基于机器视觉的薄壁件工作模态测试装置及测试方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于机器视觉的薄壁件工作模态测试装置及测试方法，本发明专利技术的基于机器视觉的薄壁件工作模态测试装置包括工业相机、光源、图像采集装置及图像处理装置；所述的工业相机和光源置于待测薄壁件的前方，工业相机的镜头朝向待测薄壁件的前侧面，待测薄壁件的前侧面上设有多个反光特征点；所述的工业相机通过数据线与图像采集系统连接；图像采集装置与图像处理装置连接。本发明专利技术的基于机器视觉的薄壁件工作模态测试装置结构灵活，不需要复杂的调试过程，对薄壁件表面质量要求低，且实现了非接触测量，不改变待测薄壁件的振动特性，能准确测量出薄壁件的工作模态参数，测量精度和效率高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于机器视觉的薄壁件工作模态测试装置及测试方法。
技术介绍
薄壁件由于重量轻、结构效率高等优点，因此在工业生产中得到了广泛的应用。但由于薄壁件的壁厚相对整体尺寸通常都很小，并且一般刚度小、面积大，所以在机械系统运行过程中很容易发生振动，从而引起机械部件之间的干扰，发出振动噪声，或者在机械长期的运动中导致机械故障，过大的振动甚至会引起毁灭性的事故，因此必需对薄壁件进行模态测试。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态都有一个特定的固有频率、阻尼比和模态振型等。这些模态参数可以由计算或实验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验采集系统输入和结构输出确定模态参数，称为实验模态分析；对于那些无法利用人工激励或者未知输入激励大小的被测对象无法进行实验模态测试的，称为工作模态分析。实验模态测试是在实验室比较理想的工作环境中采用人工方式激励自由状态的被测对象，以采集到的结构响应和输入的激励序列为分析基础进行模态参数识别进而获得模态参数。主要是通过加速度接触式传感器或使用多普勒激光测振仪这种非接触式振动测试传感器来进行测量。实验模态测试方法主要存在两个方面的局限性，其一要求被测对象为自由状态，其二必须是已知的输入激励。对于那些无法利用人工激励或者无法测得激励大小的被测对象无法进行实验模态测试，就必须进行工作模态分析，这种方法的优点是只需要获取输出响应数据，不需要知道输入激励数据，采集到的振动数据来源于结构实际振动的工作环境，测试结果更符合实际的边界条件、更能够反映结构在实际工作条件下的动态特性、更具有工程实际参考价值。也可以采用加速度传感器附着于待测物体表面的方法进行物体模态的测量，但由于薄壁件自身轻质壁薄的特点，使得该方法很难对薄壁件进行一个高精度的模态测量。另外，对于一些复杂结构薄壁件的模态测量，可能会对测试的空间密度有较高的要求，为了得到一个全场高分辨率的测量结果，通常需要测量多点的振动情况，这样就必须在物体表面布置大量的传感器，而接触式传感器很难实现这方面的工作。随着多普勒激光测振技术的发展，多普勒激光测振仪这种非接触式振动测试传感器逐渐被应用到了薄壁件的模态测量中，解决了传感器对薄壁构件产生附加质量的问题，但激光测振前期调试对准复杂，增加了调试时间和难度；且对被测物体表面质量要求较高，除此之外，还有一些全场光学振动测量方法可应用于薄壁件的模态测试，如散斑剪切变形、电子散斑模式干涉和全息干涉等，虽然这些方法具有良好的全场振动测量特性，但一般均以激光作为光源，光路非常复杂，且测量结果易受外界振动的影响，只能用于具备隔振台的实验室内进行科学研究测量，难以满足工作模态测试的需求。综上所述，现有的关于薄壁件的工作模态测试方法已不能满足市场的需求，在这种情况下，针对薄壁件的工作模态测试问题，急需一种不会给被测工件增加附加质量、空间分辨率高、操作方便的快速测量方法来满足工业发展的需要。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种安装灵活、调试容易、测量高效准确的基于机器视觉的薄壁件工作模态测试装置及测试方法，实现了对薄壁件工作模态的非接触、高精度测量。本专利技术的技术方案如下：一种基于机器视觉的薄壁件工作模态测试装置，包括工业相机、光源、图像采集装置及图像处理装置；所述的工业相机和光源置于待测薄壁件的前方，工业相机的镜头朝向待测薄壁件的前侧面，待测薄壁件的前侧面上设有多个反光特征点；所述的工业相机通过数据线与图像采集系统连接；图像采集装置与图像处理装置连接。上述的基于机器视觉的薄壁件工作模态测试装置中，所述的工业相机通过三脚架固定在待测薄壁件的正前方。上述的基于机器视觉的薄壁件工作模态测试装置中，所述的工业相机采用的是CCD工业相机；所述的光源采用的是LED光源。上述的基于机器视觉的薄壁件工作模态测试装置中，所述的薄壁件的一端通过螺栓固定在底座上。一种基于机器视觉的薄壁件工作模态测试方法，包括如下步骤：第1步：求取工业相机与待测薄壁件的相对位姿关系，并对工业相机的主点坐标(u0,v0)、水平方向的等效焦距ax、垂直方向的等效焦距ay、畸变参数γ进行标定；第2步：利用力锤锤击待测薄壁件，利用工业相机连续采集此过程的全部序列图像，通过图像采集装置传送至图像处理装置，进行序列图像处理，提取出每个反光特征点的以像素为单位的振动信号，依据第1步模型并将其转化为实际单位的振动信号；第3步：将提取的多个反光特征点的振动信息运用随机子空间识别方法进行模态参数识别，获取待测薄壁件的工作模态参数。本专利技术与现有技术相比，具有以下有益效果：(1)本专利技术的基于机器视觉的薄壁件工作模态测试装置，利用机器视觉测量技术跟踪薄壁件上的反光特征点的位移，可得到薄壁件上多点的振动信息，并可对多点的振动信息进行同步分析，进而可得到工作模态参数，本专利技术具有空间分辨率高，高效准确等优点。(2)本专利技术的基于机器视觉的薄壁件工作模态测试方法不影响薄壁件的振动特性、结构灵活、操作方便；解决了激光扫描测振时调试对准复杂，对薄壁件表面质量要求高的问题；且实现了非接触测量，不改变待测薄壁件的振动特性，能准确测量出薄壁件的工作模态参数，附图说明图1为本专利技术的基于机器视觉的薄壁件工作模态测试装置的结构示意图。图2为本专利技术的反光特征点在待测薄壁件上的布置图。图3为本专利技术的待测薄壁件的外形尺寸图。图4为本专利技术的序列图像处理的工作流程图。图5为本专利技术的图像滤波去噪的程序流程图。图6为本专利技术的随机子空间识别方法流程图。图7为基于ANSYS有限元仿真的薄壁梁的一阶模态振型。图8为基于ANSYS有限元仿真的薄壁梁的二阶模态振型。图9为按照本专利技术的基于机器视觉的薄壁件工作模态测试方法获得的薄壁梁的一阶模态振型图。图10为按照本专利技术的基于机器视觉的薄壁件工作模态测试方法获得的薄壁梁的二阶模态振型图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。如图1所示，本专利技术的基于机器视觉的薄壁件工作模态测试装置，包括三角架1、CCD工业相机2、LED光源3、反光特征点4、待测薄壁件5、固定底座6、图像采集装置7及图像处理装置8。待测薄壁件5的一端通过两个螺栓被固定在底座6上，另一端处于自由悬空状态。如图2所示，待测薄壁件5的前侧面的中心线上等间距设有多个反光特征点4，反光特征点4采用的是激光打印贴，反光特征点4数量依据需要灵活设置，使用前将激光打印贴在待测薄壁件5前面的中线上。CCD工业相机2通过三脚架1水平固定在待测薄壁件5的正前方，CCD工业相机2的镜头朝向待测薄壁件5的前侧面；并通过数据线连接到图像采集装置7，图像采集装置7与图像处理装置8连接，LED光源3设置在待测薄壁件5的前方，位于CCD工业相机2左侧。利用上述基于机器视觉的薄壁件工作模态测试装置的基于机器视觉的薄壁件工作模态测试方法，包括如下步骤：第1步：求取CCD工业相机2与待测薄壁件5的相对位姿关系，并对CCD工业相机2的主点坐标(u0,v0)、水平方向的等效焦距ax、垂直方向的等效焦距ay、畸变参数γ进行标定。(1.1)CCD工业相机2成像过程实质是几个坐标系之间的转化过程，包括世界坐标系到相机坐标系的刚体变换，CCD工业本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于机器视觉的薄壁件工作模态测试装置，其特征是：包括工业相机、光源、图像采集装置及图像处理装置；所述的工业相机和光源置于待测薄壁件的前方，工业相机的镜头朝向待测薄壁件的前侧面，待测薄壁件的前侧面上设有多个反光特征点；所述的工业相机通过数据线与图像采集系统连接；图像采集装置与图像处理装置连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于机器视觉的薄壁件工作模态测试装置，其特征是：包括工业相机、光源、图像采集装置及图像处理装置；所述的工业相机和光源置于待测薄壁件的前方，工业相机的镜头朝向待测薄壁件的前侧面，待测薄壁件的前侧面上设有多个反光特征点；所述的工业相机通过数据线与图像采集系统连接；图像采集装置与图像处理装置连接。2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的薄壁件工作模态测试装置，其特征是：所述的工业相机通过三脚架固定在待测薄壁件的正前方。3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的薄壁件工作模态测试装置，其特征是：所述的工业相机采用的是CCD工业相机；所述的光源采用的是LED光源。4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的薄壁件工作模态测试装置，其特征是：所述的薄壁件的一端通过螺栓固定在底座上。5.一种利用权利要求1-4中任一权利要求所述的基于机器视觉的薄壁件工作模态测试装置的基于机器视觉的薄壁件工作模态测试方法，包括如下步骤：第1步：求取工业相机与待测薄壁件的相对位姿关系，并对工业相机的主点坐标(u0,v0)、水平方向的等效焦距ax、垂直方向的等效焦距ay、畸变参数γ进行标定；第2步：利用力锤锤击待测薄壁件，利用工业相机连续采集此过程的全部序列图像，通过图像采集装置传送至图像处理装置，进行序列图像处理，提取出每个反光特征点的以像素为单位的振动信号，依据第1步模型并将其转化为实际单位的振动信号；第3步：将提取的多个反光特征点的振动信息运用随机子空间识别方法进行模态参数识别，获取工作模态参数。6.根据权利要求5所述的基于机器视觉的薄壁件工作模态测试方法，第1步具体操作如下：(1.1)工业相机成像过程实质是几个坐标系之间的转化过程，包括世界坐标系到相机坐标系的刚体变换，工业相机坐标系到图像坐标系的透视变换以及图像坐标系到图像像素坐标系的变换，其数学模型如下： z c u v 1 = 1 d x 0 u 0 0 1 d y v 0 0 0 1 · f 0 0 0 0 f 0 0 0 0 1 0 · R T 0 T 1 · X w p Y w p Z w p 1 = a x γ u 0 0 0 a y v 0 0 0 0 1 0 · R T 0 T ...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍济钢，蒋勉，袁继广，张双健，王刚，石海波，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43