發(fā)布時間：2020-08-02 14:38

【摘要】：加工工件表面的微觀幾何形貌特性在很大程度上影響著零件的耐磨性、耐腐蝕性、接觸剛度、抗疲勞能力等物理特性以及使用壽命、可靠性等功能,而近年來科技的發(fā)展對工件表面粗糙度的檢測效率,精度提出了越來越高的要求。由于傳統(tǒng)的接觸式與非接觸式測量會在待測表面留下劃痕,效率低,原理復(fù)雜,操作環(huán)境要求高等問題,所以近年來基于機(jī)器視覺的表面粗糙度測量方法得到廣泛應(yīng)用,但由于基于機(jī)器視覺的測量方法在分析過程中需要人工設(shè)計(jì)圖像特征,成本較高,不能滿足現(xiàn)實(shí)的需求。所以本文提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的圖像識別方法,從工件的表面顯微圖像檢測工件的表面粗糙度。通過實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)現(xiàn)了從工件表面顯微圖像到工件表面粗糙度等級的精確分類以及二維粗糙度參數(shù)Ra和三維粗糙度參數(shù)Sq,Sa的識別。討論了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、訓(xùn)練及其圖像分類識別原理。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的不完全連接、權(quán)值共享以及池化采樣結(jié)構(gòu)為其在圖像分類識別上提供了不可替代的優(yōu)越性,其獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高了網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算速度。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由多個網(wǎng)絡(luò)層串聯(lián)構(gòu)成,其網(wǎng)絡(luò)自動提取的圖像特征隨著網(wǎng)絡(luò)深度的增加而抽象化,抽象的深度特征信息提高了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對圖像幾何變形的不變性。采用改進(jìn)的LetNet-5為模型對手寫數(shù)字進(jìn)行分類識別的仿真研究,得到了較高的分類識別精度。采用顯微圖像與形貌測量系統(tǒng)獲取了不同粗糙度樣塊表面的顯微圖像與三維形貌數(shù)據(jù),并對二維圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,得到了各表面的二維灰度圖。根據(jù)各表面形貌數(shù)據(jù)得到各表面的輪廓曲線,分析其表面曲線的周期性確定了樣本圖像的大小。建立卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本數(shù)據(jù)庫,并對樣本數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了噪聲樣本和旋轉(zhuǎn)樣本的擴(kuò)充。建立了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,分析了實(shí)驗(yàn)環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)性能評價標(biāo)準(zhǔn)。利用單因素實(shí)驗(yàn)法得到了網(wǎng)絡(luò)模型在車削樣本數(shù)據(jù)庫上的網(wǎng)絡(luò)性能隨網(wǎng)絡(luò)參數(shù)(網(wǎng)絡(luò)深度、濾波器大小、濾波器個數(shù)、訓(xùn)練批量和稀疏率)的變化規(guī)律。依據(jù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)性能的影響規(guī)律得到最優(yōu)參數(shù)模型,利用最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)模型對各樣本數(shù)據(jù)庫進(jìn)行二維粗糙度等級分類識別,得到各樣本數(shù)據(jù)庫的二維粗糙度分類精度。建立了卷積回歸網(wǎng)絡(luò)模型,構(gòu)建了以二維粗糙度參數(shù)Ra值為網(wǎng)絡(luò)輸出參考值的樣本數(shù)據(jù)庫,利用卷積回歸網(wǎng)絡(luò)在各樣本數(shù)據(jù)庫上進(jìn)行訓(xùn)練測試,得到各樣塊表面二維粗糙度的識別結(jié)果,實(shí)驗(yàn)表明,卷積回歸網(wǎng)絡(luò)能夠有效并準(zhǔn)確的完成樣塊表面二維粗糙度參數(shù)的識別。構(gòu)建以三維粗糙度參數(shù)Sq,Sa為網(wǎng)絡(luò)輸出參考值的樣本數(shù)據(jù)庫。利用已構(gòu)建的卷積回歸網(wǎng)絡(luò)在各樣本數(shù)據(jù)庫上進(jìn)行訓(xùn)練測試,得到了各樣塊表面圖像對應(yīng)的三維粗糙度參數(shù)識別結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,卷積回歸網(wǎng)絡(luò)能夠有效并準(zhǔn)確的完成樣塊表面重三維粗糙度參數(shù)的識別。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP391.41;TP183
【圖文】：

1 緒論方法中的光學(xué)、超聲、掃描隧道顯微鏡等所用儀器設(shè)備價格昂貴，對環(huán)境要求高，測量尺寸和粗糙度范圍有限，限制了其在工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。1.2.2 表面粗糙度測量方法的研究現(xiàn)狀表面粗糙度是影響生產(chǎn)制造精度的重要因素，其測量方法的提出可以追溯到 1929 年，G.Schmalz 首次對表面粗糙度進(jìn)行了初步評價和定義，其采用 Hmax 參數(shù)和測量基線兩個標(biāo)定量，第一次對工件表面粗糙度進(jìn)行了量化評價，為后續(xù)表面粗糙度的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。1936 年，E.J.Abbott 研發(fā)了第一款用于生產(chǎn)的表面粗糙度測量儀，其采用表面輪廓的峰頂和探針支撐面積的比值關(guān)系特征對表面粗糙度進(jìn)行了定義。1940 年，英國研制出了觸針式泰勒雪夫表面粗糙度儀[10]，其工作原理如圖 1-2 所示。英國的糙度儀出現(xiàn)后，各國也均成功研制出不同的測量表面粗糙度的輪廓儀。電感線圈分劃板狹縫光源S

1 緒論方法中的光學(xué)、超聲、掃描隧道顯微鏡等所用儀器設(shè)備價格昂貴，對環(huán)境要求高，測量尺寸和粗糙度范圍有限，限制了其在工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。1.2.2 表面粗糙度測量方法的研究現(xiàn)狀表面粗糙度是影響生產(chǎn)制造精度的重要因素，其測量方法的提出可以追溯到 1929 年，G.Schmalz 首次對表面粗糙度進(jìn)行了初步評價和定義，其采用 Hmax 參數(shù)和測量基線兩個標(biāo)定量，第一次對工件表面粗糙度進(jìn)行了量化評價，為后續(xù)表面粗糙度的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。1936 年，E.J.Abbott 研發(fā)了第一款用于生產(chǎn)的表面粗糙度測量儀，其采用表面輪廓的峰頂和探針支撐面積的比值關(guān)系特征對表面粗糙度進(jìn)行了定義。1940 年，英國研制出了觸針式泰勒雪夫表面粗糙度儀[10]，其工作原理如圖 1-2 所示。英國的糙度儀出現(xiàn)后，各國也均成功研制出不同的測量表面粗糙度的輪廓儀。電感線圈分劃板狹縫光源S

應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對待測表面的粗糙度進(jìn)行預(yù)測。雖然這些方法相比傳統(tǒng)的接觸式和光學(xué)測量方法高效，準(zhǔn)確，但這類方法的難點(diǎn)在于統(tǒng)計(jì)參數(shù)的提取，而其參數(shù)是通工設(shè)計(jì)圖像特征后提取的，所以既耗時，成本又高；并且分階段采用人工特征標(biāo)記對粗糙度進(jìn)行識別既增加了運(yùn)算識別復(fù)雜程度，又極大的提高了識別成本，部分研究者于研究從原始自然圖像中 自學(xué)習(xí)特征 而非事先 人工設(shè)計(jì)特征 的深度學(xué)習(xí)[30]。2.3 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀隨著智能化產(chǎn)業(yè)的普及，人工智能設(shè)備越來越普遍。深度學(xué)習(xí)作為人工智能領(lǐng)域不缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，支撐著眾多智能設(shè)備的智能操作。而如今，深度學(xué)習(xí)已廣泛應(yīng)用于我活的方方面面，讓生產(chǎn)制造變得更為精密，便捷。本研究課題提出了一種應(yīng)用深度卷經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法來測量工件的表面粗糙度。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）目前是深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域用最為成熟的分支之一，具有強(qiáng)大的特征學(xué)習(xí)能力。深度學(xué)習(xí)在特征提取方面與其他學(xué)習(xí)算法不同。如圖 1-5 所示，深度學(xué)習(xí)替代了機(jī)器學(xué)習(xí)的特征提取、特征統(tǒng)計(jì)以及學(xué)習(xí)等步驟，就像是一個 黑箱 ，自動提取圖像的特征信息，并且實(shí)現(xiàn)了特征提取與的一體化，從而完成了輸入到輸出的圖像識別，大大提高了圖像的檢測效率與識別精特征傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法輸入特征提取輸出機(jī)器學(xué)習(xí)

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