(jié)果有助于在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)船舶主機(jī)裝配的質(zhì)量溯源。