一种橡胶粗糙表面接触机理集成测量系统技术方案

本发明专利技术提供一种橡胶粗糙表面接触机理集成测量系统，该系统包括垂向静态与动态加载系统、水平动态加载系统、图像采集及处理、粗糙表面三维重构系统、以及数据采集和处理单元；垂向静态与动态加载系统的输出端、水平动态加载系统的输出端与数据采集及处理单元的输入端连接；图像采集及处理系统输出端与数据采集和处理单元的输入端连接；粗燥表面三维重构系统的输出端与数据采集和处理单元的输入端连接。现有测量技术存在价格昂贵，测量精度低，稳定性较差的技术问题。本发明专利技术具有系统集成度较高，实用性较强，操作简单、低消耗，多数组成部件为标准化产品，适用于大规模推广应用的优点。

An integrated measurement system for contact mechanism of rubber rough surface

The present invention provides a rubber rough surface contact mechanism of integrated measurement system, the system including the vertical static and dynamic loading system, dynamic loading system, image acquisition and processing, rough surface 3D reconstruction system, and the data acquisition and processing unit; the vertical output end of the static and dynamic loading system, horizontal dynamic loading system the end of the data acquisition and processing unit is connected to the input end; the output end of image acquisition and processing system and data acquisition and processing unit is connected to the input end; the output end and the data acquisition and processing unit of rough surface 3D reconstruction system is connected with the input terminal. The existing measurement technology has the technical problems of high price, low measurement precision and poor stability. The invention has the advantages of high system integration, strong practicability, simple operation and low consumption, and most components are standardized products, which is suitable for large-scale popularization and application.

【技术实现步骤摘要】
一种橡胶粗糙表面接触机理集成测量系统
本专利技术属于车辆行驶过程中轮胎性能检测领域，更具体地涉及一种橡胶粗糙表面接触机理集成测量系统。
技术介绍
以下对本专利技术的相关技术背景进行说明，但这些说明并不一定构成本专利技术的现有技术。轮胎粗糙表面接触问题是分析实际接触面积、动态滑动摩擦因数及轮胎摩擦磨损的关键问题之一，也是微观接触力学、电子腐蚀、精细加工、传热学及材料学中的基础问题。因此，对胎面橡胶粗糙表面接触机理进行数值分析和实验研究至关重要。垂向载荷、粗糙表面、滑移速度及温度是影响橡胶粗糙表面接触面积、动态滑动摩擦因数的关键因素。目前，对实际接触面积进行理论分析的基本方法为通过多尺度、各向异性粗糙表面建模，采用有限元分析的方法进行数值分析。测试方面，采用点阵式压力传感器进行精确测量，但此传感器价格昂贵。超声波技术、应变测量技术的应用，可满足固体-固体接触的实际测量，然而存在测量精度并不高、稳定性较差等问题。近年来，随着计算机视觉技术的发展，通过图像处理方式提取并分析图像几何特征来获取接触面积及粗糙表面形貌的非接触式测量方法已经获得广泛应用，将图像处理技术应用于印痕识别、匹配及实际接触面积测量、粗糙表面三维重建均较成熟，为此系统的开发提供理论基础。液压和伺服电机系统是当前实现动态加载的最主要形式。液压系统由于控制精度高、易于操作等优势获得广泛应用，但是不能满足高精度动态测试的要求。目前，伺服电机控制技术已经非常成熟，通过控制电机可获得电机转速、转矩并可实现宽范围、大量程的电机转速、转矩精准控制，为动态试验设计提供了技术支持。通过伺服电机闭环控制，能够精准控制电机转速和转矩，并能够通过无传感器位置提取技术实现电机的无传感器精准定位，使电机精准闭环控制具有较大优势。
技术实现思路
为解决现有测量技术存在价格昂贵，测量精度低，稳定性较差的技术问题，本专利技术提供一种橡胶粗糙表面接触机理集成测量系统在根据本专利技术的一个优选的实施例中，本专利技术提供的一种橡胶粗糙表面接触机理集成测量系统包括垂向静态与动态加载系统、水平动态加载系统、图像采集及处理系统、粗燥表面三维重构系统、以及数据采集和处理单元；垂向静态与动态加载系统的输出端、水平动态加载系统的输出端与数据采集及处理单元的输入端连接；图像采集及处理系统输出端与数据采集和处理单元的输入端连接；粗燥表面三维重构系统的输出端与数据采集和处理单元的输入端连接。优选地，上述垂向静态与动态加载系统包伺服电机，用于控制伺服电机的电机控制系统；与伺服电机连接的垂向螺旋加载机构、与垂向螺旋加载机构连接的三向力传感器；与伺服电机连接的转速与转矩采集单元，与转速与转矩采集单元连接的数据触发单元；所述数据触发单元和三向力传感器的输出端与数据采集与处理单元相连接。优选地，上述垂向静态与动态加载系统还包括用于固定橡胶试件的固定装置；设置于垂向螺旋加载机构上的千分尺、角度可调支架、温度传感器和温度传感器安装滑环；千分尺用于读取系统垂向位移、将电机转速通过数据转换与千分尺读数进行对比测量螺旋加载装置的松动，并为后期的水平滑移进行数据纠正。优选地，上述水平动态加载系统包括地面固定装置，设置于地面固定装置上的水平支架，设置于水平支架上的滑轨，设置于滑轨上的齿轮齿条装置；与齿轮齿条装置连接的伺服电机及控制装置。优选地，上述图像采集及处理系统通过扫描设备采集图像随后进行图像处理与分析，具体采用二阶微分算子对图像进行边缘检测与加强，去除载荷波动导致的接触边界毛刺现象；再借助平均面积及密度分析方法，统计分析实际接触微凸体的接触个数进而获得平均接触面积、接触微凸体的平均接触半径等粗糙表面简化关键参数，为实际粗糙表面简化建模、实际接触面积受路面特性的影响分析做准备。优选地，上述粗糙表面三维重构系统为光度立体视觉重建系统；系统包括系统支架组，设置于系统支架组上的水平相机支架，设置于水平相机支架上的水平调整仪，设置于水平调整仪上的相机，系统支架组中的每个支架上设置有支架滑轨，支架滑轨上设置有伸缩杆，伸缩杆上设置有LED光源。优选地，上述系统支架组由三个支架组成，支架滑轨可沿系统支架上下移动，便于带动伸缩杆调整LED光源的角度。优选地，上述系统支架和伸缩杆上设置有刻度。优选地，上述LED光源的调整的角度范围为0-90度。优选地，上述数据采集及处理系统包括垂向加载伺服电机控制器、水平加载伺服电机控制器，与垂向加载伺服电机控制器、水平加载伺服电机控制器连接的信号调理低通滤波器，与信号调理低通滤波器连接的A/D转换器，与A/D转换器连接的随机存取存储器，与随机存取存储器连接的USB3.0，与USB3.0连接的数据采集单元，以及与数据采集单元连接的上位机，与上位机连接的数学软件，与数学软件连接的人机交互界面；该系统还包括触发装置，与触发装置连接的三向力传感器，与三向力传感器连接的数据采集卡；数据采集卡的输出端与数据采集设备的输入端连接；所述数据采集设备的输入端还连接有温度传感器。具体优点为：1、本专利技术操作简单、低消耗，多数组成部件为标准化产品，适用于大规模推广应用。2、充分利用现有的伺服电机动态加载技术及图像处理技术，能够通过简便的方式获取静态粗糙路面接触面积、动态滑动摩擦系数测量及三维路面重构等试验。3、温度采集系统，能够对接触过程中的热力耦合进行分析，最终实现载荷、滑移速度、粗糙表面及温度对动态滑动摩擦因数的影响分析。4、本专利技术能够为橡胶实际接触机理分析、路面粗糙多尺度建模提供可靠的验证手段，为轮胎磨损、路面轮廓采集及损伤检测提供基础。附图说明通过以下参照附图而提供的具体实施方式部分，本专利技术的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：图1是本专利技术中检测系统的原理图；图2是本专利技术中检测系统的流程图；图3是本专利技术中垂向静态/动态加载系统结构图；图4是本专利技术中垂向静态/动态加载系统原理图；图5是本专利技术中水平动态加载系统示意图；图6是本专利技术中图像采集及处理系统原理图；图7是本专利技术中经过处理的二值化实际接触面积示意图；图8是本专利技术中光度立体视觉三维重建系统原理图；图9是本专利技术中光度立体视觉三维重建装置；图10是本专利技术中数据采集及处理示意图。附图说明：1-垂向静动态加载系统；2-水平支架；3-伺服电机及控制装置；4-齿轮齿条装置；5-滑轨；6-垂向加载装置；7-地面固定装置；8-相机；9-LED光源；10-系统支架组；11-伸缩杆；12-支架滑轨；13-相机支架；14-水平调整仪。具体实施方式下面参照附图对本专利技术的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本专利技术及其应用或用法的限制。参见图1-图2所示,本专利技术提供一种橡胶粗糙表面接触机理集成测量系统，该系统包括垂向静态与动态加载系统、水平动态加载系统、图像采集及处理系统、粗燥表面三维重构系统、以及数据采集和处理单元；其中,垂向静态与动态加载系统的输出端与数据采集及处理单元的输入端连接；垂向静态与动态加载系统通过控制电机转速、转矩的闭环控制实现垂向位移、载荷的动态加载和保持功能；采用电机位置检测技术获得电机的垂向位移并与垂向位移千分尺测量设备进行对比，验证试验精度；通过对电机转矩的转换与测量，与三向力传感器中采集的垂向作用力进行对比验证载荷加载精度。其中,水平本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种橡胶粗糙表面接触机理集成测量系统，其特征在于：所述系统包括垂向静态与动态加载系统、水平动态加载系统、图像采集及处理系统、粗糙表面三维重构系统、以及数据采集和处理单元；所述垂向静态与动态加载系统的输出端、水平动态加载系统的输出端与数据采集及处理单元的输入端连接；所述图像采集及处理系统输出端与数据采集和处理单元的输入端连接；所述粗燥表面三维重构系统的输出端与数据采集和处理单元的输入端连接。

【技术特征摘要】
1.一种橡胶粗糙表面接触机理集成测量系统，其特征在于：所述系统包括垂向静态与动态加载系统、水平动态加载系统、图像采集及处理系统、粗糙表面三维重构系统、以及数据采集和处理单元；所述垂向静态与动态加载系统的输出端、水平动态加载系统的输出端与数据采集及处理单元的输入端连接；所述图像采集及处理系统输出端与数据采集和处理单元的输入端连接；所述粗燥表面三维重构系统的输出端与数据采集和处理单元的输入端连接。2.根据权利要求1所述的橡胶粗糙表面接触机理集成测量系统，其特征在于：所述垂向静态与动态加载系统包伺服电机，用于控制伺服电机的电机控制系统；与伺服电机连接的垂向螺旋加载机构、与垂向螺旋加载机构连接的三向力传感器；与伺服电机连接的转速与转矩采集单元，与转速与转矩采集单元连接的数据触发单元；所述数据触发单元和三向力传感器的输出端与数据采集与处理单元相连接。3.根据权利要求2所述的橡胶粗糙表面接触机理集成测量系统，其特征在于：所述垂向静态与动态加载系统还包括用于固定橡胶试件的固定装置；设置于垂向螺旋加载机构上的千分尺、角度可调支架、温度传感器和温度传感器安装滑环；所述千分尺用于读取系统垂向位移、将电机转速通过数据转换与千分尺读数进行对比测量螺旋加载装置的松动，并为后期的水平滑移进行数据纠正。4.根据权利要求1或3所述的橡胶粗糙表面接触机理集成测量系统，其特征在于：所述水平动态加载系统包括地面固定装置，设置于地面固定装置上的水平支架，设置于水平支架上的滑轨，设置于滑轨上的齿轮齿条装置；与齿轮齿条装置连接的伺服电机及控制装置。5.根据权利要求4所述的橡胶粗糙表面接触机理集成测量系统，其特征在于：所述图像采集及处理系统通过扫描设备采集图像随后进行图像处理与分析，具体采用二阶微分算子对图像进行边缘检测与加强，去除载荷波动导致的接触边界毛刺现象；...

【专利技术属性】
技术研发人员：马彬，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11