基于粗集理論的工程陶瓷磨削表面損傷檢測學(xué)士統(tǒng)招張曉紅機自

1、湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）學(xué) 號畢業(yè)設(shè)計（論文） 題目：基于粗集理論的工程陶瓷磨削表面損傷檢測 作 者 張順平 屆 別 2014屆 系 別 機械工程學(xué)院 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師 張曉紅 職 稱 講師 完成時間 2014年5月10日 II摘 要當(dāng)前，工程陶瓷材料已經(jīng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天、核工業(yè)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、石油化工等眾多領(lǐng)域，但其加工表面質(zhì)量的檢測方法仍和金屬材料類似，不能有效的反應(yīng)出工程陶瓷表面損傷狀況，因此對于工程陶瓷磨削表面損傷檢測的研究是很有意義的。本文采用基于粗集理論的方法建立了一套工程陶瓷磨削表面損傷檢測系統(tǒng)，從而增加了檢測精度，并且降低了計

2、算的復(fù)雜性。實際使用表明，該方法能夠?qū)こ烫沾赡ハ鞅砻娴臍饪住⒘鸭y、劃痕、破碎等損傷進行檢測，不但減少系統(tǒng)的誤報率，還無需額外的計算負(fù)擔(dān)。關(guān)鍵詞：工程陶瓷；磨削表面；損傷檢測；粗集理論 Abstarct At present, the engineering ceramic material has been widely used in many fields of aerospace, nuclear industry, modern medicine, petroleum chemical, but the detection method of the machined surface

3、 quality still and metal material, can not effectively reflect the surface damage of engineering ceramics, so it is of great significance for the study of engineering ceramic grinding surface damage detection. A set of engineering ceramics grinding surface damage detection system building method bas

4、ed on rough set theory used in this paper, which increases the detection accuracy, and reduce the computational complexity. The practical application shows that, this method is capable of engineering ceramic grinding surface pores, cracks, scratches, broken and damage detection, not only to reduce t

5、he false alarm rate of the system, and no additional computational burden. Keywords: engineering ceramics; surface grinding; damage detection; rough set theory目 錄摘 要Abstarct目 錄1 緒 論11.1工程陶瓷概述和應(yīng)用11.1.1工程陶瓷概述11.1.2工程陶瓷材料的應(yīng)用11.2課題研究意義和目的21.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀32 工程陶瓷磨削表面損傷及檢測52.1工程陶瓷磨削表面損傷52.1.1磨削過程中材料的去除機理52.1.2表

6、面裂紋62.1.3殘余應(yīng)力72.2磨削表面損傷的控制72.3無損檢測技術(shù)83 粗集理論113.1粗糙集基本理論113.1.1知識表達系統(tǒng)和決策表113.1.2不可分辨關(guān)系123.1.3近似與粗糙集123.1.4知識約簡134 基于粗集理論的工程陶瓷磨削表面損傷檢測模型設(shè)計164.1損傷特征參數(shù)提取和選擇164.1.1幾何特征164.1.2形狀特征174.1.3灰度特征174.2分類器設(shè)計174.3表面損傷評價、結(jié)果分析及數(shù)據(jù)分析184.3.1表面損傷評價184.3.2損傷檢測結(jié)果分析及數(shù)據(jù)分析195 結(jié)論23參考文獻24致 謝26II1 緒 論工程陶瓷具有優(yōu)良的物理性能和化學(xué)性能，例如硬度高、

7、耐高溫、耐磨耐腐蝕、抗氧化能力強等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物、航天航空、石化、通信、機械、電力、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域，成為了新型材料的發(fā)展重心。此外，陶瓷材料的高硬度，脆性大，熱率很低，是一種典型的難高效、低能耗的加工材料，如何生產(chǎn)高精密陶瓷部件，高的表面質(zhì)量，已成為研究的熱點?，F(xiàn)在，磨削加工是加工工程陶瓷的最廣泛使用的方法，大概占所有加工工藝的80%1。零件的表面破壞，降低了強度和部件的使用壽命。因此在零件加工，以評估表面損傷的分類，判斷其是否合格。一般金屬材料，可由它的硬度測量，表面粗糙度等方法獲得滿足工程需要的評價結(jié)果。然而，工程陶瓷由于其自身的特性，如硬度高，脆性大，表面處理是分布式裂縫和

8、破損，破損，甚至很小的損傷，也容易在形成應(yīng)力集中造成損害，從而影響其物理性能和力學(xué)性能?？墒遣捎门c金屬材料類似的檢測手段，只憑單一的硬度和粗糙度并不能滿足陶瓷零件的評價要求，本文將粗集理論應(yīng)用到工程陶瓷磨削表面損傷檢測，對加工表面出現(xiàn)的氣孔、裂紋、劃痕、破碎進行識別和提取，最后采用表面破碎率這個量化的指標(biāo)來評價圖像表面的損傷程度及其與加工參數(shù)的關(guān)系。1.1工程陶瓷概述和應(yīng)用1.1.1工程陶瓷概述工程陶瓷以硅粉為原料，采用反應(yīng)燒結(jié)或者熱壓兩種工藝方法制造而成。主要有氮化硅、氧化鋁等陶瓷類型，并且工程陶瓷也是現(xiàn)代陶瓷的一部分。又由于工程陶瓷具有以下特點：高硬度；耐高溫；耐磨損；耐腐蝕；重量輕；良好

9、的自潤滑性等，所以工程陶瓷已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于能源，化工，航天航空及國民經(jīng)濟的其他部門。工程陶瓷按其性能和用途又可以分為：功能陶瓷；結(jié)構(gòu)陶瓷。其特征在于作為結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)陶瓷，常用于制造結(jié)構(gòu)件，它需要良好的機械性能，如：強度、韌性、硬度、彈性模量、耐磨損性和高溫性能等。而作為功能材料的功能性陶瓷，其主要使用無機非金屬材料優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì)，如：電磁性、熱性能、光學(xué)性能和生物性能，主要用于生產(chǎn)設(shè)備的實用程序上。1.1.2工程陶瓷材料的應(yīng)用工程陶瓷材料在機械工業(yè)中的應(yīng)用：工程陶瓷切削刀具具備以下幾個特點：（1）材料硬度可高達；（2）抗彎強度為；（3）可以在攝氏度的高溫下正常切削；（4）具有優(yōu)良的切削

10、性能等。其中，工程陶瓷的刀具與傳統(tǒng)的高速鋼以及硬質(zhì)合金刀具相比，它具有較好的硬性和耐磨性；而與超硬材料金剛石以及相比，它具有（1）更低制造成本；（2）更好的熱穩(wěn)定性；（3）更高的耐沖擊性。為了提高發(fā)動機熱效率，降低能耗，人們在制造過程中應(yīng)該使用特定的高級材料，工程陶瓷材料就是最好的選擇。原因是工程陶瓷具有（1）低密度；（2）低熱導(dǎo)率；（3）耐高溫；（4）耐磨損；（6）耐腐蝕等優(yōu)良特點，所以工程陶瓷就成了制造發(fā)動機的理想材料。那么使用在汽車上的纖維增強的鋁活塞，就可以提高第一道環(huán)槽的耐磨損性；而用工程陶瓷制造的滾動軸承，則廣泛用于機床、汽車、飛機、運輸機械以及真空機械等設(shè)備中，其中工程陶瓷制造的

11、滾動軸承可以使使用壽命更長；并且用工程陶瓷制造機床導(dǎo)軌，不僅可以更加降低導(dǎo)軌的熱變形，而且也確保了機床精度的穩(wěn)定性，它提供了實現(xiàn)超精密加工的先決條件6。工程陶瓷材料在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用：由于工程陶瓷材料是很敏感的化學(xué)物質(zhì)，其吸附性、催化性和耐腐蝕等都是工程陶瓷材料的優(yōu)良特性，因此被廣泛的用于化學(xué)工業(yè)中。在石化行業(yè)中，常用陶瓷做催化劑以及催化劑載體；而陶瓷過濾器則被廣泛用于食品、醫(yī)藥、熔融金屬過濾、粉料運輸、環(huán)保、污水處理和放射性肥料處理等多方面；同時用、等各種高強度、高硬度及耐腐蝕的工程陶瓷材料來制造球閥、旋塞型控制閥與其他化學(xué)閥，其物理穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性都很強，不僅對PH值具有優(yōu)異的腐蝕性，還

12、有很強的耐磨性。工程陶瓷材料在航天航空領(lǐng)域中的應(yīng)用：在航天航空領(lǐng)域的工程陶瓷材料具有良好的熱性能，例如：（1）極低的熱導(dǎo)率；（2）高的熔點；（3）好的抗熱震性；（4）強的抗氧化性；（5）低密度等等，所以工程陶瓷能夠得到廣泛的應(yīng)用。除了是由于航天飛機殼體要求要有高強度、抗氧化、耐高溫和耐腐蝕性能外，而且還要具有易加工性和抗震性等特點。在機體表面鍍上一層陶瓷膜的方法在過去的時候常常被采用，不過由于熱膨脹，容易剝離涂層14。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，在20世紀(jì)80年代后期，便提出了兩種材料組合物中的結(jié)合位點的梯度，做到銑削結(jié)合面，緩和熱應(yīng)力，由此解決了熱膨脹性帶來的問題，還開發(fā)了功能梯度陶瓷。此外，工程陶

13、瓷材料在制造軸承、密封材料、汽車工業(yè)、精密機床等各方面也都有著十分重要的作用。1.2課題研究意義和目的工程陶瓷材料因其優(yōu)異的機械性能而被廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域，表現(xiàn)出優(yōu)良的適應(yīng)性和廣闊的應(yīng)用前途。由于其具有脆性強，硬度高的特點，使得在加工中只能使用金剛石砂輪進行磨削加工。可是工程陶瓷作為一種高強度脆性材料，楊氏模量高，即便磨削加工出現(xiàn)的輕微損傷也會導(dǎo)致極大的機械應(yīng)力，導(dǎo)致零件使用壽命減小甚至失效7。所以對工程磨削加工表面損傷的檢測成為一項非常重要的工作，常規(guī)的人工缺陷檢測方法是勞動密集型的、效果緩慢的，并且對傳統(tǒng)的粗糙度表面檢測指標(biāo)而言，并未能準(zhǔn)確的反映出工程陶瓷的表面損傷信息2。在眾多的工程

14、陶瓷磨削表面損傷檢測技術(shù)中，各有其適用范圍以及優(yōu)缺點，目前還沒有一種既是方便高效，又是成本低廉、客觀的工程陶瓷磨削表面損傷檢測技術(shù)。因此，進行基于粗集理論的工程陶瓷磨削表面損傷檢測方法研究，實現(xiàn)工程陶瓷磨削表面的損傷自動化檢測，對于產(chǎn)品質(zhì)量控制，以及提高產(chǎn)品性能和經(jīng)濟效益具有重要意義。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀表面性質(zhì)包括粒度、密度、力學(xué)性能、彈性、以及缺陷檢測和表征。加工過程會引起近表面改變的性質(zhì)和程度會隨著加工方式和材料類型的不同會有很大的變化。影響陶瓷使用性能的微觀結(jié)構(gòu)特性具體包括以下幾個變量：形狀和晶粒尺寸、孔隙度（如氣孔分布、形狀和方向）、相分布、團聚體、夾雜物、裂紋、破碎和劃痕等8。傳統(tǒng)

15、上，在結(jié)構(gòu)材料中無損評價的效果一直是缺陷檢測和表征形狀。可是在工程陶瓷中，缺陷檢測與表征是非常困難的，因為工程陶瓷對缺陷極端敏感并且具有非常小的臨界缺陷尺寸（約為)3。目前已經(jīng)有國內(nèi)外學(xué)者對于工程陶瓷材料的損傷檢測研究工作如下：等人發(fā)現(xiàn)厚度測量的超聲波速度于微觀缺陷篩查是很有效果的，而通過長度測量的超聲波速度能夠使裂紋研究擺在宏觀層面來。然而，從斷裂力學(xué)準(zhǔn)則中利用臨界缺陷尺寸和裂紋擴展速率這兩個表征的相互關(guān)系還是有待于進一步探索的；和對碳化硅高速去除率的磨削特癥、材料去除和損傷形成原理進行研究，得出崩碎層是由晶粒移位造成的。為了評估總損傷，定義了總損傷層用來集合兩種損傷模式，即崩碎損傷和微裂紋

16、；還有的學(xué)者利用維氏壓頭針對陶瓷基復(fù)合材料工件進行了壓痕斷裂韌性測量研究，因為直接位于壓痕點以下的晶粒常常會沿著其邊界的某一個方向滑動，而脆性材料卻是不能發(fā)生塑性變形的，即由晶粒變形不會形成塑性區(qū)域，所以壓出的痕跡將對應(yīng)新的表面3；浙江工業(yè)大學(xué)的鮑雨梅博士使用納米壓出痕跡測量技術(shù)和連續(xù)損傷力學(xué)概論，對工程陶瓷的脆性損傷本構(gòu)關(guān)系和磨削損傷的檢測方法進行研究。連續(xù)損傷力學(xué)概論的損傷評價方法是利用基于損傷面積比的損傷變量，然后將其轉(zhuǎn)變成為對彈性模量的測試，即，其中E為損傷前的彈性模量，為損傷后的彈性模量。2 工程陶瓷磨削表面損傷及檢測2.1工程陶瓷磨削表面損傷由于工程陶瓷硬度和脆性高造成其加工比一般

17、材料要困難很多，磨削作為最有效的加工手段被廣泛應(yīng)用于工程陶瓷材料的加工中,但是工程陶瓷材料在磨削的過程中一般都會產(chǎn)生表面損傷12。磨削表面損傷主要有：表面裂紋、表面微破碎、模糊表面、殘余應(yīng)力、相變區(qū)域等。表面損傷的產(chǎn)生會對工件的性能造成很大的影響，比如會明顯降低工程陶瓷工件的斷裂強度和疲勞強度等等4。因此檢測和控制工程陶瓷材料在磨削過程中產(chǎn)生的磨削損傷已成為工程陶瓷材料推廣應(yīng)用中急需解決的困難之一。如果要精確地檢測出以及有效地控制磨削加工過程對工程陶瓷材料造成的表面損傷，前提是要了解工程陶瓷磨削的材料去除機理以及與表面損傷有何關(guān)系。2.1.1磨削過程中材料的去除機理其原理一般包括兩種材料去除方

18、法，即脆性斷裂和塑性成形。去除是通過形成裂紋，擴展完成，剝落和碎片的方法一般是脆的11。屑的塑性變形是類似于磨削金屬在變形過程中，所涉及的滑動摩擦，犁和切屑的形成。材料剪切成形的方法去除。加工工程陶瓷磨削的材料去除模式包括脆性和塑性去除。工程陶瓷材料磨削加工過程中材料的脆性去除方式主要有以下幾種：材料剝落、晶粒去除、脆性斷裂、晶界微破碎等4。工程陶瓷材料磨削加工過程中的塑性變形去除機理許久以來都是國內(nèi)外學(xué)者致力于研究的課題，因為工程陶瓷等脆性材料的延性域磨削是在學(xué)術(shù)界公認(rèn)的得到理想表面質(zhì)量的好方法。當(dāng)磨削在塑性域內(nèi)進行時，材料將以塑性去除方式去除，就像切削金屬一樣。在這種情況下，表面處理將不產(chǎn)

19、生磨削裂紋，表面破碎。在理論上，在特定的加工條件下，在任何的塑性流動脆性材料的去除。對臨界荷載的橫向裂縫的預(yù)測壓痕斷裂力學(xué)模型，低于臨界負(fù)荷條件下，材料的去除方法是塑性變形的去除。等人進行了研究和分析，從能量的角度出發(fā)，得出相同的結(jié)論。 （2.1）公式中為磨削深度，在磨削深度小于某一臨界值的時候，材料的去除方法會由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危@便是脆塑轉(zhuǎn)變理論13。研究表明脆塑轉(zhuǎn)變的磨削深度與材料的脆性有著很大的關(guān)系，材料的脆性越大則脆塑轉(zhuǎn)換的磨削深度越小，反之材料的脆性越小則脆塑轉(zhuǎn)換的磨削深度越大。2.1.2表面裂紋壓痕斷裂力學(xué)模型就是把工程陶瓷磨削中磨粒與工件的相互作用看作是小規(guī)模的壓痕現(xiàn)象，

20、可以近似地將工程陶瓷磨削過程中損傷的形成過程看成是普通維氏四面體壓頭在工程陶瓷的法向方向接觸下得到的變形及斷裂過程。和率先將壓痕斷裂力學(xué)應(yīng)用到工程陶瓷磨削損傷的研究，并且提出磨削裂紋包括兩個裂紋系：即為中央裂紋系（或稱徑向裂紋系）、橫向裂紋系，還提出產(chǎn)生徑向裂紋及橫向裂紋的臨界載荷，其中產(chǎn)生徑向裂紋的臨界載荷為：P=545()（) （2.2）其中：是常數(shù)(普通維氏體壓頭)，和是常數(shù)(=1，=0.2)，為材料的斷裂韌性系數(shù)，為材料的硬度系數(shù)。產(chǎn)生橫向裂紋的臨界載荷為： （2.3）其中：是無量綱常數(shù)，是一個衰減函數(shù)，這里。此研究可以說明產(chǎn)生裂紋的臨界載荷與材料的特性有著很大的關(guān)系具體為材料的硬度越

21、大且韌性越小產(chǎn)生裂紋的臨界載荷就會越小。然而這個研究會有很大的局限性，該理論是用普通維氏體在靜態(tài)的情況下獲得的的結(jié)論，可是工程陶瓷的磨削加工過程是一個動態(tài)過程，在磨粒與工件接觸的時候會產(chǎn)生沖擊載荷，并且在磨削加工的全部過程中載荷的方向也是在不斷變化的。 工程陶瓷等硬脆材料在磨削加工過程中會產(chǎn)生磨削裂紋在眾多研究中都得到了證實，可知磨削力是產(chǎn)生裂紋的一個重要因素，此外磨削熱也是產(chǎn)生磨削裂紋的一個重要因素，在某些特定情況下還是主要原因。因為陶瓷的散熱能力差，即便是在磨削加工過程中使用冷卻液等手段進行冷卻，磨削區(qū)域的翅性變形以及磨粒與工件的急劇摩擦還是會引起很高的磨削溫度，所以在表面產(chǎn)生的熱壓應(yīng)力為

22、且。當(dāng)部分熱影響的磨削區(qū)域冷卻后，不能夠恢復(fù)的塑性變形會產(chǎn)生表面殘余拉應(yīng)力，如果殘余拉應(yīng)力超過材料的斷裂極限那么材料將會開裂，于是形成縱橫交錯的磨削裂紋。在上述兩個裂紋研究模型之外，有人也用疲勞理論來解釋工程陶瓷磨削裂紋的產(chǎn)生及擴展。因為工程陶瓷材料在磨削加工過程中要承受拉一拉循環(huán)應(yīng)力載荷，拉一拉循環(huán)應(yīng)力載荷則是非常典型的型裂紋擴展。循環(huán)應(yīng)力對工程陶瓷材料的附加損傷主要表現(xiàn)為：加速應(yīng)力腐蝕開裂；在裂縫尖尾端引發(fā)損傷區(qū)域。循環(huán)拉應(yīng)力能夠形成循環(huán)損傷區(qū)域，通過透射電鏡分析表明，于循環(huán)應(yīng)力的作用下，裂紋尖尾端將產(chǎn)生不可逆變形，會在裂紋尖端引發(fā)損傷區(qū)域，進而使裂紋向前面擴展，直到失穩(wěn)斷裂。2.1.3殘

23、余應(yīng)力由工程陶瓷材料磨削材料的去除原理可以知道，工程陶瓷材料在磨削加工過程中因為磨削力的存在將產(chǎn)生塑性變形，磨削力消失后沒恢復(fù)的坦性變形將使工件的表面殘留剩余的應(yīng)力。形成殘余應(yīng)力的另外因素則是磨削產(chǎn)生的熱量，工程陶瓷材料在磨削加工的過程中要造成大量的磨削熱量，磨削產(chǎn)生的熱量將導(dǎo)致材料發(fā)生形狀變化從而膨脹，其中部分膨脹在溫度回復(fù)后不可以恢復(fù)，這也會導(dǎo)致工件表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，在殘余應(yīng)力超過材料的斷裂極致時，材料就會被拉斷從而產(chǎn)生裂紋。殘余應(yīng)力特別是由磨削產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致的殘余應(yīng)力可能分布在表面的任意方向上，所以殘余應(yīng)力引起的裂紋可能發(fā)生在任意方向上，所以通過電鏡觀察磨削加工表面時經(jīng)常能觀察到各個方向

24、上微小的裂紋。當(dāng)前，國內(nèi)外在工程陶瓷磨削表面產(chǎn)生應(yīng)力的殘余的方面的研究主要集中在以下兩個方面：其一是對磨削加工以后殘留的應(yīng)力的觀察以及測試；二是在燒結(jié)或者加工過程中根據(jù)殘留的應(yīng)力的動態(tài)分布來優(yōu)化各種磨削參數(shù)用于減少磨削表面應(yīng)力的殘留。殘留的應(yīng)力的測量方法大致可分為機械方面測量法和物理方面測量法。2.2磨削表面損傷的控制由工程陶瓷磨削表面損傷的產(chǎn)生原理得知消除磨削產(chǎn)生的損傷的方法應(yīng)從以下幾個方面著手：首先要采用較小的磨削所用的深度。從以上討論可知，任何材料只要滿足一定條件都能實現(xiàn)不可恢復(fù)變形去除，研究表明當(dāng)磨削所用的深度小于某一特定值時，磨削將在不可恢復(fù)變形域內(nèi)進行，材料的去除方式將從脆性去除轉(zhuǎn)

25、為塑性去除。在塑性域內(nèi)去除材料將不會產(chǎn)生表面裂紋及表層粉碎，殘留的應(yīng)力也會大大減小。當(dāng)然必須指出的是較小的磨削所用深度將使加工效率變低，研究表明磨削表面損傷的深度不僅與材料的自身特性有關(guān)，同時還與加工時候的條件有關(guān)。其次，可以采用新的加工工藝方法。由于工程陶瓷材料其特殊的加工特性，傳統(tǒng)的磨削加工方式很難達到實際應(yīng)用的要求，所以人們一直在探索新型的工程陶瓷磨削加工方式。近年來興起的超聲波振動磨削、等都是很有代表性的新型復(fù)合式加工方法。這些磨削加工方式不但可以解決難磨削材料的加工問題并提快加工效率，而且可以改善加工質(zhì)量。其中超聲振動方法加工應(yīng)用潛力是最大，因為它不會受到加工材料特性的限制，其它有些

26、加工方法對加工材料有特殊要求例如導(dǎo)電性等。并且能顯著提升加工效率以及表面質(zhì)量。此外要有剛度高、分辨率大的工藝模型系統(tǒng)。由于工程陶瓷等硬脆材料的硬度高、脆性大等特性，將會使得其加工過程變的很難，相比于工程陶瓷材料的硬度很高來說，常用的加工系統(tǒng)則剛度較低，這使得在加工過程中機床容易產(chǎn)生偏振及錯刀。由于工程陶瓷等材料的脆性大，工藝系統(tǒng)的偏振帶來的沖狀造成的載荷會加劇磨削表面損傷的產(chǎn)生，與此同時偏振及錯刀使得加工要求的尺寸精度難以保障。此外由于工程陶瓷材料不能像金屬材料那樣采用較大的進給給刀量，所以這就需要工藝系統(tǒng)具有較大的分辨效率才行。2.3無損檢測技術(shù)工程陶瓷無損檢測技術(shù)很多，其中應(yīng)用比較廣泛的是

27、超聲檢測技術(shù)、射線檢測法、滲透液體進入表面開口檢測法等等，在以下表2.1中列出了工程陶瓷材料的傳統(tǒng)及新型無損檢測技術(shù)的原理及優(yōu)缺點。表2.1技術(shù)原理變量優(yōu)點及局限性能識別的缺陷著色探傷技術(shù)滲透液體進入開口檢測利用清洗水劑、滲透藥劑和顯像藥劑等，以毛細血管作用原理檢測表面開口損傷溫度、光照。滲透劑等操作簡單方便、費用低廉、適合表面微小損傷檢測；不適合孔多的材料，難以確定損傷深度，有主觀性裂紋、氣孔和疏松等聲波技術(shù)超聲波聲波傳遞：不相同介質(zhì)阻抗不同，反射的聲音傳播速度不同發(fā)散、減弱、聲速適宜材料厚度厚的，相比來說快速的檢測時間；但需要水淹沒孔洞、分層、氣孔、混合物掃描超聲波顯微鏡15聲波傳遞聲阻抗

28、率和聲減弱可作表部檢測，可作內(nèi)部檢測；但需要聲耦合裂紋、孔洞、分層聲波發(fā)射應(yīng)力波發(fā)射：由小部分區(qū)域應(yīng)力集中源頭的能量迅速釋放而生成瞬時彈性波振幅、計數(shù)、信號數(shù)隨時監(jiān)控，可以動態(tài)無損傷檢測；但需要一個很大的外力分層和混合物光電熱成像技術(shù)光電顯微鏡檢測由簡單的光電學(xué)顯微鏡發(fā)展到，獲取表面圖像擴大倍數(shù)、分辨率等圖像清楚，適宜工程陶瓷斷面及結(jié)構(gòu)分析；但裝備昂貴、工件需要鍍一層金，不適宜在線檢測裂紋、破碎、雜質(zhì)等紅外線熱成像檢測檢測由損傷和材料不同而產(chǎn)生的表面溫度層次變化，轉(zhuǎn)化為熱像圖熱像儀的溫 度分辨率、空間分辨率遠處檢測，精密度高，檢測范圍大，適宜表面損傷檢測，具有實時檢測損傷能力；但裝備價格貴，不

29、能確定材料里面熱量狀態(tài)空洞、分層、裂紋和雜質(zhì)等數(shù)字圖像處理檢測由圖像獲取信息將目標(biāo)轉(zhuǎn)換為圖像信息、數(shù)字信息，再進行目標(biāo)提取分辨率、模式辨別參數(shù)能實現(xiàn)自主檢測，圖像清晰，適用于表面損傷檢測，成本價格低廉；但不能檢測里面損傷裂紋、破碎、氣孔、劃痕等射線技術(shù)微小焦點的 X 射線X射線：由于工件表面和損傷處對X射線的阻擋效果不同，故 X 射線圖像清晰地展現(xiàn)工件里面細小結(jié)構(gòu)吸 收 和 衰減系數(shù)敏感度高，不受工件形狀約束；但價格高，不能了解與射線方向成90度角的細小缺陷，有輻射裂紋、空洞、分層、氣孔等工業(yè) CT檢測以高能量射線對工程陶瓷材料作斷面掃射，收集投影數(shù)據(jù)進行計算，再建成圖像吸 收 和 衰減系數(shù)成

30、像簡單直觀、分辨率高、不受工件幾何形狀約束；但成本價格高，工件尺寸有限度，有輻射裂紋、空洞、分層、氣孔、雜質(zhì)等3 粗集理論1982年，波蘭數(shù)學(xué)家提出了粗糙集理論這一數(shù)據(jù)處理方案，它是一種能夠有效地分析并且處理不完整、不確定和不一致等各種不完整知識的數(shù)學(xué)工具。粗集理論的基本思想是在保留知識的分類能力不變化的前提下，通過知識約簡操作從而抽取出問題的決定規(guī)則(或分類)，再一步發(fā)現(xiàn)其中隱藏的知識以及潛在的規(guī)則。它與其他分析模糊性和不確定性知識的理論的最明顯區(qū)別就是它不需要提供任何先驗知識或附加信息處理知識，信息往往是很難獲得，主觀性強，所以粗集理論來描述和處理這種不確定性的知識5。粗糙集理論還提供了一

31、套完整的小樣本知識挖掘系統(tǒng)感興趣的人在法,這不僅為信息科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)的邏輯和新的方法，但也提供了有效的手段，智能信息處理及相關(guān)領(lǐng)域。其中，在這一領(lǐng)域中圖像處理的粗糙集理論已經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。3.1粗糙集基本理論3.1.1知識表達系統(tǒng)和決策表知識表示是主要是指如何表達知識的有效的，可行的，在機器中使用的基本原理和方法。在智能信息處理中起著非常重要的作用，知識表示。無論什么樣的智能信息處理方法，包括基于粗糙集的知識表示理論，也不能放棄自己合適的知識表示形式和。粗糙集理論的知識表示是基于表達的知識有效地表達知識表達系統(tǒng)，和粗糙集的擴展應(yīng)用這一理論知識和方法。從認(rèn)知科學(xué)的角度來看，

32、知識可以被看作是對客觀事物進行分類的能力，人們對事物作為類的概念描述。在正常情況下，想在人們感興趣的范圍內(nèi)討論問題的研究，在數(shù)學(xué)上稱為域。假定起始域中的對象包含必要的信息或概念，他們是最基本，最原始的知識發(fā)現(xiàn)。通過分析這些信息或概念分析，對象可以分為不同的類別。兩個對象包含相同的信息時，人們將無法區(qū)分他們，說他們無法解決。因此，根據(jù)在域中的對象之間是不是二元構(gòu)造之間的關(guān)系，解決在對象的域，這是顯而易見的，二元關(guān)系是等價關(guān)系5。人們常把域中根據(jù)任何一個子集的等價關(guān)系劃分為一個域中的概念。通常，人們會在調(diào)用抽象的知識，對任何概念類的相關(guān)領(lǐng)域的知識領(lǐng)域，其還表示，在域的對象分類，和一部呼吁對領(lǐng)域知識

33、庫的域。知識表達系統(tǒng)是粗糙集理論中的知識表示和處理的最基本的工具，有限的一組基本的組件，它為研究對象，通過給定對象的知識描述的對象的基本屬性。知識表達系統(tǒng)的概念可以表述如下：定義(1)知識表達系統(tǒng)能夠表達成為這樣一個四元組S=(U,A,V，f)，其中U表示論域，由人們所研究的一個或一組對象形成的集合；A表示研究對象屬性的有限集合；,表示a屬性的值；f是一個信息函數(shù)，其可以表示成，即對，有。通過信息功能可以被分配到每個對象的每個屬性指定一個值的信息。使用這種方法，可以更容易地與二維數(shù)據(jù)的形式表示的對象的知識，稱為二維數(shù)據(jù)表的知識表達系統(tǒng)，也可以稱之為信息系統(tǒng)。決策支持系統(tǒng)是一種非常特殊的、重要的

34、知識表達系統(tǒng)，是一個決策信息的知識表達系統(tǒng)，說當(dāng)決策表中的對象來滿足一些必要的條件，應(yīng)制定相應(yīng)的決定。它可以被定義：定義(2)決策系統(tǒng)是一個特別的知識說明系統(tǒng)S=(U,A,V，f),其中屬性集，C表示條件屬性集合，D表示決策屬性集合，還有；對，有。這就組成了一個特別且至關(guān)需要的決策表，表中每個對象表示一條決策規(guī)律。3.1.2不可分辨關(guān)系 從數(shù)學(xué)理論知識可以明白，若集合U上的二元關(guān)系R符合自我反性、對稱性和傳交性，就稱它為等價關(guān)系。U上的某個等價關(guān)系R會造成U上的一個區(qū)分，而U上的一個區(qū)分是從U上的等價關(guān)系R獲得的。讓R作U上定義的一個等價關(guān)系，那么U|R則表示U里面由R的所有等價物組成的集合，

35、經(jīng)常用表示對象的R等價類，即中每個對象的所有特殊價值都與X的所有特殊價值相同5。一個知識集合就是一個關(guān)系系統(tǒng)，其中U表示論域，R表示U里面的一群等價關(guān)系，當(dāng)U里面兩個對象x與Y屬于同種等價類型時，那么它們屬于不可分辨的，所以不可分辨關(guān)系能夠定義為：定義(3)假設(shè)知識表達系統(tǒng)S=(U,A,V,f)，對于全部的屬性子集，能夠按照下列公式定義一個不可以分辨關(guān)系IND(B)： （3.1） 3.1.3近似與粗糙集粗集理論關(guān)于研究數(shù)據(jù)的知識域的抽取。設(shè)XU，R是在論域U里面的等價關(guān)系，R和由此產(chǎn)生的等價類之間的關(guān)系是對U的領(lǐng)域知識，當(dāng)集X可以表示為一些R和X被稱為R，可以定義，否則X R是未定義的。R是定

36、義在知識庫可以精確的定義，這是宇宙的一個子集。在這一點上，R可定義集和不可定義集也可以稱為精確的R和R粗糙集。等價關(guān)系下基于兩個精確集，并描述了粗糙集的使用它們：定義（4）在知識表達系統(tǒng)S=(U,A,V,f)中，相比于所有子集和等價關(guān)系R，分開定義兩個確定子集和 （3.2） （3.3）它們一個表示X的上近似集，一個表示X的下近似集。這時候某個集合的和可以把U抽取為三個無相交集合的部分，例如集合表示X的R正域；表示X的R負(fù)域；表示x的R邊界區(qū)域。表達某個集合X的相似集合與區(qū)域劃分之間的關(guān)系可以如下圖1，圖中每一個小方形表示一個等價類：圖3.1 粗糙近似3.1.4知識約簡一個決策表就是一個決定系統(tǒng)

37、，它收集了大量的社區(qū)樣本的信息，每個樣本對象代表一個基本決策規(guī)則，即決策表是許多這些決策規(guī)則集組成的。然而，使用這樣的集的決策規(guī)則是小的，主要的原因是，他們的決策規(guī)則未能表現(xiàn)出適應(yīng)性，他們只是機械地記錄一個樣本的情況下，他們不適應(yīng)新的形勢，一些其他的。因此，有必要降低經(jīng)營決策信息系統(tǒng)，以達到從決策信息系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)人們需要適應(yīng)規(guī)則的程度，這是由每一個對象獲得決策表約簡代表一類包含的對象相同的規(guī)則5。知識約簡是知識表達系統(tǒng)來消除冗余信息，如下。如何判斷冗余和減少和一些基本概念，表達如下： 定義（5）假設(shè)決策表，若決定屬性相對于屬性的正域。如果，那么在屬性集合中相比來說是必須的的；不然在屬性集合中相比來

38、說是不一定需要的。定義(6)假設(shè)決策表，和是在論域U里面定義的兩個等同價值關(guān)系群，表示的全部約簡集合，的核，核就是的全部的相對一定需要的約簡屬性集合都包括的屬性的集合。定義(7)假設(shè)決策表，是在論域上確定的某個等價關(guān)系，并且。在的時候，則在里面一定不需要的，即額外的；不然則稱在里面是一定需要的。并且在相比都是里面一定需要的，能夠稱R是獨立的，不然就稱R是相互依賴的。決策表包含關(guān)于種族關(guān)系相互依賴，因為多余的關(guān)系，所以它可以減少冗余信息；然而，家庭關(guān)系是獨立的，沒有任何關(guān)系都會影響到?jīng)Q策表的表中的分類知識庫的能力?；诖植诩闹R約簡是需要從歷史數(shù)據(jù)中獲取有用的知識，主要方法是在條件屬性和決策屬

39、性之間的關(guān)系的原始決策表保持不變，即沒有改變的情況下，決策表的分類能力，減少了決策表的約簡，主要包含屬性約簡和屬性值約簡9。還原后可以得到規(guī)則的具體過程簡化，使人們快速有效的決策知識約簡是簡單的和正確的：(1)數(shù)據(jù)離散化利用粗糙集理論來處理決策表的實際數(shù)據(jù)處理中，通常需要的屬性的值必須是離散值。在某些屬性的范圍是連續(xù)的，這就需要在這個過程中，必須進行離散化。粗糙集理論的核心概念是主要的采樣分辨率之間的關(guān)系，因此，基于粗糙集理論的數(shù)據(jù)離散化方法必須保證原系統(tǒng)中的樣品已經(jīng)解決了相同的關(guān)系，否則可能會引入虛假信息或丟失一些信息，導(dǎo)致的結(jié)果不準(zhǔn)確的離散化10。通常情況下，知識表達系統(tǒng)需要通過數(shù)據(jù)離散化

40、方法可以使用還原處理理論，為了讓人們需要的結(jié)果。（2)屬性約簡在知識表示不變系統(tǒng)的分類和決策能力，你可以刪除不必要的屬性的決策表中通過屬性約簡，減少決策表，便于決策表進行分析，為決策中找到需要的屬性。屬性約簡可以大大提高后續(xù)的值約簡算法的效率，同時也使最終的規(guī)則更準(zhǔn)確、更簡潔5。(3)值約簡屬性約簡決策表中可以有效地消除冗余條件屬性，但也不能完全清除表中的冗余信息。因為所有條件屬性的值的決策表屬性約簡，不是每個記錄的信息是必需的，因此有必要進行值約簡5。其目的是為了消除決策表不影響那些冗余的規(guī)則來表達的條件屬性值，從而得到更精簡的規(guī)則。粗集理論在圖像處理中的應(yīng)用：之所以將粗集理論應(yīng)用到圖像處理

41、中，是因為在多數(shù)情況下它有比普通的加工方法更準(zhǔn)確的算法，是因為圖像信息有很好的空間相關(guān)性、復(fù)雜性的處理能力。具有可解決一些不確定性和不完整性的性能。如圖像增強處理，即提高圖像顯示的清晰度，將實驗中圖像的一些有用的信息進行增強、放大，比如將圖像的輪廓放大變清晰、使圖像清晰的顯示出細節(jié)，目的是最大限度的突出圖像的對比度，灰度，使層次顯示清晰，有效地提高圖像的“可理解性”。4 基于粗集理論的工程陶瓷磨削表面損傷檢測模型設(shè)計4.1損傷特征參數(shù)提取和選擇4.1.1幾何特征圖像的幾何特征在圖像識別中的一個非常重要的角色，在一些機器人視覺系統(tǒng)，往往與圖像的幾何特征，如大小，位置，和方向，來確定物體的位置和識

42、別。在幾何特征的提取，一般損壞的二值圖像，這是為了提取物體輪廓特征1。圖像損傷包括周長、面積的幾何特征。（1）周長該區(qū)域的周長的邊界，而面積由內(nèi)點和邊界點，對的一個特定的區(qū)域，它的邊界點的任何一個必須滿足以下兩個條件：一個是在論域里面。另一個是的區(qū)域里面存在像素點不在區(qū)域里面。區(qū)域的邊界集合是由的全部邊緣點按照某方向連接拼成的，則其數(shù)學(xué)表達式可以定義為： （4.1）公式中，第一個條件是在邊界點屬于Q限制區(qū)域；二是像素不屬于Q限制邊界點的場區(qū)。在圖像，形狀比較簡單的對象，可以使用較短的周長來包圍面積的像素區(qū)，周圍的所有像素的外邊界長度，是周邊的對象。在一般情況下，實際周長周長和影像對象要大，這是

43、因為長度測量包括大量的90度角。周邊的表示方法不同，產(chǎn)生了不同的計算方法，使結(jié)果的圓周也不同1。在周長計算的常用方法：對邊界地區(qū)的周邊，周邊的邊界點，當(dāng)然，每個區(qū)域的像素。像素是一個小盒子單元面積，圖像的背景和對象有一個小盒子，然后對象是對象與周邊間隙長度的背景。(2)面積面積和區(qū)域的邊界是緊密相連的，是衡量區(qū)域的大小，和周邊地區(qū)的計算簡單，最簡單的方法是統(tǒng)計像素邊界，計算公式如下： （4.2）4.1.2形狀特征（1）圓形度對象可以通過圓度圓度表示，表現(xiàn)形式有很多，是一個常用的指標(biāo)是數(shù)學(xué)，定義為： （4.3）表示周長，表示面積，的取值范圍是 ,外形是為圓形時提取最小值4萬，其形狀越細長，值就越

44、大。 (2)曲率K，數(shù)學(xué)公式定義為： （4.4）公式中代表彎曲率半徑；曲率就是在曲線里某一個點的切線方向角度對于弧長的轉(zhuǎn)動率，表達曲線與直線的偏差程度。的數(shù)值若越小，則直線效果就越好。4.1.3灰度特征損傷區(qū)域的像素灰度均值MNQ。損傷區(qū)域里面概括的全部像素的灰度均值公式： （4.5）4.2分類器設(shè)計根據(jù)大量不同的傷害類型圖片的觀察和分析，根據(jù)特征參數(shù)盡可能的少，作為分類精度的原理，本文選取了三個參數(shù)作為分類器的輸入。它們分別為圓形度C、損傷區(qū)域灰度均值MNQ以及曲率K。在氣孔通常是圓的視圖，和裂紋和劃痕_特性線的形狀，考慮破碎作用，根據(jù)圓度將損傷分為（破碎和氣孔）和（斷裂，裂紋，劃痕）兩大類

45、16?；疑谛∮跉饪椎幕叶戎档谝话鄶?，根據(jù)個人傷害的灰色意味著他們可以破孔和區(qū)別。同樣在第二類，但也由于破碎的灰度值低于劃痕和裂紋，所以容易破碎；至于劃痕和裂紋，裂紋線是好的或壞的劃痕，劃痕比裂紋更直，所以零曲率小于裂紋1。由以上分析可知分類器的設(shè)計如下圖2所示： 圖4.1在損傷分類器里面，會影響分類成效的原因，除了抽取特征參數(shù)的數(shù)目外，還有一個重要的影響原因是分類閥值的提取。簽于以往經(jīng)歷，的取值范圍是3040；因為破碎和氣孔的灰度值區(qū)別很大，所以的取值比較容易，適宜范圍為180210；的范圍是150180；的取值小于0.001即可。4.3表面損傷評價、結(jié)果分析及數(shù)據(jù)分析4.3.1表面損傷評價

46、工程陶瓷磨削表面的損傷評價體系如下圖3所示：圖4.2 磨削加工表面損傷評價體系總體評價，包括損傷率，損傷率的表面損傷檢測，已加工表面的損傷程度。損傷評估也可以稱之為局部評價，各種描述的表面損傷檢測和損傷程度的分布。里邊每個損傷因子之和叫做損傷率，每個損傷因子的數(shù)學(xué)表達式為： （4.6）公式中表示每個損傷因子，屬于無量綱單位數(shù)，是每個損傷區(qū)域的面積之和，是檢測區(qū)域的所有面積。4.3.2損傷檢測結(jié)果分析及數(shù)據(jù)分析損傷檢測的軟件開發(fā)，加工紋理去除，任何圖像分割收集全面的圖像，紋理特征參數(shù)，工程陶瓷磨削表面損傷評估，主要步驟如下圖4所示：a原圖B分割灰度圖d傷檢測結(jié)果圖C損傷結(jié)果標(biāo)號圖圖4.3 工程陶

47、瓷表面損傷檢測主要步驟圖應(yīng)用本分類器對若干張圖片進行典型損傷分類，分類的結(jié)果如下表2所示。從分類的結(jié)果看，氣孔的識別正確率最高，可以達到約96；裂紋的識別正確率也在百分之85以上；劃痕的識別正確率達到了80；因為破碎過多，且受紋理去除的影響，造成需要損傷信息的丟失，這也是不可避免的，其正確識別率也在70左右。表4.1 分類器分類結(jié)果損傷類型氣孔裂紋劃痕破碎實際個數(shù)674317識別個數(shù)6437146411正確率95.52%86.05%82%針對工程陶瓷磨削表面經(jīng)常出現(xiàn)的損傷類型，對不同損傷特征進行深入分析的基礎(chǔ)上，選擇了10種特征參數(shù)對其進行識別，它們分別為損傷目標(biāo)的周長，面積，圓形度，曲率，灰

48、度均值等編號分別為到。以一個定量的參數(shù)d表示工程陶瓷磨削表面損傷等級，取值范圍為0.0-1.0,當(dāng)d為0時表示無損傷，為1時表示致命損傷，具體等級劃分如下：0.0d0.2 無損傷0.2d0.4 輕度損傷0.4d0.6 中度損傷0.6dO.8 嚴(yán)重?fù)p傷0.8dI.0 致命損傷表4.2顯示的是采集的樣本數(shù)據(jù)，按照以上提出的等級劃分，我們可以將表4.2中的屬性值離散化為0到4的五個狀態(tài)值。由此得到的決策表如下表4.3所示。表4.2 測試樣本集Ua1a2a3a4a5a6a7a8a9a10dX1o.10.50.20.60.20.40.40.50.50.3o.45X20.20.30.40.30.30.40

49、.20.20.40.20.30X30.60.70.80.30.30.60.30.40.80.30.61X40.50.70.40.30.40.30.30.30.70.30.25X50.20.10.30.10.10.90.10.10.10.10.20X60.60.70.80.40.30.60.40.40.80.30.55X70.20.20.20.20.20.20.20.20.30.20.20表4.3 決策表Ua1a2a3a4a5a6a7a8a9a10dX102131111112X211211211211X333411312413X423212111311X510100400001X63342132

50、2412X711111111111表4.4 簡約值結(jié)果（1）Ua2a3a4a6a7dX112*1X234*313X332*111X401*401X53*2322X6212212X7*00100X84444*4表4.5 簡約值結(jié)果（2）Ua2a3a4a7a8dX1213222X2*21111X3010*01X43422*2X5212112X6*00*00X74444*4X8120*01表4.6 簡約值結(jié)果（3）Ua1a2a3a4a7dX1021322X2334113X3232111X4334222X5*1*1*1X6*11111X7221212X80*0000X9000*10算法如下:1.將決策

51、表中屬性逐列對比, 除去該列后, 有沖突紀(jì)錄, 則保留沖突記錄的原該屬性值; 沒有沖突記錄但含有重復(fù)紀(jì)錄則記為“*”，對其他紀(jì)錄則記為“？”。2.刪除可能出現(xiàn)的重復(fù)紀(jì)錄, 并考察每條含有標(biāo)記為“？”的記錄。若僅由未被標(biāo)記的屬性即可判斷出決策20, 則將“？”標(biāo)記為“*”，否則將標(biāo)記“？”標(biāo)為原屬性值; 若某條記錄的所有條件屬性均被記錄, 則將“? ”的屬性項改為原屬性值。3.刪除所有條件屬性均被標(biāo)記為“*”的記錄及可能產(chǎn)生的重復(fù)記錄。4.如果兩條記錄僅有一個條件屬性值不同, 且其中一條記錄該屬性被標(biāo)為 “*” , 那么對該記錄如果可由未被標(biāo)記的屬性值判斷出決策, 則刪除另外一條記錄; 否則, 刪除本記錄。值約簡的結(jié)果如上表4.4、表4.5所示。值約簡的結(jié)果即所抽取的規(guī)則，為了驗證算法的可行性，利用兩個新的樣本x17和x18來對抽取的規(guī)則進行檢驗。樣本x17的屬性集合即其各構(gòu)件損傷狀態(tài)為：，而樣本x18的屬性集合為：。 根據(jù)表4.4、表4.5、表4.6顯示的規(guī)則而估計的兩個工程陶瓷損傷狀態(tài)參數(shù)d分別為2和0。這表明x17號工程陶瓷為中等損傷，而x18號工程陶瓷則為無損傷。該預(yù)測結(jié)果與工程陶