本发明专利技术涉及机械工程中的机械制造技术领域和图像测量技术领域，特别涉及三维金相测试领域。一种基于断面轮廓序列的微观多相结构三维建模测量装置，主要由高精度数控三轴移动平台，可转位精密平面磨抛装置，图像采集装置和附件部分组成。本发明专利技术能够实现颗粒增强型复合材料、多晶体金属以及多孔型材料等多相材料的三维实体尺寸测量和三维模型重构，为这类多相材料的制备、分析和仿真提供高精度微观多相结构三维模型和测量数据。
A 3-D Modeling and Measuring Device for Microscopic Multiphase Structures Based on Section Profile Sequence
The invention relates to the field of mechanical manufacturing technology and image measurement technology in mechanical engineering, in particular to the field of three-dimensional metallographic testing. A three-dimensional modeling and measuring device for micro multi-phase structure based on cross-section contour sequence is mainly composed of three-axis high-precision CNC mobile platform, indexable precision plane polishing device, image acquisition device and accessories. The invention can realize three-dimensional solid size measurement and three-dimensional model reconstruction of particle reinforced composite materials, polycrystalline metals, porous materials and other multi-phase materials, and provide high-precision three-dimensional model and measurement data of micro-multi-phase structure for preparation, analysis and Simulation of such multi-phase materials.
【技术实现步骤摘要】
一种基于断面轮廓序列的微观多相结构三维建模测量装置
本专利技术涉及机械工程中的机械制造
和图像测量
，特别涉及三维金相测试领域。
技术介绍
在颗粒增强型复合材料、多晶体金属以及多孔型材料等多相材料的制备、成型加工和切削加工的三维仿真分析和三维尺度的实体测量问题中，需要测量颗粒相、晶体以及孔隙的三维尺寸，并且生成反映多相材料实体的三维模型，为评价材料的制备质量或进行高精度三维仿真分析奠定基础。目前，在颗粒增强型复合材料、多晶体金属以及多孔型材料等多相材料的普通金相测试等二维尺度的测量分析已经相当成熟，但在三维尺度方面还处于探索阶段，一般采用二维金相结果来构建材料的三维金相形貌；这种方法具有一定的实用价值，但由于没有准确获取材料的三维数据，形成的三维金相与实际有一定的差距。采用工业CT法可以通过断层扫描的方法进行实体的三维模型重构，但是对于颗粒增强型复合材料和多晶体金属的三维模型重构，由于颗粒相和晶体的尺寸都在几微米到几十微米的尺度，工业CT的三维重构精度难以满足这类材料的要求而且成本高昂。层切法是近年来发展的一种破坏式的反求建模方法，目前主要进行金属材料构件常规尺度的三维测量与建模，精度为几微米到几十微米；美国UES公司开发的Robo-Met.3D全自动连续切片系统，使用6自由度机械臂自动逐层地研磨和抛光材料，形成连续切片，通过对切片材料微观结构的金相蚀刻和成像，经后处理程序将连续切片二维图像重构生成三维模型，检测的精度达到微米级，但是检测效率不高。上述的三维重构方法和手段均难以满足颗粒增强型复合材料、多晶体金属以及多孔型材料等多相材料在微米到纳米级的三维测量和建模需求，需要一种新的方法来实现多相材料的三维实体高精度测量和模型重构。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：改变和解决颗粒增强型复合材料、多晶体金属以及多孔型材料等多相材料中颗粒相、晶体和孔隙等微结构的三维测量和这类材料的三维模型重构难度大、精度低和成本高等问题，从而提供一种能实现多相材料实体测量和三维模型重构的装置。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于断面轮廓序列的微观多相结构三维建模测量装置，主要由高精度数控三轴移动平台，可转位精密平面磨抛装置，图像采集装置和附件部分组成：高精度数控三轴移动平台包括：由底座（1）和处于底座（1）一侧与底座（1）垂直的立柱（4）组成三轴移动平台的机架主体，底座（1）上平行于立柱（4）的方向有一对X向导轨，X向导轨处于底座（1）前侧和后侧中部，X向导轨上有一个可在X向导轨上直线移动的X向工作台（31），X向工作台（31）平行于底座（1）；X向工作台（31）上有一对垂直于X向导轨的Y向导轨，Y向导轨上有一个可在Y向导轨上直线移动的Y向工作台（22），Y向工作台（22）平行于底座（1）；立柱（4）上有一对垂直于底座（1）的Z向导轨，Z向导轨处于立柱（4）中部，Z向导轨上有一个可在Z向导轨上直线移动的Z向工作台（38），Z向工作台（38）平行于立柱（4）；X向导轨由两条平行的X向第一直线导轨（32）和X向第二直线导轨（35）组成，Y向导轨由两条平行的Y向第一直线导轨（2）和Y向第二直线导轨（18）组成，Z向导轨由两条平行的Z向第一直线导轨（6）和Z向第二直线导轨（9）组成；X向直线往复电机（34）安装在X向第一直线导轨（32）和X向第二直线导轨（35）的中部，Y向直线往复电机（21）安装在Y向第一直线导轨（2）和Y向第二直线导轨（18）中部，Z向直线往复电机（5）安装在Z向第一直线导轨（6）和Z向第二直线导轨（9）中部；X向直线光栅（33）安装在X向第一直线导轨（32）和X向直线往复电机（34）之间，Y向直线光栅（19）安装在Y向第二直线导轨（18）和Y向直线往复电机（21）之间，Z向直线光栅（7）安装在Z向第一直线导轨（6）和Z向直线往复电机（5）之间。可转位精密平面磨抛装置安装在Z向工作台（38）上，可转位精密平面磨抛装置包括与Z向工作台（38）固定连接的横梁（10），安装在横梁（10）上的砂轮转位电机（28），安装在砂轮转位电机（28）输出轴上的砂轮底座（36），安装在砂轮底座（36）上的第一砂轮电机（27）、第二砂轮电机（29）、第三砂轮电机（40），第一砂轮电机（27）输出轴上安装有第一砂轮（37），第二砂轮电机（29）输出轴上安装有第二砂轮（30），第三砂轮电机（40）输出轴上安装有第三砂轮（39），第一砂轮（37）的粒度大于第二砂轮（30）的粒度，第二砂轮（30）的粒度大于第三砂轮（39）的粒度。图像采集装置包括通过夹板（12）与横梁（10）固定连接的图像采集器（11），图像采集器（11）下端连接图像采集电机（13），图像采集电机（13）输出轴上安装第一显微镜头（14）、第二显微镜头（15）、第三显微镜头（16）；第一显微镜头（14）的放大倍率小于第二显微镜头（15），第二显微镜头（15）的放大倍率小于第三显微镜头（16），第一显微镜头（14）的光轴、第二显微镜头（15）的光轴、第三显微镜头（16）的光轴在工作过程中平行于Z向导轨。附件部分包括固定安装在横梁（10）上方的第二吊环（26）、安装在立柱（4）顶部的定滑轮（8）、安装在配重块（23）上的第一吊环（24）、安装在Y向工作台（22）上的托盘（3）、安装在托盘（3）里用于夹紧试样（20）的夹子（17），配重块（23）悬空，第一吊环（24）、第二吊环（26）通过安装在定滑轮（8）上的钢丝绳（25）连接。作为一种优选方式：砂轮转位电机（28）输出轴的轴线、第一砂轮电机（27）的轴线、第二砂轮电机（29）的轴线、第三砂轮电机（40）的轴线均与Z向导轨平行；第一砂轮（37）的下端面、第二砂轮（30）的下端面、第三砂轮（39）的下端面在同一个平面上。X向直线光栅（33）反馈X向工作台（31）的位置信号，Y向直线光栅（19）反馈Y向工作台（22）的位置信号，Z向直线光栅（7）反馈Z向工作台（38）的位置信号。测量坐标系为一个立体直角坐标系，在测量坐标系中，X向导轨从左到右为X轴方向，X向工作台（31）向X向导轨左侧移动的极限位置的X轴坐标为0，Y向导轨从后到前为Y轴方向，Y向工作台（22）向Y向导轨后侧移动的极限位置的Y轴坐标为0，Z向导轨从上到下为Z轴方向，Z向工作台（38）向Z向导轨下侧移动的极限位置的Z轴坐标为0。一种基于断面轮廓序列的微观多相结构三维建模测量方法，按照如下的步骤进行：步骤一，将微观多相结构材料试件做成金相测试的试样（20），然后将试样（20）放置在托盘（3）上，然后通过夹子（17）夹紧试样（20）；步骤二，启动砂轮转位电机（28）、X向直线往复电机（34）和Y向直线往复电机（21），使第一砂轮（37）位于试样（20）正上方，向下移动横梁（10），采用第一砂轮（37）对试样（20）进行试磨削，直到试样（20）表面全部被砂轮磨削到为止；步骤三，保持横梁（10）位置不变，驱动X向直线往复电机（34）和Y向直线往复电机（21），使图像采集装置位于试样（20）正上方，启动图像采集电机（13），分别用第一显微镜头（14）、第二显微镜头（15）、第三显微镜头（16）采集试样（20）上表面图像，调节图像采集器（11），直到得到聚焦本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于断面轮廓序列的微观多相结构三维建模测量装置，其特征在于：包括高精度数控三轴移动平台、可转位精密平面磨抛装置、图像采集装置、附件部分，其中高精度数控三轴移动平台中，底座（1）和处于底座（1）一侧与底座（1）垂直的立柱（4）组成机架主体，底座（1）上平行于立柱（4）的方向有一对X向导轨，X向导轨处于底座（1）前侧和后侧中部，X向导轨上有一个可在X向导轨上直线移动的X向工作台（31），X向工作台（31）平行于底座（1）；X向工作台（31）上有一对垂直于X向导轨的Y向导轨，Y向导轨上有一个可在Y向导轨上直线移动的Y向工作台（22），Y向工作台（22）平行于底座（1）；立柱（4）上有一对垂直于底座（1）的Z向导轨，Z向导轨处于立柱（4）中部，Z向导轨上有一个可在Z向导轨上直线移动的Z向工作台（38），Z向工作台（38）平行于立柱（4）；X向导轨由两条平行的X向第一直线导轨（32）和X向第二直线导轨（35）组成，Y向导轨由两条平行的Y向第一直线导轨（2）和Y向第二直线导轨（18）组成，Z向导轨由两条平行的Z向第一直线导轨（6）和Z向第二直线导轨（9）组成；X向直线往复电机（34）安装在X向第一直线导轨（32）和X向第二直线导轨（35）的中部，Y向直线往复电机（21）安装在Y向第一直线导轨（2）和Y向第二直线导轨（18）中部，Z向直线往复电机（5）安装在Z向第一直线导轨（6）和Z向第二直线导轨（9）中部；X向直线光栅（33）安装在X向第一直线导轨（32）和X向直线往复电机（34）之间，Y向直线光栅（19）安装在Y向第二直线导轨（18）和Y向直线往复电机（21）之间，Z向直线光栅（7）安装在Z向第一直线导轨（6）和Z向直线往复电机（5）之间；可转位精密平面磨抛装置安装在Z向工作台（38）上，可转位精密平面磨抛装置包括与Z向工作台（38）固定连接的横梁（10），安装在横梁（10）上的砂轮转位电机（28），安装在砂轮转位电机（28）输出轴上的砂轮底座（36），安装在砂轮底座（36）上的第一砂轮电机（27）、第二砂轮电机（29）、第三砂轮电机（40），第一砂轮电机（27）输出轴上安装有第一砂轮（37），第二砂轮电机（29）输出轴上安装有第二砂轮（30），第三砂轮电机（40）输出轴上安装有第三砂轮（39），第一砂轮（37）的粒度大于第二砂轮（30）的粒度，第二砂轮（30）的粒度大于第三砂轮（39）的粒度；图像采集装置包括通过夹板（12）与横梁（10）固定连接的图像采集器（11），图像采集器（11）下端连接图像采集电机（13），图像采集电机（13）输出轴上安装第一显微镜头（14）、第二显微镜头（15）、第三显微镜头（16）；第一显微镜头（14）的放大倍率小于第二显微镜头（15），第二显微镜头（15）的放大倍率小于第三显微镜头（16），第一显微镜头（14）的光轴、第二显微镜头（15）的光轴、第三显微镜头（16）的光轴在工作过程中平行于Z向导轨；附件部分包括固定安装在横梁（10）上方的第二吊环（26）、安装在立柱（4）顶部的定滑轮（8）、安装在配重块（23）上的第一吊环（24）、安装在Y向工作台（22）上的托盘（3）、安装在托盘（3）里用于夹紧试样（20）的夹子（17），配重块（23）悬空，第一吊环（24）、第二吊环（26）通过安装在定滑轮（8）上的钢丝绳（25）连接。...
【技术特征摘要】
1.一种基于断面轮廓序列的微观多相结构三维建模测量装置，其特征在于：包括高精度数控三轴移动平台、可转位精密平面磨抛装置、图像采集装置、附件部分，其中高精度数控三轴移动平台中，底座（1）和处于底座（1）一侧与底座（1）垂直的立柱（4）组成机架主体，底座（1）上平行于立柱（4）的方向有一对X向导轨，X向导轨处于底座（1）前侧和后侧中部，X向导轨上有一个可在X向导轨上直线移动的X向工作台（31），X向工作台（31）平行于底座（1）；X向工作台（31）上有一对垂直于X向导轨的Y向导轨，Y向导轨上有一个可在Y向导轨上直线移动的Y向工作台（22），Y向工作台（22）平行于底座（1）；立柱（4）上有一对垂直于底座（1）的Z向导轨，Z向导轨处于立柱（4）中部，Z向导轨上有一个可在Z向导轨上直线移动的Z向工作台（38），Z向工作台（38）平行于立柱（4）；X向导轨由两条平行的X向第一直线导轨（32）和X向第二直线导轨（35）组成，Y向导轨由两条平行的Y向第一直线导轨（2）和Y向第二直线导轨（18）组成，Z向导轨由两条平行的Z向第一直线导轨（6）和Z向第二直线导轨（9）组成；X向直线往复电机（34）安装在X向第一直线导轨（32）和X向第二直线导轨（35）的中部，Y向直线往复电机（21）安装在Y向第一直线导轨（2）和Y向第二直线导轨（18）中部，Z向直线往复电机（5）安装在Z向第一直线导轨（6）和Z向第二直线导轨（9）中部；X向直线光栅（33）安装在X向第一直线导轨（32）和X向直线往复电机（34）之间，Y向直线光栅（19）安装在Y向第二直线导轨（18）和Y向直线往复电机（21）之间，Z向直线光栅（7）安装在Z向第一直线导轨（6）和Z向直线往复电机（5）之间；可转位精密平面磨抛装置安装在Z向工作台（38）上，可转位精密平面磨抛装置包括与Z向工作台（38）...
【专利技术属性】
技术研发人员：董志国，刘建成，张晓东，白小云，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14
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