一种实时残余应力测量系统及方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN102072877A*(12)发明专利申请(10)申请公布号CN102072877A(43)申请公布日2011.05.25(21)申请号201010587490.1(22)申请日2010.12.13(71)申请人清华大学地址100084北京市海淀区北京市100084信箱82分箱清华大学专利办公室(72)发明人谢惠民胡振兴王怀喜(74)专利代理机构北京鸿元知识产权代理有限公司11327代理人邸更岩(51)Int.Cl.G01N19/08(2006.01)权利要求书1页说明书5页附图3页(54)发明名称一种实时残余应力测量系统及方法(57)摘要一种实时残余应力测量系统及方法，利用三维数字图像相关对试件进行三维表面坐标重构，对试件钻孔前后孔周边的散斑图像进行相关搜索，计算得到钻孔前后的三维位移场。试件的钻孔深度能够通过步进电机控制器对步机电机的控制，经过蜗轮蜗杆机构的平移实现电主轴的高精度自动进给。根据曲面的钻孔区域的平面假设，结合钻孔测量残余应力的理论公式，可以计算得到试件残余应力的大小。该系统的能够实时地高精度进给钻孔的深度，步进测量试件随深度变化时残余应力的大小。该测试系统及方法测量残余应力具有实时性，高精度，非接触，全场位移测量，操作灵活方便等优点。CN10278ACCNN110207287702072882A权利要求书1/1页1.一种实时残余应力测量系统，其特征在于：该系统包括带有钻头(2)的电主轴(3)、电主轴调频器(11)、第一CCD相机(8)、第二CCD相机(9)、安装有“三维数字图像相关的钻孔残余应力测量计算软件”的计算机(12)、步进电机(7)、步进电机控制装置(10)、电主轴平移驱动装置、冷光源(14)、棋盘格标定板(15)、固定平板(16)和试件固定调节装置(13)；所述的第一CCD相机(8)和第二CCD相机(9)安装在相机调节支架上，并通过控制线与所述的计算机相连接；所述的电主轴平移驱动装置包括涡轮涡杆机构(6)和步进平移台(5)，步进平移台设置在涡轮涡杆上，电主轴(3)通过平移台连接架(4)安装在步进平移台上，步进电机的输出轴与涡杆相连，步进电机带动涡轮涡杆平移机构(6)并通过步进平移台和平移台连接架(4)实现电主轴(3)的轴向移动；涡轮涡杆机构(6)、步进电机(7)、步进电机控制装置(10)、电主轴调频器(11)、相机调节支架和试件固定调节装置(13)均固定在固定平板(16)上。2.一种采用如权利要求1所述系统的实时残余应力测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1)首先将残余应力试件(1)置于试件固定装置(13)上，打开冷光源(14)，使光线能够均匀散于试件表面；通过相机调节支架调节第一CCD相机(8)和第二CCD相机(9)的高度和角度，并使得预钻孔位置能够清晰成像，然后保持第一CCD相机(8)和第二CCD相机(9)位置不动；2)将试件取下来，利用棋盘格标定板(15)标定第一CCD相机(8)和第二CCD相机(9)的内参数和外参数，所述的内参数包括焦距和光心，所述的外参数为相对世界坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；在标定过程中任意转动或移动棋盘格标定板，利用第一CCD相机(8)和第二CCD相机(9)分别拍摄至少三幅标定板的不同方位的视图图像，然后利用标定算法标定计算得到相机的内、外参数；3)重新安装试件，调整试件调节装置和钻头，使钻孔位置完全处于相机视图内；调节步进平移台(5)，使得钻孔位置处于第一CCD相机(8)和第二CCD相机(9)的采集图像中心；根据要求选择不同的钻头(2)直径；4)利用第一CCD相机(8)和第二CCD相机(9)分别拍摄得到钻孔前试件表面的散斑图；5)启动电主轴平移驱动装置使钻头(2)接近到试件上预钻孔位置，根据不同试件材料设定钻头(2)的转速，通过调节电主轴调频器(11)来调节钻头的转速，开始钻孔；6)使电主轴(3)及钻头(2)远离试件(1)表面，分别拍摄钻孔后钻孔附近的散斑图；7)计算：将钻孔前后拍摄得到的四幅图像，利用“三维数字图像相关的钻孔残余应力测量计算软件”进行三维数字图像相关计算，得到钻孔方法释放的位移量，再导入相机的内外参数，即计算得到残余应力的大小；8)步进残余应力测量：步进钻孔设定步进量，重复步骤3)至7)，计算得到沿试件深度方向残余应力的大小分布。2CCNN110207287702072882A说明书1/5页一种实时残余应力测量系统及方法技术领域[0001]本发明涉及一种实时钻孔测量残余应力的系统并利用三维数字图像相关技术测量残余应力，该发明属于光测实验力学，工程材料，构件变形，三维重构和钻孔残余应力测量领域。背景技术[0002]残余应力是指产生应力的各种外部因素撤除之后在材料内部依然存在，并通过自身保持平衡的应力。产生残余