一种实时残余应力测量系统及方法技术方案

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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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，该专利技术属于光测实验力学，工程材料，构件变形，三维重构和钻孔残余应力测量领域。
技术介绍
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。产生残余应力的外部因素有很多，如温度变化、材料加工、喷丸处理、表 面处理，相变、析出等。残余应力直接影响结构使用性能，尤其在工程管道中，焊接残余应力 直接影响结构的安全使用性能，它能促进材料产生应力腐蚀开裂，降低疲劳性能和脆断抗 力，降低结构尺寸稳定性等。因此，残余应力测试是工程和科研工作中所需要的重要测试技 术。当前可供应用的残余应力测定方法按其实质可有两大类别。第一类残余应力测定方法 为应力释放方法，即利用切割使构件中的残余应力释放，根据切割方式和相应的释放应变 数量计算残余应力。在工程现场测定中，损伤被测工件程度相对较小的钻孔法得到较多的 应用。钻孔法测量残余应力是一种半破坏的测量残余应力的方法，该方法损伤小，测量精度 较高，广泛应用于焊接结构的残余应力测量。钻孔法的理论基础是基于弹性理论的Kirsch 问题，将钻孔前后孔口附近的应力差作为钻孔释放的残余应力。另一类为物性法，即利用 材料在应力作用下物理性能发生变化的原理测定残余应力。例如X射线法，中子衍射法， 超声法(典型的有专利技术专利有，用于残余应力测量的方法(中国专利技术专利申请公开说明书 98806517. 7))，压磁法等。物性法测定残余应力一般称为无损残余应力测定法，因为在测定 过程中不需损伤被测工件，但由于测试技术复杂，易受外界条件干扰，因此工程现场应用有 较大困难。近来一种冲击压痕的方法得到重视，最初的压痕法是基于应力诱导材料硬度的 变化而提出的，如一种残余应力测量方法(中国专利技术专利申请公开说明书01106312. 2)，冲 击压痕测定残余应力方法(中国专利技术专利申请公开说明书93110137. 9)。残余应力在工程中经常利用钻孔方法结合应变片的测量方法进行测量，通过钻 孔的方法进行残余应力的技术也有很多，例如一种焊接残余应力测量方法(中国专利技术专 利申请公开说明书200910014661. 1)，残余应力测试装置(中国专利技术专利申请公开说明书 200820090081. 9)，结合应变片与钻孔方法能够满足大多数的工程测量，但是由于应变片对 于温度敏感，应变测量精度依赖于粘结的技术，且对钻孔对中要求很高，测量过程受环境电 磁辐射等的影响较大，不适合复杂环境下的测量。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种实时钻孔测量残余应力系统和方法，该方法操作简单， 自动进给控制钻孔深度，实现在线实时测量，又可改进以往在数字图像相关测量残余应力 的局限性。本专利技术的技术方案如下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的电主轴、电主轴 调频器、第一 CCD相机、第二 CCD相机、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、步进电机、步进电机控制装置、电主轴平移驱动装置、冷光源、棋盘格标定 板、固定平板、试件固定调节装置；所述的第一 CCD相机和第二 CCD相机安装在相机调节支 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 构和步进平移台，步进平移台设置在涡轮涡杆上，电主轴通过平移台连接架安装在步进平 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并通过步进平移 台和平移台连接架实现电主轴的轴向移动；涡轮涡杆机构、步进电机、步进电机控制装置、 电主轴调频器、相机调节支架和试件固定调节装置均固定在固定平板上。本专利技术提供的一种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置于试件固定装置上，打开冷光源，使光线能够均勻散于 试件表面；通过相机调节支架调节第一 CCD相机和第二 CCD相机的高度和角度，并使得预钻 孔位置能够清晰成像，然后保持第一 CXD相机和第二 CXD相机位置不动；2)将试件取下来，利用棋盘格标定板标定第一 CCD相机和第二 CCD相机的内参数 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相机和第二 CCD相机 分别拍摄至少三幅标定板的不同方位的视像，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，使得钻孔位置处于第一CCD相机和第二CCD相机的采集图像中心；根据要 求选择不同的钻头直径；4)利用第一 CCD相机和第二 CCD相机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接近到试件上预钻孔位置，根据不同试件材料 设定钻头的转速，通过调节电主轴调频器(11)来调节钻头的转速，开始钻孔；6)使电主轴及钻头远离试件表面，利用第一 CCD相机和第二 CCD相机分别拍摄钻 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，重复步骤幻至7)，计算得到沿试件 深度方向残余应力的大小分布。本专利技术具有以下优点及突出性效果本专利技术提出的系统及方法是基于非接触的光 学全场测量方法，结合高精度自动控制钻孔深度，实现了实时在线钻孔非接触全场测量；而 且操作简单，能够利用三维数字图像相关求出残余应力释放出的微小变形量，能够步进钻 孔深度，测量试件不同深度残余应力的大小。附图说明图1为本专利技术提供的实时残余应力测量系统的原理结构示意图。图2为钻孔前第一、第二相机所拍摄得到的试件表面散斑图像。图3为钻孔后第一、第二相机所拍摄得到的试件表面散斑图像。图4为本专利技术提供的实时残余应力测量方法的流程图。图中1-残余应力试件；2-钻头；3-电主轴；4-平移台连接架；5-步进平移台； 6-涡轮涡杆平移机构；7-涡轮涡杆驱动及控制装置；8-第一 CCD相机；9-第二 CCD相机； 10-步进电机及控制装置；11-电主轴调频器；12-计算机；13-试件固定调节装置；14-冷光 源；15-棋盘格标定板；16-固定平板。具体实施例方式下面结合附图进一步说明本专利技术的具体结构、工作原理及具体实施方式。本专利技术提供的实时残余应力测量系统包括钻头2、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。第一 CXD相机8和第二 CXD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12相连接；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实现电本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谢惠民，胡振兴，王怀喜，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[]