CN107064151B - 利用激光测量纤维角的在线分析检测实木板材力学性能的装置和方法 - Google Patents

Abstract

利用激光测量纤维角的在线分析检测实木板材力学性能的装置和方法，本发明涉及在线分析检测实木板材力学性能的装置和方法。本发明的目的是为了解决现有力学试验机测定板材力学性能时会将试件破坏，同时不能对整批次板材进行普检，在实际操作过程中产生浪费以及检测误差大的问题。利用激光测量纤维角的在线分析检测实木板材力学性能的装置包括工作台、试验台主支撑架、激光发生器、摄像头、摄像头高度调节架、同步驱动轴、横向运动步进电机、纵向运动步进电机、移动夹取装置和二轴滑台。本发明用于实木板材力学性能检测领域。

Description

利用激光测量纤维角的在线分析检测实木板材力学性能的装 置和方法

技术领域

本发明涉及在线分析检测实木板材力学性能的装置和方法。

背景技术

当前对板材力学性能的测试方法通常将待测板材加工成标准式样，再采用力学压力机对标准式样进行压(拉)实验，通过测量标准试样受到的拉力与形变的对应关系，计算出标准试件的相应力学性能，以此来认定同批次送样试件相应的力学性能。但是由于力学试验机通常在实验过程中会将试件破坏，同时不能对整批次板材进行普检，在实际操作过程中产生浪费以及检测误差大。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有力学试验机测定板材力学性能时会将试件破坏，同时不能对整批次板材进行普检，在实际操作过程中产生浪费以及检测误差大的问题，而提出利用激光测量纤维角的在线分析检测实木板材力学性能的装置和方法。

利用激光测量纤维角的在线分析检测实木板材力学性能的装置包括工作台、试验台主支撑架、激光发生器、摄像头、摄像头高度调节架、同步驱动轴、横向运动步进电机、纵向运动步进电机、移动夹取装置和二轴滑台；

所述二轴滑台包括两根纵向导轨模组、一根横向导轨模组，且两根纵向导轨模组固定布置在工作台的板面上；纵向运动步进电机驱动一根纵向导轨模组，并通过同步驱动轴使两根纵向导轨模组同步运动；每根纵向导轨模组上设有导轨滑块，横向导轨模组的两端分别固定在两根纵向导轨模组上的导轨滑块上，横向导轨模组与纵向导轨模组成90度角；横向运动步进电机驱动横向导轨横向运动；移动夹取装置固定在横向导轨上的导轨滑块上，移动夹取装置用于夹取待测板材；

试验台主支撑架架在二轴滑台的上方；摄像头通过可调节高度的摄像头高度调节架固定在试验台主支撑架上；摄像头通过可调节高度的摄像头高度调节架使位于移动夹取装置上的待测板材落在摄像头的焦距上；

气动开关固定在试验台主支撑架上；

激光发生器固定在试验台主支撑架上，同时位于摄像头的正下方；通过调节激光发生器的位置与朝向，使激光发生器发出的激光光路与摄像头的主光轴的夹角大于0度小于3度，同时使激光发生器垂直于位于移动夹取装置上的待测板材表面。

利用激光测量纤维角的在线分析检测实木板材力学性能的方法具体过程为：

步骤一、把待测板材放在载物台上，将待测板材一端紧贴载物台挡边，通过刻在载物台上的刻度读取待测板材宽度；利用气动开关控制气缸伸缩使活动夹板移动；松开手轮锁，转动手轮，使活动夹板与静态夹板之间的张开距离大于待测板材宽度5到10厘米，并锁止手轮锁；

步骤二、上位机控制移动夹取装置归位到零点校准后，控制移动夹取装置移动到装载位置，手动将待测板材推入到移动夹取装置上，直到待测板材的前端碰到静止夹板最前端，利用气动开关控制气缸伸出使活动夹板移动，夹紧待测板材；

步骤三、上位机启动摄像头并调整曝光值；接通激光发生器电源；移动夹取装置携带待测板材运动到测量位置，通过USB摄像头采集从待测板材上反射回的激光光斑形状并测量其椭度，完成单点纹理方向的测量；在通过移动夹取装置沿横向和纵向两个方向移动到待测板材下一个测量点进行测量，直至完成对待测板材的遍历；得到待测板材表面的纹理分布。

本发明的有益效果为：

本发明通过非接触式测量板材纤维角来预测板材力学性能(包括泊松比，弹性模量)，能够在测试板材后不会对板材造成损伤，能够实现对板材的普检，能够有效的控制材料的品质，剔除不合格品，不会产生浪费，检测误差低，提高板材的检测质量。同时本发明在工业大生产过程中，能够实现多点同时检测，成倍增加检测速度，增加检测效率。

纤维角作为板材表面的重要特征，在很大程度上决定了板材的力学性能。当激光光束垂直打在板材表面上会形成类似椭圆形状的光斑，椭圆的长轴取向与板材纤维角有强的相关性，这种现象被称之为管胞效应。将激光光斑的形状采集到计算机中，采用改进后的最小二乘法对光斑形状进行椭圆拟合，能够测的待测表面的纤维取向与板材边沿所夹角度，通过遍历板材表面，进而得到板材表面纤维角的分布。对板材表面纤维角分布进行建模，能够预测待测板材的力学性能。本发明利用管胞效应，通过采集激光光斑的反射形状获取测试点的纤维角；利用二轴滑台以某种固定的方式遍历板材获取待测板材整个测试表面的纤维角分布情况，通过内部数学模型预测板材的力学指标。

如图6所示：实际转角度为43.2时，测量值为43.8；实际转角度为158.4时，测量值为158.1；实际旋转角度与测量值的相关系数为0.998，可得出本发明方法可以很好的检测实木板材纤维角度。

选取一个宽为20mm，长为50mm，带有节子的试样，通过设备以步长为2mm在17*20mm的区域内对其纤维角进行测量。将结果绘制出如图7。细线的方向代表设备测得其所在位置的纤维角方向；长度代表管胞在与图片平面的夹角情况(长度越长，其管胞与图片平面夹角越小)。可见该试样的管胞环绕节子而生，符合其生物学的规律。

附图说明

图1为本发明利用激光测量纤维角的在线分析检测实木板材力学性能的装置结构图；

图2为本发明移动夹取装置结构图；

图3为本发明利用激光测量纤维角的在线分析检测实木板材力学性能的装置示意图；

图4为本发明二轴滑台装置示意图；

图5为本发明移动夹取装置示意图；

图6为本发明实际转角度与测量角度的关系图；

图7为本发明待测板材测量结果示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的利用激光测量纤维角的在线分析检测实木板材力学性能的装置包括工作台1、试验台主支撑架2、激光发生器3、摄像头4(搭配镜头)、摄像头高度调节架5、同步驱动轴6、横向运动步进电机8、纵向运动步进电机、移动夹取装置12(包含气动夹持装置)和二轴滑台；

所述二轴滑台包括两根纵向导轨模组9、一根横向导轨模组13，且两根纵向导轨模组9固定布置在工作台1的板面上；纵向运动步进电机驱动一根纵向导轨模组9，并通过同步驱动轴6使两根纵向导轨模组9同步运动；每根纵向导轨模组9上设有导轨滑块，横向导轨模组13的两端分别固定在两根纵向导轨模组9上的导轨滑块上，横向导轨模组13与纵向导轨模组9成90度角；横向运动步进电机8驱动横向导轨模组13横向运动；移动夹取装置12固定在横向导轨模组13上的导轨滑块上，移动夹取装置12用于夹取待测板材；纵向导轨模组9和横向导轨模组13为CCM直线滑轨滑台模组；

试验台主支撑架2架在二轴滑台的上方；摄像头4通过可调节高度的摄像头高度调节架5固定在试验台主支撑架2上；摄像头4通过可调节高度的摄像头高度调节架5使位于移动夹取装置12上的待测板材落在摄像头4的焦距上，焦距距离为50cm到70cm；

气动开关7固定在试验台主支撑架2上；

激光发生器3固定在试验台主支撑架2上，同时位于摄像头4的正下方；通过调节激光发生器3的位置与朝向，使激光发生器3发出的激光光路与摄像头4的主光轴的夹角大于0度小于3度，同时使激光发生器3垂直于位于移动夹取装置12上的待测板材表面。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述移动夹取装置(包含气动夹持装置)12包括：

手轮12-1、手轮锁12-2、滑台12-3、第一夹板滑轨12-4、气缸12-5、活动夹板12-6、橡胶条12-7、静止夹板12-8、第二夹板滑轨12-9、夹板滑块12-10、支撑架12-11、移动夹取装置主底板12-12；

第一夹板滑轨12-4和第二夹板滑轨12-9分别通过2个支撑件12-11对称固定在移动夹取装置主底板12-12上；第一夹板滑轨12-4和第二夹板滑轨12-9上分别设置一个夹板滑块12-10，两个夹板滑块12-10分别在第二夹板滑轨12-9和第一夹板滑轨12-4上滑动；活动夹板12-6成“凵”型，“凵”型活动夹板12-6的两个侧边固定在两个夹板滑块12-10上；“凵”型活动夹板12-6的底边与“凵”型活动夹板12-6的两个侧边垂直设置，“凵”型活动夹板12-6的底边贴有橡胶条12-7，且“凵”型活动夹板12-6的两个侧边同向设置；如此设置，减小冲击防止机械性损坏，保护板材与设备，同时增加了夹取面的摩擦系数，保证板材夹取的牢固稳定；

滑台12-3通过螺栓固定在移动夹取装置主底板12-12上，且位于“凵”型活动夹板12-6“凵”口内；滑台12-3包括两根光棒、一根丝杠和滑台滑块，两根光棒、一根丝杠平行设置贯穿滑台滑块，丝杠驱动滑台滑块沿光棒移动；

丝杠的一端设置手轮12-1与手轮锁12-2，所述丝杠的旋转动力由手轮12-1提供，通过旋转手轮锁12-2能够使得丝杠被锁止；滑台滑块上固定气缸12-5，气缸12-5活动端与“凵”型活动夹板12-6的底边相连；

静止夹板12-8通过支撑件12-11固定在移动夹取装置主底板12-12上，静止夹板12-8上设有承载待测板材的载物面，静止夹板12-8承载待测板材的载物面低于“凵”活动夹板12-6的下端面，使“凵”型活动夹板12-6能够无摩擦的在静止夹板12-8的上方运动，实现装夹功能。两个夹板滑轨是对称安装的，每个夹板滑轨上都有滑块。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述装置还包括载物台限位挡边10和载物台11，载物台11位于工作台1上，载物台限位挡边10位于载物台11的一侧，用于限定待测板材在载物台11上位置。

移动夹取装置12移动到装载位置，装载位置为使静止夹板12-8的边沿与载物台挡边10对齐的位置，手动将载物台11上的待测板材推入到移动夹取装置12上，直到待测板材的前端碰到静止夹板12-8最前端；将气动开关7拨到使活动夹板12-6夹紧位置；活动夹板12-6受到气缸12-5推动向前运动，夹紧待测板材。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述光棒为铝制光棒。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述摄像头4为USB摄像头。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述气动开关7用于控制位于移动夹取装置12上的气缸12-5伸缩运动。

如此设计成二级结构，能够减少气缸12-5的工作行程，同时兼顾到夹持板材的宽度范围，保证结构紧凑牢固，美观易用。采用气缸做夹取动力，保证其反应迅速，干净清洁。同时在运动过程中，气缸能够提供稳定的夹持力，保证其夹持稳定可靠。

具体实施方式七：结合图3、4、5说明本实施方式，本实施方式的利用激光测量纤维角的在线分析检测实木板材力学性能的方法，具体过程为：

步骤一、把待测板材放在载物台11上，将待测板材一端紧贴载物台11挡边10，通过刻在载物台11上的刻度读取待测板材宽度；利用气动开关7控制气缸12-5伸缩使活动夹板12-6移动；调整气缸12-5带动活动夹板12-6收缩，松开12-2手轮锁，转动手轮12-1，调整该夹持装置的极限位置，使活动夹板12-6与静态夹板12-8之间的张开距离大于待测板材宽度5到10厘米，并锁止12-2手轮锁；

活动夹板12-6张开是指气缸收缩到极限的位置。具体能张开多大是通过调节手轮和气缸形成决定的。在调节的过程中，需要先使得气缸收缩，在旋转手轮调节活动夹板能够打开的极限宽度，再放上待测板材，关闭气动开关，闭合活动夹板，夹住待测板材。

步骤二、上位机控制移动夹取装置(包含气动夹持装置)12归位到零点校准后，控制移动夹取装置12移动到装载位置，手动将待测板材推入到移动夹取装置12上，直到待测板材的前端碰到静止夹板12-8最前端；利用气动开关7控制气缸12-5伸出使活动夹板12-6移动，夹紧待测板材；

移动夹取装置(包含气动夹持装置)归位到零点校准，由于步进电机是开环控制，所以每次开机需要对移动夹取装置(包含气动夹持装置)的零点进行校准，所以每次开机后需要移动夹取装置(包含气动夹持装置)回到机械零点。

步骤三、上位机启动摄像头4并调整曝光值；接通激光发生器3电源；移动夹取装置12携带待测板材运动到测量位置，通过USB摄像头4采集从待测板材上反射回的激光光斑形状并测量其椭度，完成单点纹理方向的测量；在通过移动夹取装置12沿横向和纵向两个方向移动到待测板材下一个测量点进行测量，直至完成对待测板材的遍历；得到待测板材表面的纹理分布。

对得到到的待测板材表面的纹理分布数据进行分析，通过神经网络预测模型预测待测板材的弹性模量与抗弯系数等力学指标，显示在上位机界面中；同时根据使用者在上位机中输入的力学指标阈值范围对板材的力学性能进行分类(按照使用者的需求进行分类，比如说按照弹性模量的高中低，强度是否满足使用者的要求等等)。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：所述所述步骤二中装载位置为使静止夹板12-8的边沿与载物台挡边10对齐的位置，从而利于板材装载。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八不同的是：所述步骤三中测量位置为待测板材上的第一个待测点位于激光点上。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七至九之一不同的是：所述步骤三中通过摄像头4采集从待测板材上反射回的激光光斑形状并测量其椭度，完成单点纹理方向的测量；在通过移动夹取装置12沿横向和纵向两个方向移动到待测板材下一个测量点进行测量，直至完成对待测板材的遍历；得到待测板材表面的纹理分布；具体过程为：

将从待测板材上反射回的激光光斑的形状采集到计算机中，采用改进后的最小二乘法对光斑形状进行椭圆拟合，能够测的待测板材表面的纤维取向与板材边沿所夹角度，完成单点纹理方向的测量；在通过移动夹取装置12沿横向和纵向两个方向移动到待测板材下一个测量点进行测量，直至完成对待测板材的遍历；得到待测板材表面的纹理分布。

所述通过神经网络预测模型预测待测板材的弹性模量与抗弯系数力学指标；具体过程为：

通过将待测板材的纹理角作为输入，将板材力学性能指标作为输出(比如说弹性模量)，对BP神经网络进行训练；训练完成之后就能够通过板材的纹理角来预测板材的弹性模量与抗弯系数力学指标；

所述板材力学性能指标通过将待测板材放入实验压力机测得；遗传算法擅长全局搜索，BP神经网络在用于局部搜索较有效，故遗传算法和BP算法相结合颇为有效。遗传算法对神经网络初始权值进行优化，定位出较好的搜索空间，再采用BP算法在小空间内搜索最优值。一般而言，三层的BP神经网络可以逼近任意的映射关系，且与通常使用的一个隐藏层的网络相比，两个隐藏层的网络对提高最终通过的预测准确率来说并没有明显的帮助。

采用三层的BP神经网络，中间层为一层，节点数量为20，输入为测得的各个纹理角，输出为预测的抗压弹性模量等力学性能指标。由于本文输入数据均为正数，故对输入的数据先进性线性归一化。第一层激活函数选择S型，第二层激活函数选择线性函数。

遗传算法对BP神经网络初始权值进行优化。其中种群数目为50，进化代数为100，交叉概率为0.5，变异概率为0.09，通过Matlab软件建立该神经网络并进行训练，可得经实数遗传算法优化后的BP神经网络各层之间初始权值。

基于matlab平台以100个不同板材通过该设备测得纹理角分布数据(每个板材均匀测量5*10个位置的纹理角)作为输入，其相应板材通过力学试验机测得板材的泊松比与抗压弹性模量作为输出对以上神经网络进行训练。获得板材力学性能的预测模型并进行保存。

利用该设备测得的待测板材纹理角分布，通过已训练好的预测模型可以预测出板材的泊松比和抗弯弹性模量等力学性能指标。

Claims (9)

1.利用激光测量纤维角的在线分析检测实木板材力学性能的装置，其特征在于：所述装置包括工作台(1)、试验台主支撑架(2)、激光发生器(3)、摄像头(4)、摄像头高度调节架(5)、同步驱动轴(6)、横向运动步进电机(8)、纵向运动步进电机、移动夹取装置(12)和二轴滑台；

所述二轴滑台包括两根纵向导轨模组(9)、一根横向导轨模组(13)，且两根纵向导轨模组(9)固定布置在工作台(1)的板面上；纵向运动步进电机驱动一根纵向导轨模组(9)，并通过同步驱动轴(6)使两根纵向导轨模组(9)同步运动；每根纵向导轨模组(9)上设有导轨滑块，横向导轨模组(13)的两端分别固定在两根纵向导轨模组(9)上的导轨滑块上，横向导轨模组(13)与纵向导轨模组(9)成90度角；横向运动步进电机(8)驱动横向导轨模组(13)横向运动；移动夹取装置(12)固定在横向导轨模组(13)上的导轨滑块上，移动夹取装置(12)用于夹取待测板材；

试验台主支撑架(2)架在二轴滑台的上方；摄像头(4)通过可调节高度的摄像头高度调节架(5)固定在试验台主支撑架(2)上；摄像头(4)通过可调节高度的摄像头高度调节架(5)使位于移动夹取装置(12)上的待测板材落在摄像头(4)的焦距上；

气动开关(7)固定在试验台主支撑架(2)上；

激光发生器(3)固定在试验台主支撑架(2)上，同时位于摄像头(4)的正下方；通过调节激光发生器(3)的位置与朝向，使激光发生器(3)发出的激光光路与摄像头(4)的主光轴的夹角大于0度小于3度，同时使激光发生器(3)垂直于位于移动夹取装置(12)上的待测板材表面；

所述移动夹取装置(12)包括：

手轮(12-1)、手轮锁(12-2)、滑台(12-3)、第一夹板滑轨(12-4)、气缸(12-5)、活动夹板(12-6)、橡胶条(12-7)、静止夹板(12-8)、第二夹板滑轨(12-9)、夹板滑块(12-10)、支撑架(12-11)、移动夹取装置主底板(12-12)；

第一夹板滑轨(12-4)和第二夹板滑轨(12-9)分别通过2个支撑件(12-11)对称固定在移动夹取装置主底板(12-12)上；第一夹板滑轨(12-4)和第二夹板滑轨(12-9)上分别设置一个夹板滑块(12-10)，两个夹板滑块(12-10)分别在第二夹板滑轨(12-9)和第一夹板滑轨(12-4)上滑动；活动夹板(12-6)成“凵”型，“凵”型活动夹板(12-6)的两个侧边固定在两个夹板滑块(12-10)上；“凵”型活动夹板(12-6)的底边与“凵”型活动夹板(12-6)的两个侧边垂直设置，“凵”型活动夹板(12-6)的底边贴有橡胶条(12-7)，且“凵”型活动夹板(12-6)的两个侧边同向设置；

滑台(12-3)通过螺栓固定在移动夹取装置主底板(12-12)上，且位于“凵”型活动夹板(12-6)“凵”口内；滑台(12-3)包括两根光棒、一根丝杠和滑台滑块，两根光棒、一根丝杠平行设置贯穿滑台滑块，丝杠驱动滑台滑块沿光棒移动；

丝杠的一端设置手轮(12-1)与手轮锁(12-2)，所述丝杠的旋转动力由手轮(12-1)提供，通过旋转手轮锁(12-2)能够使得丝杠被锁止；滑台滑块上固定气缸(12-5)，气缸(12-5)活动端与“凵”型活动夹板(12-6)的底边相连；

静止夹板(12-8)通过支撑件(12-11)固定在移动夹取装置主底板(12-12)上，静止夹板(12-8)上设有承载待测板材的载物面，“凵”型活动夹板(12-6)能够在静止夹板(12-8)的上方运动，实现装夹功能。

2.根据权利要求1所述利用激光测量纤维角的在线分析检测实木板材力学性能的装置，其特征在于：所述装置还包括载物台限位挡边(10)和载物台(11)，载物台(11)位于工作台(1)上，载物台限位挡边(10)位于载物台(11)的一侧，用于限定待测板材在载物台(11)上位置。

3.根据权利要求2所述利用激光测量纤维角的在线分析检测实木板材力学性能的装置，其特征在于：所述光棒为铝制光棒。

4.根据权利要求3所述利用激光测量纤维角的在线分析检测实木板材力学性能的装置，其特征在于：所述摄像头(4)为USB摄像头。

5.根据权利要求4所述利用激光测量纤维角的在线分析检测实木板材力学性能的装置，其特征在于：所述气动开关(7)用于控制位于移动夹取装置(12)上的气缸(12-5)伸缩运动。

6.利用激光测量纤维角的在线分析检测实木板材力学性能的方法，是基于权利要求1所述利用激光测量纤维角的在线分析检测实木板材力学性能的装置实现的，其特征在于：利用激光测量纤维角的在线分析检测实木板材力学性能的方法具体过程为：

步骤一、把待测板材放在载物台(11)上，将待测板材一端紧贴载物台(11)挡边(10)，通过刻在载物台(11)上的刻度读取待测板材宽度；利用气动开关(7)控制气缸(12-5)伸缩使活动夹板(12-6)移动；松开(12-2)手轮锁，转动手轮(12-1)，使活动夹板(12-6)与静态夹板(12-8)之间的张开距离大于待测板材宽度5到10厘米，并锁止(12-2)手轮锁；

步骤二、上位机控制移动夹取装置(12)归位到零点校准后，控制移动夹取装置(12)移动到装载位置，手动将待测板材推入到移动夹取装置(12)上，直到待测板材的前端碰到静止夹板(12-8)最前端，利用气动开关(7)控制气缸(12-5)伸出使活动夹板(12-6)移动，夹紧待测板材；

步骤三、上位机启动摄像头(4)并调整曝光值；接通激光发生器(3)电源；移动夹取装置(12)携带待测板材运动到测量位置，通过USB摄像头(4)采集从待测板材上反射回的激光光斑形状并测量其椭度，完成单点纹理方向的测量；在通过移动夹取装置(12)沿横向和纵向两个方向移动到待测板材下一个测量点进行测量，直至完成对待测板材的遍历；得到待测板材表面的纹理分布。

7.根据权利要求6所述利用激光测量纤维角的在线分析检测实木板材力学性能的方法，其特征在于：所述步骤二中装载位置为使静止夹板(12-8)的边沿与载物台挡边(10)对齐的位置。

8.根据权利要求7所述利用激光测量纤维角的在线分析检测实木板材力学性能的方法，其特征在于：所述步骤三中测量位置为待测板材上的第一个待测点位于激光点上。

9.根据权利要求8所述利用激光测量纤维角的在线分析检测实木板材力学性能的方法，其特征在于：所述步骤三中通过摄像头(4)采集从待测板材上反射回的激光光斑形状并测量其椭度，完成单点纹理方向的测量；在通过移动夹取装置(12)沿横向和纵向两个方向移动到待测板材下一个测量点进行测量，直至完成对待测板材的遍历；得到待测板材表面的纹理分布；具体过程为：

将从待测板材上反射回的激光光斑的形状采集到计算机中，采用改进后的最小二乘法对光斑形状进行椭圆拟合，能够测的待测板材表面的纤维取向与板材边沿所夹角度，完成单点纹理方向的测量；在通过移动夹取装置(12)沿横向和纵向两个方向移动到待测板材下一个测量点进行测量，直至完成对待测板材的遍历；得到待测板材表面的纹理分布。