專利名稱：一種實(shí)時(shí)殘余應(yīng)力測量系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實(shí)時(shí)鉆孔測量殘余應(yīng)力的系統(tǒng)并利用三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)測 量殘余應(yīng)力，該發(fā)明屬于光測實(shí)驗(yàn)力學(xué)，工程材料，構(gòu)件變形，三維重構(gòu)和鉆孔殘余應(yīng)力測
量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
殘余應(yīng)力是指產(chǎn)生應(yīng)力的各種外部因素撤除之后在材料內(nèi)部依然存在，并通過自 身保持平衡的應(yīng)力。產(chǎn)生殘余應(yīng)力的外部因素有很多，如溫度變化、材料加工、噴丸處理、表 面處理，相變、析出等。殘余應(yīng)力直接影響結(jié)構(gòu)使用性能，尤其在工程管道中，焊接殘余應(yīng)力 直接影響結(jié)構(gòu)的安全使用性能，它能促進(jìn)材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，降低疲勞性能和脆斷抗 力，降低結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性等。因此，殘余應(yīng)力測試是工程和科研工作中所需要的重要測試技 術(shù)。當(dāng)前可供應(yīng)用的殘余應(yīng)力測定方法按其實(shí)質(zhì)可有兩大類別。第一類殘余應(yīng)力測定方法 為應(yīng)力釋放方法，即利用切割使構(gòu)件中的殘余應(yīng)力釋放，根據(jù)切割方式和相應(yīng)的釋放應(yīng)變 數(shù)量計(jì)算殘余應(yīng)力。在工程現(xiàn)場測定中，損傷被測工件程度相對(duì)較小的鉆孔法得到較多的 應(yīng)用。鉆孔法測量殘余應(yīng)力是一種半破壞的測量殘余應(yīng)力的方法，該方法損傷小，測量精度 較高，廣泛應(yīng)用于焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力測量。鉆孔法的理論基礎(chǔ)是基于彈性理論的Kirsch 問題，將鉆孔前后孔口附近的應(yīng)力差作為鉆孔釋放的殘余應(yīng)力。另一類為物性法，即利用 材料在應(yīng)力作用下物理性能發(fā)生變化的原理測定殘余應(yīng)力。例如X射線法，中子衍射法， 超聲法(典型的有發(fā)明專利有，用于殘余應(yīng)力測量的方法(中國發(fā)明專利申請(qǐng)公開說明書 98806517. 7))，壓磁法等。物性法測定殘余應(yīng)力一般稱為無損殘余應(yīng)力測定法，因?yàn)樵跍y定 過程中不需損傷被測工件，但由于測試技術(shù)復(fù)雜，易受外界條件干擾，因此工程現(xiàn)場應(yīng)用有 較大困難。近來一種沖擊壓痕的方法得到重視，最初的壓痕法是基于應(yīng)力誘導(dǎo)材料硬度的 變化而提出的，如一種殘余應(yīng)力測量方法(中國發(fā)明專利申請(qǐng)公開說明書01106312. 2)，沖 擊壓痕測定殘余應(yīng)力方法(中國發(fā)明專利申請(qǐng)公開說明書93110137. 9)。殘余應(yīng)力在工程中經(jīng)常利用鉆孔方法結(jié)合應(yīng)變片的測量方法進(jìn)行測量，通過鉆 孔的方法進(jìn)行殘余應(yīng)力的技術(shù)也有很多，例如一種焊接殘余應(yīng)力測量方法(中國發(fā)明專 利申請(qǐng)公開說明書200910014661. 1)，殘余應(yīng)力測試裝置(中國發(fā)明專利申請(qǐng)公開說明書 200820090081. 9)，結(jié)合應(yīng)變片與鉆孔方法能夠滿足大多數(shù)的工程測量，但是由于應(yīng)變片對(duì) 于溫度敏感，應(yīng)變測量精度依賴于粘結(jié)的技術(shù)，且對(duì)鉆孔對(duì)中要求很高，測量過程受環(huán)境電 磁輻射等的影響較大，不適合復(fù)雜環(huán)境下的測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種實(shí)時(shí)鉆孔測量殘余應(yīng)力系統(tǒng)和方法，該方法操作簡單， 自動(dòng)進(jìn)給控制鉆孔深度，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)測量，又可改進(jìn)以往在數(shù)字圖像相關(guān)測量殘余應(yīng)力 的局限性。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種實(shí)時(shí)殘余應(yīng)力測量系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括帶有鉆頭的電主軸、電主軸 調(diào)頻器、第一 CCD相機(jī)、第二 CCD相機(jī)、安裝有《三維數(shù)字圖像相關(guān)的鉆孔殘余應(yīng)力測量計(jì)算 軟件》的計(jì)算機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制裝置、電主軸平移驅(qū)動(dòng)裝置、冷光源、棋盤格標(biāo)定 板、固定平板、試件固定調(diào)節(jié)裝置；所述的第一 CCD相機(jī)和第二 CCD相機(jī)安裝在相機(jī)調(diào)節(jié)支 架上，并通過控制線與所述的計(jì)算機(jī)相連接；所述的電主軸平移驅(qū)動(dòng)裝置包括渦輪渦桿機(jī) 構(gòu)和步進(jìn)平移臺(tái)，步進(jìn)平移臺(tái)設(shè)置在渦輪渦桿上，電主軸通過平移臺(tái)連接架安裝在步進(jìn)平 移臺(tái)上，步進(jìn)電機(jī)的輸出軸與渦桿相連，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)渦輪渦桿平移機(jī)構(gòu)并通過步進(jìn)平移 臺(tái)和平移臺(tái)連接架實(shí)現(xiàn)電主軸的軸向移動(dòng)；渦輪渦桿機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制裝置、 電主軸調(diào)頻器、相機(jī)調(diào)節(jié)支架和試件固定調(diào)節(jié)裝置均固定在固定平板上。本發(fā)明提供的一種實(shí)時(shí)殘余應(yīng)力測量方法，其特征在于該方法包括如下步驟1)首先將殘余應(yīng)力試件置于試件固定裝置上，打開冷光源，使光線能夠均勻散于 試件表面；通過相機(jī)調(diào)節(jié)支架調(diào)節(jié)第一 CCD相機(jī)和第二 CCD相機(jī)的高度和角度，并使得預(yù)鉆 孔位置能夠清晰成像，然后保持第一 CXD相機(jī)和第二 CXD相機(jī)位置不動(dòng)；2)將試件取下來，利用棋盤格標(biāo)定板標(biāo)定第一 CCD相機(jī)和第二 CCD相機(jī)的內(nèi)參數(shù) 和外參數(shù)，所述的內(nèi)參數(shù)包括焦距和光心，所述的外參數(shù)為相對(duì)世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和 平移矩陣；在標(biāo)定過程中任意轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)棋盤格標(biāo)定板，利用第一 CCD相機(jī)和第二 CCD相機(jī) 分別拍攝至少三幅標(biāo)定板的不同方位的視像，然后利用標(biāo)定算法標(biāo)定計(jì)算得到相機(jī)的 內(nèi)、外參數(shù)；3)重新安裝試件，調(diào)整試件調(diào)節(jié)裝置和鉆頭，使鉆孔位置完全處于相機(jī)視圖內(nèi)； 調(diào)節(jié)步進(jìn)平移臺(tái)，使得鉆孔位置處于第一CCD相機(jī)和第二CCD相機(jī)的采集圖像中心；根據(jù)要 求選擇不同的鉆頭直徑；4)利用第一 CCD相機(jī)和第二 CCD相機(jī)分別拍攝得到鉆孔前試件表面的散斑圖；5)啟動(dòng)電主軸平移驅(qū)動(dòng)裝置使鉆頭接近到試件上預(yù)鉆孔位置，根據(jù)不同試件材料 設(shè)定鉆頭的轉(zhuǎn)速，通過調(diào)節(jié)電主軸調(diào)頻器(11)來調(diào)節(jié)鉆頭的轉(zhuǎn)速，開始鉆孔；6)使電主軸及鉆頭遠(yuǎn)離試件表面，利用第一 CCD相機(jī)和第二 CCD相機(jī)分別拍攝鉆 孔后鉆孔附近的散斑圖；7)計(jì)算將鉆孔前后拍攝得到的四幅圖像，利用“三維數(shù)字圖像相關(guān)的鉆孔殘余 應(yīng)力測量計(jì)算軟件”進(jìn)行三維數(shù)字圖像相關(guān)計(jì)算，得到鉆孔方法釋放的位移量，再導(dǎo)入相機(jī) 的內(nèi)外參數(shù)，即計(jì)算得到殘余應(yīng)力的大??；8)步進(jìn)殘余應(yīng)力測量步進(jìn)鉆孔設(shè)定步進(jìn)量，重復(fù)步驟幻至7)，計(jì)算得到沿試件 深度方向殘余應(yīng)力的大小分布。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果本發(fā)明提出的系統(tǒng)及方法是基于非接觸的光 學(xué)全場測量方法，結(jié)合高精度自動(dòng)控制鉆孔深度，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線鉆孔非接觸全場測量；而 且操作簡單，能夠利用三維數(shù)字圖像相關(guān)求出殘余應(yīng)力釋放出的微小變形量，能夠步進(jìn)鉆 孔深度，測量試件不同深度殘余應(yīng)力的大小。


圖1為本發(fā)明提供的實(shí)時(shí)殘余應(yīng)力測量系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為鉆孔前第一、第二相機(jī)所拍攝得到的試件表面散斑圖像。
圖3為鉆孔后第一、第二相機(jī)所拍攝得到的試件表面散斑圖像。圖4為本發(fā)明提供的實(shí)時(shí)殘余應(yīng)力測量方法的流程圖。圖中1-殘余應(yīng)力試件；2-鉆頭；3-電主軸；4-平移臺(tái)連接架；5-步進(jìn)平移臺(tái)； 6-渦輪渦桿平移機(jī)構(gòu)；7-渦輪渦桿驅(qū)動(dòng)及控制裝置；8-第一 CCD相機(jī)；9-第二 CCD相機(jī)； 10-步進(jìn)電機(jī)及控制裝置；11-電主軸調(diào)頻器；12-計(jì)算機(jī)；13-試件固定調(diào)節(jié)裝置；14-冷光 源；15-棋盤格標(biāo)定板；16-固定平板。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、工作原理及具體實(shí)施方式
。本發(fā)明提供的實(shí)時(shí)殘余應(yīng)力測量系統(tǒng)包括鉆頭2、電主軸3、電主軸調(diào)頻器11、第 一 CCD相機(jī)8、第二 CCD相機(jī)9、安裝有“三維數(shù)字圖像相關(guān)的鉆孔殘余應(yīng)力測量計(jì)算軟件” 的計(jì)算機(jī)12、步進(jìn)電機(jī)7、步進(jìn)電機(jī)控制裝置10、電主軸平移驅(qū)動(dòng)裝置、冷光源14、棋盤格 標(biāo)定板15、固定平板16和試件固定調(diào)節(jié)裝置13。第一 CXD相機(jī)8和第二 CXD相機(jī)9安裝 在相機(jī)調(diào)節(jié)支架上，并通過控制線與所述的計(jì)算機(jī)12相連接；電主軸平移驅(qū)動(dòng)裝置包括渦 輪渦桿機(jī)構(gòu)6和步進(jìn)平移臺(tái)5，步進(jìn)平移臺(tái)設(shè)置在渦輪渦桿上，電主軸3通過平移臺(tái)連接架 4安裝在步進(jìn)平移臺(tái)上，步進(jìn)電機(jī)的輸出軸與渦桿相連，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)渦輪渦桿平移機(jī)構(gòu)6 并通過步進(jìn)平移臺(tái)和平移臺(tái)連接架4實(shí)現(xiàn)電主軸的軸向移動(dòng)；渦輪渦桿機(jī)構(gòu)6、步進(jìn)電機(jī)7、 步進(jìn)電機(jī)控制裝置10、電主軸調(diào)頻器11、相機(jī)調(diào)節(jié)支架和試件固定調(diào)節(jié)裝置13均固定在固 定平板16上。殘余應(yīng)力試件1被固定放置于試件固定裝置13上，第一 CXD相機(jī)8和第二 CCD相機(jī)9，均置于相機(jī)支架上，可以通過相機(jī)支架自由地調(diào)節(jié)相機(jī)的高度和角度。鉆頭2安 裝在電主軸3上，電主軸3與步進(jìn)平移臺(tái)5通過平移臺(tái)連接架4固定相連。步進(jìn)電機(jī)7受 步進(jìn)電機(jī)及控制裝置10的控制。電主軸調(diào)頻器11控制電主軸3的轉(zhuǎn)速。本發(fā)明的測量方法如下1)首先將殘余應(yīng)力試件1置于試件固定裝置13上，打開冷光源14，使光線能夠均 勻散于試件表面；通過相機(jī)調(diào)節(jié)支架調(diào)節(jié)第一 CXD相機(jī)8和第二 CXD相機(jī)9的高度和角度， 并使得預(yù)鉆孔位置能夠清晰成像，然后保持第一 C⑶相機(jī)8和第二 CXD相機(jī)9位置不動(dòng)；2)將試件取下來，利用棋盤格標(biāo)定板15標(biāo)定第一 CXD相機(jī)8和第二 CXD相機(jī)9的 內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)，所述的內(nèi)參數(shù)包括焦距和光心，所述的外參數(shù)為相對(duì)世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn) 矩陣和平移矩陣；在標(biāo)定過程中任意轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)棋盤格標(biāo)定板，利用第一 CCD相機(jī)8和第二 CCD相機(jī)9分別拍攝至少三幅標(biāo)定板的不同方位的視像，然后利用標(biāo)定算法標(biāo)定計(jì)算 得到相機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)；3)重新安裝試件，調(diào)整試件調(diào)節(jié)裝置和鉆頭，使鉆孔位置完全處于相機(jī)視圖內(nèi)； 調(diào)節(jié)步進(jìn)平移臺(tái)，使得鉆孔位置處于第一CCD相機(jī)和第二CCD相機(jī)的采集圖像中心；根據(jù)要 求選擇不同的鉆頭直徑；4)利用第一 CCD相機(jī)和第二 CCD相機(jī)分別拍攝得到鉆孔前試件表面的散斑圖；5)啟動(dòng)電主軸平移驅(qū)動(dòng)裝置使鉆頭接近到試件上預(yù)鉆孔位置，根據(jù)不同試件材料 設(shè)定鉆頭的轉(zhuǎn)速，通過調(diào)節(jié)電主軸調(diào)頻器來調(diào)節(jié)鉆頭的轉(zhuǎn)速，同時(shí)設(shè)定步進(jìn)電機(jī)及控制裝 10的步進(jìn)量，開始鉆孔；如果是一次鉆孔釋放，根據(jù)應(yīng)變片測量殘余應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于厚試件 而言，鉆孔深度一般為鉆孔直徑的1. 2倍；
6)鉆孔后設(shè)置位移，使電主軸及鉆頭遠(yuǎn)離殘余應(yīng)力試件表面，利用第一 CCD相機(jī) 和第二 CCD相機(jī)分別拍攝鉆孔后鉆孔附近的散斑圖；如果繼續(xù)步進(jìn)鉆孔，則重復(fù)步驟4) 6)；7)計(jì)算將鉆孔前后拍攝得到的四幅圖像，利用“三維數(shù)字圖像相關(guān)的鉆孔殘余 應(yīng)力測量計(jì)算軟件”進(jìn)行三維數(shù)字圖像相關(guān)計(jì)算(軟件著作權(quán)登記號(hào)2010SRBJ1724)，得 到鉆孔方法釋放的位移量，再導(dǎo)入相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，即計(jì)算得到殘余應(yīng)力的大??；8)步進(jìn)殘余應(yīng)力測量步進(jìn)鉆孔設(shè)定步進(jìn)量，重復(fù)步驟幻至7)，計(jì)算得到沿試件 深度方向殘余應(yīng)力的大小分布。本發(fā)明提出的系統(tǒng)基于非接觸的光學(xué)全場測量方法，結(jié)合高精度自動(dòng)控制鉆孔 深度，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的鉆孔測量，達(dá)到實(shí)時(shí)在線方便測量殘余應(yīng)力的目的。該鉆孔步進(jìn)的 方法，其理論可以參考文獻(xiàn)(ASTM E837-08el Standard Test Method for Determining Residual Stresses by the Hole-Drilling Strain-Gage Method, ASTM international, United States)。本系統(tǒng)綜合其主要原理描述如下基于雙目視覺原理的三維數(shù)字圖像相關(guān)方法， 通過標(biāo)定左右兩相機(jī)內(nèi)外參數(shù)，通過三角方法還原得到試件表面特征點(diǎn)的世界坐標(biāo)。利用 鉆孔后左相機(jī)圖像作為參考圖像，在鉆孔后在殘余應(yīng)力測量軟件中選擇其1. 2倍鉆孔半徑 的位置作為計(jì)算的區(qū)域，該區(qū)域的選擇可以為1. 1倍半徑至1. 3倍半徑，根據(jù)材料彈性理 論如果在1.2倍區(qū)域內(nèi)為塑性區(qū)域，則可以選擇區(qū)域?yàn)?.4倍以上的半徑區(qū)域。以鉆孔后 左相機(jī)圖像為參考圖像，以鉆孔后右相機(jī)圖像及鉆孔前左右相機(jī)拍攝得到的圖像為目標(biāo)圖 像，通過數(shù)字圖像相關(guān)算法計(jì)算得到相應(yīng)圖像中特征點(diǎn)的位置。將此計(jì)算結(jié)果結(jié)合相機(jī)的 內(nèi)外參數(shù)還原鉆孔前后特征點(diǎn)的三維圖像的位移，導(dǎo)入有限元的殘余應(yīng)力標(biāo)定參數(shù)，最后 可以計(jì)算得到試件殘余應(yīng)力的大小。鉆孔測量過程實(shí)例，所選試件為厚IOmm兩圓環(huán)的過盈配合鋁材料試件，其殘余應(yīng) 力大小，根據(jù)理論公式計(jì)算得到150. 5Mpa，一、調(diào)整光路，使鉆孔位置準(zhǔn)確對(duì)焦，使鉆頭(選 擇鉆頭直徑為2mm)在鉆孔位置的法線上。二、取下試件，至少任意三個(gè)角度拍攝標(biāo)定板，標(biāo) 定相機(jī)；三、安裝試件，調(diào)整試件調(diào)節(jié)裝置和鉆孔頭，使鉆孔位置完全處于相機(jī)視圖內(nèi)；四、 拍攝鉆孔前，試件散斑圖像，如圖2所示，為鉆孔前左右相機(jī)所拍攝得到的試件表面散斑圖 像。五、調(diào)整平移臺(tái)，使鉆孔頭接近試件位置，設(shè)置步進(jìn)位移，進(jìn)行鉆孔(鉆孔深度為2mm)； 六、設(shè)置位移，使鉆孔頭遠(yuǎn)離試件表面，拍攝鉆孔后試件表面散斑，如圖3所示，為鉆孔前左 右相機(jī)所拍攝得到的試件表面散斑圖像；七、是否繼續(xù)，步進(jìn)鉆孔，不再繼續(xù)鉆孔，一次性鉆 孔釋放殘余應(yīng)力測量；八、利用《三維數(shù)字圖像相關(guān)的鉆孔殘余應(yīng)力測量計(jì)算軟件》(軟件 著作權(quán)登記號(hào)2010SRBJ1724)，導(dǎo)入圖片，進(jìn)行三維數(shù)字圖像相關(guān)計(jì)算；導(dǎo)入試件材料標(biāo) 定數(shù)據(jù)，計(jì)算殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的計(jì)算過程可以簡單描述為下利用三維數(shù)字圖像相關(guān) 重建鉆孔后試件表面各點(diǎn)的三維世界坐標(biāo)，XWa，Ywa，Zwa其中XWa，Ywa為試件面內(nèi)坐標(biāo)系，Zffa 為垂直于試件表面的坐標(biāo)，同樣計(jì)算得到鉆孔前的世界表面的相同特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)Xffb, Yffb，Zffb，那么由于鉆孔釋放的位移為ΔΧ =^Wa'
ΔΥ =V - 1Wa-Y,
ΔΖ =7 - 厶Wa-ζ,
其中，ΔΧ，△ Y為殘余應(yīng)力鉆孔釋放所引起的面內(nèi)位移，ΔΖ為殘余應(yīng)力鉆孔釋放 所引起的離面位移，根據(jù)理論鉆孔殘余應(yīng)力測量公式，由位移場計(jì)算得到殘余應(yīng)力大小，參 考文獻(xiàn)(Nelson, D. , A. Makino, Τ. Schmidt, Residual Stress Determination Using Hole Drilling and 3DImage Correlation. Experimental Mechanics,2006. 46(1) :p.31-38.)。 最后計(jì)算得到的殘余應(yīng)力大小為143. 6Mpa，誤差在5%以內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)時(shí)殘余應(yīng)力測量系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括帶有鉆頭O)的電主軸(3)、 電主軸調(diào)頻器(11)、第一 CCD相機(jī)(8)、第二 CCD相機(jī)(9)、安裝有“三維數(shù)字圖像相關(guān)的鉆 孔殘余應(yīng)力測量計(jì)算軟件”的計(jì)算機(jī)(12)、步進(jìn)電機(jī)(7)、步進(jìn)電機(jī)控制裝置(10)、電主軸 平移驅(qū)動(dòng)裝置、冷光源(14)、棋盤格標(biāo)定板(15)、固定平板(16)和試件固定調(diào)節(jié)裝置(13)； 所述的第一 C⑶相機(jī)(8)和第二 C⑶相機(jī)(9)安裝在相機(jī)調(diào)節(jié)支架上，并通過控制線與所 述的計(jì)算機(jī)相連接；所述的電主軸平移驅(qū)動(dòng)裝置包括渦輪渦桿機(jī)構(gòu)(6)和步進(jìn)平移臺(tái)(5)， 步進(jìn)平移臺(tái)設(shè)置在渦輪渦桿上，電主軸C3)通過平移臺(tái)連接架(4)安裝在步進(jìn)平移臺(tái)上，步 進(jìn)電機(jī)的輸出軸與渦桿相連，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)渦輪渦桿平移機(jī)構(gòu)(6)并通過步進(jìn)平移臺(tái)和平 移臺(tái)連接架⑷實(shí)現(xiàn)電主軸⑶的軸向移動(dòng)；渦輪渦桿機(jī)構(gòu)(6)、步進(jìn)電機(jī)(7)、步進(jìn)電機(jī)控 制裝置(10)、電主軸調(diào)頻器(11)、相機(jī)調(diào)節(jié)支架和試件固定調(diào)節(jié)裝置(1 均固定在固定平 板(16)上。
2.一種采用如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的實(shí)時(shí)殘余應(yīng)力測量方法，其特征在于該方法包括 如下步驟1)首先將殘余應(yīng)力試件(1)置于試件固定裝置(13)上，打開冷光源(14)，使光線能夠 均勻散于試件表面；通過相機(jī)調(diào)節(jié)支架調(diào)節(jié)第一 CCD相機(jī)(8)和第二 CCD相機(jī)(9)的高度 和角度，并使得預(yù)鉆孔位置能夠清晰成像，然后保持第一 CCD相機(jī)⑶和第二 CCD相機(jī)(9) 位置不動(dòng)；2)將試件取下來，利用棋盤格標(biāo)定板(1 標(biāo)定第一CCD相機(jī)(8)和第二 CCD相機(jī)(9) 的內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)，所述的內(nèi)參數(shù)包括焦距和光心，所述的外參數(shù)為相對(duì)世界坐標(biāo)系的旋 轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣；在標(biāo)定過程中任意轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)棋盤格標(biāo)定板，利用第一 CCD相機(jī)(8)和 第二 CCD相機(jī)(9)分別拍攝至少三幅標(biāo)定板的不同方位的視像，然后利用標(biāo)定算法標(biāo) 定計(jì)算得到相機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)；3)重新安裝試件，調(diào)整試件調(diào)節(jié)裝置和鉆頭，使鉆孔位置完全處于相機(jī)視圖內(nèi)；調(diào)節(jié) 步進(jìn)平移臺(tái)(5)，使得鉆孔位置處于第一 CCD相機(jī)⑶和第二 CCD相機(jī)(9)的采集圖像中 心；根據(jù)要求選擇不同的鉆頭( 直徑；4)利用第一CCD相機(jī)⑶和第二 CCD相機(jī)(9)分別拍攝得到鉆孔前試件表面的散斑圖；5)啟動(dòng)電主軸平移驅(qū)動(dòng)裝置使鉆頭(2)接近到試件上預(yù)鉆孔位置，根據(jù)不同試件材料 設(shè)定鉆頭O)的轉(zhuǎn)速，通過調(diào)節(jié)電主軸調(diào)頻器(11)來調(diào)節(jié)鉆頭的轉(zhuǎn)速，開始鉆孔；6)使電主軸(3)及鉆頭(2)遠(yuǎn)離試件⑴表面，分別拍攝鉆孔后鉆孔附近的散斑圖；7)計(jì)算將鉆孔前后拍攝得到的四幅圖像，利用“三維數(shù)字圖像相關(guān)的鉆孔殘余應(yīng)力 測量計(jì)算軟件”進(jìn)行三維數(shù)字圖像相關(guān)計(jì)算，得到鉆孔方法釋放的位移量，再導(dǎo)入相機(jī)的內(nèi) 外參數(shù)，即計(jì)算得到殘余應(yīng)力的大??；8)步進(jìn)殘余應(yīng)力測量步進(jìn)鉆孔設(shè)定步進(jìn)量，重復(fù)步驟幻至7)，計(jì)算得到沿試件深度 方向殘余應(yīng)力的大小分布。
全文摘要
一種實(shí)時(shí)殘余應(yīng)力測量系統(tǒng)及方法，利用三維數(shù)字圖像相關(guān)對(duì)試件進(jìn)行三維表面坐標(biāo)重構(gòu)，對(duì)試件鉆孔前后孔周邊的散斑圖像進(jìn)行相關(guān)搜索，計(jì)算得到鉆孔前后的三維位移場。試件的鉆孔深度能夠通過步進(jìn)電機(jī)控制器對(duì)步機(jī)電機(jī)的控制，經(jīng)過蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的平移實(shí)現(xiàn)電主軸的高精度自動(dòng)進(jìn)給。根據(jù)曲面的鉆孔區(qū)域的平面假設(shè)，結(jié)合鉆孔測量殘余應(yīng)力的理論公式，可以計(jì)算得到試件殘余應(yīng)力的大小。該系統(tǒng)的能夠?qū)崟r(shí)地高精度進(jìn)給鉆孔的深度，步進(jìn)測量試件隨深度變化時(shí)殘余應(yīng)力的大小。該測試系統(tǒng)及方法測量殘余應(yīng)力具有實(shí)時(shí)性，高精度，非接觸，全場位移測量，操作靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N19/08GK102072877SQ201010587490
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月13日
發(fā)明者王懷喜, 胡振興, 謝惠民 申請(qǐng)人:清華大學(xué)