劉培康，武文斌，王雪峰，侯寧沛，張文龍，呂少杰，趙歧峰

（1.河南工業(yè)大學糧油機械研究所，鄭州 450001；2.鄭州科技學院，鄭州 450001）

根據(jù)制粉工藝需要，噴砂輥用于等級粉廠的心磨等多個系統(tǒng)來對物料進行研磨，伴隨著制粉過程，噴砂輥表面會逐漸磨損，其表面形貌變化會影響對物料的研磨效果、磨輥壽命、電能消耗[1-3]。當噴砂輥磨損嚴重時需要及時更換磨輥或?qū)Ρ砻嬷匦逻M行粗糙毛化處理，粗糙化目前多采用噴砂方法，如果更換磨輥或過早重新噴砂會影響磨輥使用壽命，同時設(shè)備停機會造成停產(chǎn)和磨輥噴砂工時費等企業(yè)總成本的增加。更換磨輥或噴砂過晚，會影響面粉品質(zhì)、出粉率、增加電耗，同時也會加快磨輥表面磨損，縮短磨輥壽命。所以說，準確判斷噴砂輥表面磨損情況，及時對噴砂輥進行更換或重新噴砂修復(fù)，能夠減少企業(yè)成本、提高面粉質(zhì)量和產(chǎn)量，從而提高企業(yè)效益。

在實際生產(chǎn)過程中，制粉師是通過用手摸噴砂輥表面或者通過磨粉機電耗以及出粉率來間接判斷噴砂輥磨損情況，有條件的面粉廠使用粗糙度測量儀測量噴砂輥表面的磨損情況，對于噴砂輥表面形貌，沒有具體的描述指標。同時，隨著食品行業(yè)競爭的加劇，利潤率被壓低，要求生產(chǎn)過程的各個方面都以最佳性能運行，只有通過數(shù)字化才能實現(xiàn)生產(chǎn)標準的優(yōu)化以及設(shè)備信息的可追溯性。因此，分析噴砂輥表面形貌以及科學描述其表面磨損情況是該行業(yè)非常關(guān)注的問題。

隨著計算機運算能力的提高、微電子技術(shù)的發(fā)展以及快速傅里葉變換算法的實現(xiàn)，圖像處理算法得到了更廣泛地應(yīng)用，現(xiàn)代圖像處理技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域得到了擴展。目前在國內(nèi)外，圖像處理技術(shù)應(yīng)用在金屬表面形貌檢測方面已取得較多的研究成果：國外Matsushima等[4]最先使用圖像處理及視覺系統(tǒng)，對切削刀具的磨損圖像進行處理，對處理后的磨損圖像信息進行計算，最終實現(xiàn)了切削刀具磨損狀態(tài)的識別。Y H Lee等[5]采用圖像處理技術(shù)研究了切削刀具前刀面月牙凹坑的磨損規(guī)律。美國Westinghouse公司利用CCD相機附加光源來檢測鋼板的表面缺陷情況，并且提出將光路組合方式應(yīng)用于檢測系統(tǒng)[6]。D Itzhak[7]等對AISI304L不銹鋼在FeCl溶液中的點蝕情況通過計算機圖像處理方法進行評估，通過計算凹坑概率和凹坑區(qū)域的直方圖計算得出點蝕率為9.73%，并證明計算機圖像處理技術(shù)是一種有效的點蝕統(tǒng)計評估工具。Tsai D M等[8]對木材、紡織面、機加工面等紋理表面形貌進行圖像復(fù)原，之后對其表面形貌進行了分析。Hoang K等[9]將圖像處理技術(shù)運用到皮革表面檢測領(lǐng)域，采用自適應(yīng)閾值分割方法對皮革表面圖像進行分割，之后對表面缺陷進行分類實現(xiàn)表面檢測。而且，使用該技術(shù)還可以對表面的凹坑形狀進行分析[10]。

因此，利用圖像處理技術(shù)，分析噴砂輥表面磨損規(guī)律，對定量表征噴砂表面形貌、準確判斷噴砂輥表面磨損狀態(tài)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗在河南麥道面粉有限公司進行，試驗小麥為當?shù)鼗旌闲←?，不完善粒率約為5%，ⅠB入磨水分為16.0%，測試工藝部位為2M，磨粉機為鄭州格德格瑞機械工程有限公司制造，磨粉機及噴砂輥的參數(shù)如表1所示。

表1 磨粉機及2M噴砂輥參數(shù)

1.2 試驗裝置

試驗采用由EM00M/C型號的工業(yè)相機、TL10×065s/c型遠心鏡頭及RL5428-29型環(huán)形光源搭建的圖像采集裝置，如圖1所示。

圖1 噴砂輥表面圖像采集裝置

1.3 試驗方法

麥芯顆粒與噴砂輥屬于軟顆粒磨損，磨損周期較長，本次試驗?zāi)シ蹤C及噴砂輥：產(chǎn)量為1.46 t/h、連續(xù)工況下運行，噴砂輥試驗研究時間是從使用前至需重新噴砂為止共60 d，采集位置選取在距離噴砂輥右端面100 mm點A位置(見圖2)，每隔10 d使用圖像采集裝置在該位置采集一次噴砂輥表面磨損形貌圖像，利用離散數(shù)據(jù)點擬合噴砂輥使用過程的表面形貌變化規(guī)律。實驗過程中，每次測試時間約5 min，該時間段與10 d間隔時間相差較大，故5min內(nèi)測量參數(shù)變化可忽略不計。

圖2 圖像采集位置示意圖

1.4 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用matlab軟件平臺編寫程序?qū)Σ杉哪p過程圖像進行圖像處理和紋理特征提取。

2 噴砂輥磨損機理及表面特征

輥式磨粉機研磨機構(gòu)主要由一對差速相向轉(zhuǎn)動的磨輥組成。如圖3所示。

圖3 研磨機構(gòu)工作原理圖

制粉時，小麥顆粒及粉料從磨輥上方進入輥間研磨區(qū)，受到差速相向旋轉(zhuǎn)磨輥的擠壓、研磨及搓撕作用完成制粉過程。分析制粉工況，認為噴砂輥的磨損為三體磨料磨損。

三體磨損是一個動態(tài)復(fù)雜的過程[11-13]，并伴有物理化學變化，目前還沒有形成統(tǒng)一的理論模型和研究方法。為分析噴砂輥表面具體磨損過程，對河南麥道面粉有限公司2M工藝部位DMFT型磨粉機噴砂輥的表面磨損情況進行連續(xù)跟蹤。從宏觀角度，噴砂輥連續(xù)加工1 d表面變化不明顯，但整個磨損周期其表面形貌差別較大，并且發(fā)現(xiàn)噴砂輥表面變化具有連續(xù)性，即表面質(zhì)量在不斷惡化，具體如下：

第一階段（0～20 d）：噴砂輥表面存在不均勻的凸峰和凹坑，表面發(fā)暗，用手感知具有粗糙感。

第二階段（21～40 d）：麥芯顆粒沿噴砂輥表面滑移擠壓過程中在正應(yīng)力作用下，對噴砂輥表面進行破壞，表面凹坑逐漸擴大，且凸峰逐漸變平，表面出現(xiàn)少許犁溝。

第三階段（41～60 d）：表面凸峰在磨料的反復(fù)應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞效應(yīng)，表面逐漸磨光，噴砂輥表面出現(xiàn)反光，表面粗糙感降低，此時應(yīng)對噴砂輥表面進行重新噴砂修復(fù)。圖4為磨損周期內(nèi)噴砂輥表面形貌間隔10 d的圖像采集結(jié)果，圖像大小均為1 280×960像素。

圖4 噴砂輥磨損過程表面形貌圖像

3 噴砂輥磨損形貌紋理特征實驗研究

3.1 灰度共生矩陣算法

灰度共生矩陣(gray-level co-occurrence matrix,GLCM)是最常用的紋理特征提取方法，該方法提取的紋理特征具有良好鑒別能力。Haralick R M等[14]提出的GLCM方法已經(jīng)成為紋理特征提取的一種經(jīng)典算法，在很多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，之后不斷深入研究，從GLCM中提出了14個二階統(tǒng)計量作為紋理特征，用于紋理分割和分類等方面，其中常用的有二階矩、紋理熵、對比度、相關(guān)性四個特征量[15]。

3.2 GLCM特征參數(shù)

（1）二階矩ASM，又叫能量，反映了圖像灰度分布的均勻度和紋理細度，它是矩陣中各元素的平方和。當能量值較大時，紋理較粗糙；反之，紋理較細。表達式如下：

（2）熵ENT，反映紋理的復(fù)雜度、非均勻度以及隨機性。當圖像紋理比較復(fù)雜時，熵值較大；反之，灰度均勻時，熵值較小。表達式如下：

（3）對比度CON，又叫慣性矩、非相似性，反映紋理的高與低，可理解為圖像的清晰度。紋理的溝紋（凹槽）越深，對比度越大，效果清晰；反之，溝紋越淺，對比度就越小，圖像效果模糊。表達式如下：

（4）相關(guān)性COR，用來反映矩陣中各元素的相似程度。當矩陣某些元素的值相等時，相關(guān)性較大，如果圖像中存在水平紋理，則水平矩陣的相關(guān)性大于其它矩陣[16]。表達式如下：

式中：u1，u2，σ1，σ2定義如下：

3.3 噴砂輥磨損形貌紋理特征提取

針對實驗獲取的原始灰度圖像，按照紋理特征參數(shù)計算公式，運用matlab軟件計算并提取噴砂輥表面圖像的紋理特征，所得結(jié)果如表2所示。對圖像中提取的各特征數(shù)據(jù)按照公式9進行歸一化，使得處理后的數(shù)據(jù)限定在[0,1]范圍內(nèi)，便于分析數(shù)據(jù)。

表2 噴砂輥磨損形貌圖像紋理特征參數(shù)統(tǒng)計表

其中xmax為同一特征參數(shù)不同時刻數(shù)據(jù)的最大值，xmin為最小值。

歸一化處理后的特征量數(shù)據(jù)隨磨損時間的變化規(guī)律如圖5。

圖5 磨損過程圖像各紋理特征變化曲線

分析圖5中各特征參數(shù)變化曲線可知，隨著噴砂輥表面磨損程度的加劇，圖像紋理特征中的二階矩、熵值和對比度呈現(xiàn)單調(diào)遞減的變化，二階矩值逐漸減小，表明圖像的灰度分布逐漸發(fā)生變化，原因是磨損后凹坑面積逐漸減小，凸峰逐漸平滑，表面灰度逐漸變得不均勻。熵值反映紋理的復(fù)雜程度、信息量以及非均勻性，熵值逐漸減小，意味著表面形貌的精細紋理越來越少，表面形貌越來越光滑。對比度逐漸降低，意味著表面圖像的紋理越來越稀疏，表面逐漸變暗。根據(jù)實驗得到的相關(guān)性隨磨損時間的變化曲線，發(fā)現(xiàn)該值波動范圍比較大，不合適作為判斷噴砂輥表面磨損程度的特征參數(shù)。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，輥式磨粉機噴砂輥在制粉過程中，受到交互作用力的影響，噴砂輥表面會不斷磨損，隨著噴砂輥表面磨損時間變長，其表面形貌逐漸惡化，紋理特征不斷變化，通過分析各特征參數(shù)隨磨損時間的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)紋理特征參數(shù)二階矩、熵值和對比度對區(qū)分噴砂輥表面磨損程度有良好的體現(xiàn)，可以用于定量表征噴砂輥形貌，為準確描述噴砂輥表面磨損狀態(tài)提供參考。