專利名稱：一種實時殘余應力測量系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種實時鉆孔測量殘余應力的系統(tǒng)并利用三維數(shù)字圖像相關技術測 量殘余應力，該發(fā)明屬于光測實驗力學，工程材料，構件變形，三維重構和鉆孔殘余應力測
量領域。
背景技術：
殘余應力是指產(chǎn)生應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 身保持平衡的應力。產(chǎn)生殘余應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。殘余應力直接影響結(jié)構使用性能，尤其在工程管道中，焊接殘余應力 直接影響結(jié)構的安全使用性能，它能促進材料產(chǎn)生應力腐蝕開裂，降低疲勞性能和脆斷抗 力，降低結(jié)構尺寸穩(wěn)定性等。因此，殘余應力測試是工程和科研工作中所需要的重要測試技 術。當前可供應用的殘余應力測定方法按其實質(zhì)可有兩大類別。第一類殘余應力測定方法 為應力釋放方法，即利用切割使構件中的殘余應力釋放，根據(jù)切割方式和相應的釋放應變 數(shù)量計算殘余應力。在工程現(xiàn)場測定中，損傷被測工件程度相對較小的鉆孔法得到較多的 應用。鉆孔法測量殘余應力是一種半破壞的測量殘余應力的方法，該方法損傷小，測量精度 較高，廣泛應用于焊接結(jié)構的殘余應力測量。鉆孔法的理論基礎是基于彈性理論的Kirsch 問題，將鉆孔前后孔口附近的應力差作為鉆孔釋放的殘余應力。另一類為物性法，即利用 材料在應力作用下物理性能發(fā)生變化的原理測定殘余應力。例如X射線法，中子衍射法， 超聲法(典型的有發(fā)明專利有，用于殘余應力測量的方法(中國發(fā)明專利申請公開說明書 98806517. 7))，壓磁法等。物性法測定殘余應力一般稱為無損殘余應力測定法，因為在測定 過程中不需損傷被測工件，但由于測試技術復雜，易受外界條件干擾，因此工程現(xiàn)場應用有 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力誘導材料硬度的 變化而提出的，如一種殘余應力測量方法(中國發(fā)明專利申請公開說明書01106312. 2)，沖 擊壓痕測定殘余應力方法(中國發(fā)明專利申請公開說明書93110137. 9)。殘余應力在工程中經(jīng)常利用鉆孔方法結(jié)合應變片的測量方法進行測量，通過鉆 孔的方法進行殘余應力的技術也有很多，例如一種焊接殘余應力測量方法(中國發(fā)明專 利申請公開說明書200910014661. 1)，殘余應力測試裝置(中國發(fā)明專利申請公開說明書 200820090081. 9)，結(jié)合應變片與鉆孔方法能夠滿足大多數(shù)的工程測量，但是由于應變片對 于溫度敏感，應變測量精度依賴于粘結(jié)的技術，且對鉆孔對中要求很高，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時鉆孔測量殘余應力系統(tǒng)和方法，該方法操作簡單， 自動進給控制鉆孔深度，實現(xiàn)在線實時測量，又可改進以往在數(shù)字圖像相關測量殘余應力 的局限性。本發(fā)明的技術方案如下
一種實時殘余應力測量系統(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、第二 CCD相機、安裝有《三維數(shù)字圖像相關的鉆孔殘余應力測量計算 軟件》的計算機、步進電機、步進電機控制裝置、電主軸平移驅(qū)動裝置、冷光源、棋盤格標定 板、固定平板、試件固定調(diào)節(jié)裝置；所述的第一 CCD相機和第二 CCD相機安裝在相機調(diào)節(jié)支 架上，并通過控制線與所述的計算機相連接；所述的電主軸平移驅(qū)動裝置包括渦輪渦桿機 構和步進平移臺，步進平移臺設置在渦輪渦桿上，電主軸通過平移臺連接架安裝在步進平 移臺上，步進電機的輸出軸與渦桿相連，步進電機帶動渦輪渦桿平移機構并通過步進平移 臺和平移臺連接架實現(xiàn)電主軸的軸向移動；渦輪渦桿機構、步進電機、步進電機控制裝置、 電主軸調(diào)頻器、相機調(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)明提供的一種實時殘余應力測量方法，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；通過相機調(diào)節(jié)支架調(diào)節(jié)第一 CCD相機和第二 CCD相機的高度和角度，并使得預鉆 孔位置能夠清晰成像，然后保持第一 CXD相機和第二 CXD相機位置不動；2)將試件取下來，利用棋盤格標定板標定第一 CCD相機和第二 CCD相機的內(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)為相對世界坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣和 平移矩陣；在標定過程中任意轉(zhuǎn)動或移動棋盤格標定板，利用第一 CCD相機和第二 CCD相機 分別拍攝至少三幅標定板的不同方位的視像，然后利用標定算法標定計算得到相機的 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視圖內(nèi)； 調(diào)節(jié)步進平移臺，使得鉆孔位置處于第一CCD相機和第二CCD相機的采集圖像中心；根據(jù)要 求選擇不同的鉆頭直徑；4)利用第一 CCD相機和第二 CCD相機分別拍攝得到鉆孔前試件表面的散斑圖；5)啟動電主軸平移驅(qū)動裝置使鉆頭接近到試件上預鉆孔位置，根據(jù)不同試件材料 設定鉆頭的轉(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)使電主軸及鉆頭遠離試件表面，利用第一 CCD相機和第二 CCD相機分別拍攝鉆 孔后鉆孔附近的散斑圖；7)計算將鉆孔前后拍攝得到的四幅圖像，利用“三維數(shù)字圖像相關的鉆孔殘余 應力測量計算軟件”進行三維數(shù)字圖像相關計算，得到鉆孔方法釋放的位移量，再導入相機 的內(nèi)外參數(shù)，即計算得到殘余應力的大??；8)步進殘余應力測量步進鉆孔設定步進量，重復步驟幻至7)，計算得到沿試件 深度方向殘余應力的大小分布。本發(fā)明具有以下優(yōu)點及突出性效果本發(fā)明提出的系統(tǒng)及方法是基于非接觸的光 學全場測量方法，結(jié)合高精度自動控制鉆孔深度，實現(xiàn)了實時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)字圖像相關求出殘余應力釋放出的微小變形量，能夠步進鉆 孔深度，測量試件不同深度殘余應力的大小。


圖1為本發(fā)明提供的實時殘余應力測量系統(tǒng)的原理結(jié)構示意圖。圖2為鉆孔前第一、第二相機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)明提供的實時殘余應力測量方法的流程圖。圖中1-殘余應力試件；2-鉆頭；3-電主軸；4-平移臺連接架；5-步進平移臺； 6-渦輪渦桿平移機構；7-渦輪渦桿驅(qū)動及控制裝置；8-第一 CCD相機；9-第二 CCD相機； 10-步進電機及控制裝置；11-電主軸調(diào)頻器；12-計算機；13-試件固定調(diào)節(jié)裝置；14-冷光 源；15-棋盤格標定板；16-固定平板。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的具體結(jié)構、工作原理及具體實施方式
。本發(fā)明提供的實時殘余應力測量系統(tǒng)包括鉆頭2、電主軸3、電主軸調(diào)頻器11、第 一 CCD相機8、第二 CCD相機9、安裝有“三維數(shù)字圖像相關的鉆孔殘余應力測量計算軟件” 的計算機12、步進電機7、步進電機控制裝置10、電主軸平移驅(qū)動裝置、冷光源14、棋盤格 標定板15、固定平板16和試件固定調(diào)節(jié)裝置13。第一 CXD相機8和第二 CXD相機9安裝 在相機調(diào)節(jié)支架上，并通過控制線與所述的計算機12相連接；電主軸平移驅(qū)動裝置包括渦 輪渦桿機構6和步進平移臺5，步進平移臺設置在渦輪渦桿上，電主軸3通過平移臺連接架 4安裝在步進平移臺上，步進電機的輸出軸與渦桿相連，步進電機帶動渦輪渦桿平移機構6 并通過步進平移臺和平移臺連接架4實現(xiàn)電主軸的軸向移動；渦輪渦桿機構6、步進電機7、 步進電機控制裝置10、電主軸調(diào)頻器11、相機調(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。殘余應力試件1被固定放置于試件固定裝置13上，第一 CXD相機8和第二 CCD相機9，均置于相機支架上，可以通過相機支架自由地調(diào)節(jié)相機的高度和角度。鉆頭2安 裝在電主軸3上，電主軸3與步進平移臺5通過平移臺連接架4固定相連。步進電機7受 步進電機及控制裝置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；通過相機調(diào)節(jié)支架調(diào)節(jié)第一 CXD相機8和第二 CXD相機9的高度和角度， 并使得預鉆孔位置能夠清晰成像，然后保持第一 C⑶相機8和第二 CXD相機9位置不動；2)將試件取下來，利用棋盤格標定板15標定第一 CXD相機8和第二 CXD相機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)為相對世界坐標系的旋轉(zhuǎn) 矩陣和平移矩陣；在標定過程中任意轉(zhuǎn)動或移動棋盤格標定板，利用第一 CCD相機8和第二 CCD相機9分別拍攝至少三幅標定板的不同方位的視像，然后利用標定算法標定計算 得到相機的內(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視圖內(nèi)； 調(diào)節(jié)步進平移臺，使得鉆孔位置處于第一CCD相機和第二CCD相機的采集圖像中心；根據(jù)要 求選擇不同的鉆頭直徑；4)利用第一 CCD相機和第二 CCD相機分別拍攝得到鉆孔前試件表面的散斑圖；5)啟動電主軸平移驅(qū)動裝置使鉆頭接近到試件上預鉆孔位置，根據(jù)不同試件材料 設定鉆頭的轉(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，同時設定步進電機及控制裝 10的步進量，開始鉆孔；如果是一次鉆孔釋放，根據(jù)應變片測量殘余應力標準，對于厚試件 而言，鉆孔深度一般為鉆孔直徑的1. 2倍；
6)鉆孔后設置位移，使電主軸及鉆頭遠離殘余應力試件表面，利用第一 CCD相機 和第二 CCD相機分別拍攝鉆孔后鉆孔附近的散斑圖；如果繼續(xù)步進鉆孔，則重復步驟4) 6)；7)計算將鉆孔前后拍攝得到的四幅圖像，利用“三維數(shù)字圖像相關的鉆孔殘余 應力測量計算軟件”進行三維數(shù)字圖像相關計算(軟件著作權登記號2010SRBJ1724)，得 到鉆孔方法釋放的位移量，再導入相機的內(nèi)外參數(shù)，即計算得到殘余應力的大??；8)步進殘余應力測量步進鉆孔設定步進量，重復步驟幻至7)，計算得到沿試件 深度方向殘余應力的大小分布。本發(fā)明提出的系統(tǒng)基于非接觸的光學全場測量方法，結(jié)合高精度自動控制鉆孔 深度，能夠?qū)崿F(xiàn)實時的鉆孔測量，達到實時在線方便測量殘余應力的目的。該鉆孔步進的 方法，其理論可以參考文獻(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)字圖像相關方法， 通過標定左右兩相機內(nèi)外參數(shù)，通過三角方法還原得到試件表面特征點的世界坐標。利用 鉆孔后左相機圖像作為參考圖像，在鉆孔后在殘余應力測量軟件中選擇其1. 2倍鉆孔半徑 的位置作為計算的區(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)域為1.4倍以上的半徑區(qū)域。以鉆孔后 左相機圖像為參考圖像，以鉆孔后右相機圖像及鉆孔前左右相機拍攝得到的圖像為目標圖 像，通過數(shù)字圖像相關算法計算得到相應圖像中特征點的位置。將此計算結(jié)果結(jié)合相機的 內(nèi)外參數(shù)還原鉆孔前后特征點的三維圖像的位移，導入有限元的殘余應力標定參數(shù)，最后 可以計算得到試件殘余應力的大小。鉆孔測量過程實例，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 力大小，根據(jù)理論公式計算得到150. 5Mpa，一、調(diào)整光路，使鉆孔位置準確對焦，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，至少任意三個角度拍攝標定板，標 定相機；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，為鉆孔前左右相機所拍攝得到的試件表面散斑圖 像。五、調(diào)整平移臺，使鉆孔頭接近試件位置，設置步進位移，進行鉆孔(鉆孔深度為2mm)； 六、設置位移，使鉆孔頭遠離試件表面，拍攝鉆孔后試件表面散斑，如圖3所示，為鉆孔前左 右相機所拍攝得到的試件表面散斑圖像；七、是否繼續(xù)，步進鉆孔，不再繼續(xù)鉆孔，一次性鉆 孔釋放殘余應力測量；八、利用《三維數(shù)字圖像相關的鉆孔殘余應力測量計算軟件》(軟件 著作權登記號2010SRBJ1724)，導入圖片，進行三維數(shù)字圖像相關計算；導入試件材料標 定數(shù)據(jù)，計算殘余應力。殘余應力的計算過程可以簡單描述為下利用三維數(shù)字圖像相關 重建鉆孔后試件表面各點的三維世界坐標，XWa，Ywa，Zwa其中XWa，Ywa為試件面內(nèi)坐標系，Zffa 為垂直于試件表面的坐標，同樣計算得到鉆孔前的世界表面的相同特征點的三維坐標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為殘余應力鉆孔釋放所引起的面內(nèi)位移，ΔΖ為殘余應力鉆孔釋放 所引起的離面位移，根據(jù)理論鉆孔殘余應力測量公式，由位移場計算得到殘余應力大小，參 考文獻(Nelson, D. , A. Makino, Τ. Schmidt, Residual Stress Determination Using Hole Drilling and 3DImage Correlation. Experimental Mechanics,2006. 46(1) :p.31-38.)。 最后計算得到的殘余應力大小為143. 6Mpa，誤差在5%以內(nèi)。
權利要求
1.一種實時殘余應力測量系統(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(8)、第二 CCD相機(9)、安裝有“三維數(shù)字圖像相關的鉆 孔殘余應力測量計算軟件”的計算機(12)、步進電機(7)、步進電機控制裝置(10)、電主軸 平移驅(qū)動裝置、冷光源(14)、棋盤格標定板(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(8)和第二 C⑶相機(9)安裝在相機調(diào)節(jié)支架上，并通過控制線與所 述的計算機相連接；所述的電主軸平移驅(qū)動裝置包括渦輪渦桿機構(6)和步進平移臺(5)， 步進平移臺設置在渦輪渦桿上，電主軸C3)通過平移臺連接架(4)安裝在步進平移臺上，步 進電機的輸出軸與渦桿相連，步進電機帶動渦輪渦桿平移機構(6)并通過步進平移臺和平 移臺連接架⑷實現(xiàn)電主軸⑶的軸向移動；渦輪渦桿機構(6)、步進電機(7)、步進電機控 制裝置(10)、電主軸調(diào)頻器(11)、相機調(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。
2.一種采用如權利要求1所述系統(tǒng)的實時殘余應力測量方法，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；通過相機調(diào)節(jié)支架調(diào)節(jié)第一 CCD相機(8)和第二 CCD相機(9)的高度 和角度，并使得預鉆孔位置能夠清晰成像，然后保持第一 CCD相機⑶和第二 CCD相機(9) 位置不動；2)將試件取下來，利用棋盤格標定板(1 標定第一CCD相機(8)和第二 CCD相機(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)為相對世界坐標系的旋 轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣；在標定過程中任意轉(zhuǎn)動或移動棋盤格標定板，利用第一 CCD相機(8)和 第二 CCD相機(9)分別拍攝至少三幅標定板的不同方位的視像，然后利用標定算法標 定計算得到相機的內(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視圖內(nèi)；調(diào)節(jié) 步進平移臺(5)，使得鉆孔位置處于第一 CCD相機⑶和第二 CCD相機(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⑶和第二 CCD相機(9)分別拍攝得到鉆孔前試件表面的散斑圖；5)啟動電主軸平移驅(qū)動裝置使鉆頭(2)接近到試件上預鉆孔位置，根據(jù)不同試件材料 設定鉆頭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)遠離試件⑴表面，分別拍攝鉆孔后鉆孔附近的散斑圖；7)計算將鉆孔前后拍攝得到的四幅圖像，利用“三維數(shù)字圖像相關的鉆孔殘余應力 測量計算軟件”進行三維數(shù)字圖像相關計算，得到鉆孔方法釋放的位移量，再導入相機的內(nèi) 外參數(shù)，即計算得到殘余應力的大小；8)步進殘余應力測量步進鉆孔設定步進量，重復步驟幻至7)，計算得到沿試件深度 方向殘余應力的大小分布。
全文摘要
一種實時殘余應力測量系統(tǒng)及方法，利用三維數(shù)字圖像相關對試件進行三維表面坐標重構，對試件鉆孔前后孔周邊的散斑圖像進行相關搜索，計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電機控制器對步機電機的控制，經(jīng)過蝸輪蝸桿機構的平移實現(xiàn)電主軸的高精度自動進給。根據(jù)曲面的鉆孔區(qū)域的平面假設，結(jié)合鉆孔測量殘余應力的理論公式，可以計算得到試件殘余應力的大小。該系統(tǒng)的能夠?qū)崟r地高精度進給鉆孔的深度，步進測量試件隨深度變化時殘余應力的大小。該測試系統(tǒng)及方法測量殘余應力具有實時性，高精度，非接觸，全場位移測量，操作靈活方便等優(yōu)點。
文檔編號G01N19/08GK102072877SQ201010587490
公開日2011年5月25日 申請日期2010年12月13日 優(yōu)先權日2010年12月13日
發(fā)明者王懷喜, 胡振興, 謝惠民 申請人:清華大學