CN114427927B - 一种基于三维视觉识别的蠕变轮廓法残余应力测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维视觉识别的蠕变轮廓法残余应力测试装置，包括：立体相机测量头通过螺栓固定在相机支架上方，相机支架的下方设有热处理模块，热处理模块外部左右两侧固定有支架调节固定块，相机支架的高度通过支架调节固定块进行调节和固定，热处理模块的上方左右两侧固定有侧光源，热处理模块的下方设有光学隔振平台，热处理模块通过螺栓与光学隔振平台的台面固定连接，热处理模块的右侧方设有风机电机，风机电机通过螺栓与电机支座固定连接，电机支座通过合页和连接板与热处理模块连接。本发明可有效减小环境因素对检测精度的影响，获得精确的工件热处理过程的三维变形数据，以此计算出热处理前后工件的残余应力场。

Description

一种基于三维视觉识别的蠕变轮廓法残余应力测试装置

技术领域

本发明涉及残余应力测试领域，特别是一种基于三维视觉识别的蠕变轮廓法残余应力测试装置。

背景技术

由于成形和热处理过程中非均匀的塑性变形、温度场及金属相变的作用，极易在零件表面或内部产生较大的残余应力。残余应力显著影响零件的结构强度、尺寸稳定性和疲劳寿命，不良的残余应力场将导致强度下降、变形、局部破坏、疲劳断裂、加工超差等问题的出现，严重影响零件的制造精度和服役可靠性。

现有方法，如X射线衍射法、激光盲孔法、表面压痕法等，大多只能测量零件表面残余应力，而无法测量零件内部的残余应力。一些方法，如中子衍射法、同步辐射法等，可以测量零件内部的残余应力，但检测成本巨大，检测设备极其稀有，不适合在生产制造中应用。零件残余应力，尤其是内部残余应力场，无法得到有效的评估和测量，从而无法对环件的力学性能、加工后的变形进行精准的评估和预测。

蠕变轮廓法是一种通过测量工件热处理过程的变形推算热处理前后工件残余应力场的方法，可以完成工件表面及内部残余应力场检测，但目前的蠕变轮廓法残余应力检测设备无法获得热处理过程工件表面的三维变形数据，只能获得二维变形数据，且具有二维变形检测精度低、抗环境干扰能力差、热处理效果差等问题，本发明提供了一种基于三维视觉识别的蠕变轮廓法残余应力测试装置，在保证热处理效果的同时，可以精确地获得热处理过程工件表面的三维变形数据，从而提高了蠕变轮廓法残余应力的测试精度。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为实现上述目的，本发明提供了一种基于三维视觉识别的蠕变轮廓法残余应力测试装置，所述测试装置包括：立体相机测量头、相机支架、热处理模块、光学隔振平台、侧光源、支架调节固定块、风机电机、电机支座、合页，连接板，其中，

所述立体相机测量头通过螺栓固定在所述相机支架上方，所述相机支架的下方设有所述热处理模块，所述热处理模块外部左右两侧各固定有4个所述支架调节固定块，所述相机支架的高度通过所述支架调节固定块进行调节和固定，所述热处理模块的上方左右两侧各固定有1个所述侧光源，所述热处理模块的下方设有所述光学隔振平台，所述热处理模块通过螺栓与所述光学隔振平台的台面固定连接，所述热处理模块的右侧方设有所述风机电机，所述风机电机通过螺栓与所述电机支座固定连接，所述电机支座通过所述合页和所述连接板与所述热处理模块连接。

优选的，所述立体相机测量头由左右两个相机构成，左右两个相机交叉摆放，从不同角度观察物体，基于视差，由三角法原理可进行三维信息的获取，所述相机支架由铝合金材料制成，具有较大的刚度和稳定性，所述热处理模块可以对工件施加一定温度的热载荷，所述支架调节块上设有螺栓，通过螺栓可控制支架调节块的松紧，当所述支架调节块处于松状态时，所述相机支架可在所述支架调节块内移动，以此调整所述相机支架的高度位置，当所述支架调节块处于紧状态时，所述相机支架在所述支架调节块内无法移动，以此固定所述相机支架的高度位置。

优选的，所述光学隔振平台可以隔离减弱由地面传来的振动，保证装置的精度和稳定性，所述热处理模块的右侧方设有一通孔，孔的直径略大于所述风机电机轴的直径，所述风机电机为长轴电机，所述风机电机的轴可通过通孔伸入所述热处理模块的内部。

优选的，所述连接板通过螺栓固定在所述热处理模块的右侧，所述合页通过螺栓固定在所述电机支座上，所述合页可以进行翻折，当装置不工作时，所述电机支座通过所述合页上的螺栓孔与所述连接板连接，保持所述热处理模块与所述电机支座的相对位置不变，当装置工作时，所述电机风机启动，卸下所述合页与所述连接板的连接螺栓，保持所述热处理模块与所述电机支座没有接触，从而避免将所述风机电机引起的振动引入热处理模块。

优选的，所述热处理模块可以包括：方形钢化玻璃、箱体、圆形钢化玻璃、保温层、工作平台、加热管、温控仪、风扇叶片、热电偶、箱门、工件、隔热盒、标尺、开关，其中，

优选的，所述热处理模块的外部由所述箱体和所述箱门组成，所述箱体由铝合金材料制成，所述箱体的上方安装有所述方形钢化玻璃，所述箱体的左侧方及后方安装有所述圆形钢化玻璃，所述方形钢化玻璃与所述圆形钢化为透明玻璃，所述立体相机测量头的左右两个相机可以透过所述箱体上方的所述方形钢化玻璃采集到所述热处理模块内部的图像信息。

优选的，所述热处理模块的内部左右两侧、后侧嵌有所述保温层，所述热处理模块的内部中部位置设有所述工作平台，所述工作平台台面颜色为黑色，以便于所述立体相机测量头识别检测，工作时，工件放置在所述工作平台上，所述工作平台可以通过螺栓进行调平，所述工作平台的下方设有所述加热管，所述工作平台的四周布置有所述热电偶，所述热电偶可以对所述热处理模块内部的温度和温度均匀性进行测试，所述工作平台的右侧方设有所述风扇叶片，所述风扇叶片安装固定在所述风机电机轴的一端，所述风机电机可以带动所述风扇叶片转动，搅动所述热处理模块内部空气，使所述热处理模块的温度均匀性得到提高，保证了热处理效果。

优选的，所述工作平台上固定有所述标尺，所述标尺采用热膨胀系数极低的殷钢制成，所述标尺装在所述隔热盒的内部，所述隔热盒可以使热处理模块对工件施加热载荷时，所述标尺的所处的温度基本不变化，在热处理模块工作过程中，所述标尺本身的长度基本不变化。

优选的，所述热处理模块的下方设有所述温控仪及所述开关，所述温控仪可以通过控制和记录所述热处理模块内部的温度，所述开关可以启动或关闭所述各个部件进行工作。

与现有技术相比，本发明提供了一种基于三维视觉识别的蠕变轮廓法残余应力测试装置，具备以下有益效果：

针对目前的蠕变轮廓法残余应力检测设备无法获得热处理过程工件表面的三维变形数据，只能获得二维变形数据，且具有二维变形检测精度低、抗环境干扰能力差、热处理效果差等不足，本发明提供了一种基于三维视觉识别的蠕变轮廓法残余应力测试装置，在保证热处理效果的同时，可以精确地获得热处理过程工件表面的三维变形数据，从而获得准确的残余应力测试结果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中热处理模块的结构示意图；

图3为本发明中风机及合页、连接板的结构示意图；

图4为本发明中隔热盒和标尺的结构示意图；

图5为本发明中支架调节固定块的结构示意图；

附图标记如下：

1、立体相机测量头；2、相机支架；3、热处理模块；4、光学隔振平台；5、侧光源；6、支架调节固定块；7、风机电机；8、电机支座；9、合页；10、连接板；11、方形钢化玻璃；12、箱体；13、圆形钢化玻璃；14、保温层；15、工作平台；16、加热管；17、温控仪；18、风扇叶片；19、热电偶；20、箱门；21、工件；22、隔热盒；23、标尺；24、开关。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1-5，示出了本发明实施例提供的一种基于蠕变轮廓法的残余应力测试装置,如图1所示，该测试装置可以包括：

立体相机测量头(1)、相机支架(2)、热处理模块(3)、光学隔振平台(4)、侧光源(5)、支架调节固定块(6)、风机电机(7)、电机支座(8)、合页(9)，连接板(10)，其中，

所述立体相机测量头(1)通过螺栓固定在所述相机支架(2)上方，所述相机支架(2)的下方设有所述热处理模块(3)，所述热处理模块(3)外部左右两侧各固定有4个所述支架调节固定块(6)，所述相机支架(2)的高度通过所述支架调节固定块(6)进行调节和固定，所述热处理模块(3)的上方左右两侧各固定有一个所述侧光源(5)，所述热处理模块(3)的下方设有所述光学隔振平台(4)，所述热处理模块(6)通过螺栓与所述光学隔振平台(6)的台面固定连接，所述热处理模块(3)的右侧方设有所述风机电机(7)，所述风机电机(7)通过螺栓与所述电机支座(8)固定连接，所述电机支座(8)通过所述合页(9)和所述连接板(10)与所述热处理模块(3)连接。

所述立体相机测量头(1)由左右两个相机构成，左右两个相机交叉摆放，从不同角度观察物体，基于视差，由三角法原理可进行三维信息的获取，所述相机支架(2)由铝合金材料制成，具有较大的刚度和稳定性，所述热处理模块(3)可以对工件施加一定温度的热载荷，所述支架调节块(6)上设有螺栓，通过螺栓可控制支架调节块(6)的松紧，当所述支架调节块(6)处于松状态时，所述相机支架(2)可在所述支架调节块(6)内移动，以此调整所述相机支架(2)的高度位置，当所述支架调节块处于紧状态时，所述相机支架(2)在所述支架调节块(6)内无法移动，以此固定所述相机支架(2)的高度位置。

所述光学隔振平台(4)可以隔离减弱由地面传来的振动，保证装置的精度和稳定性，所述热处理模块(3)的右侧方设有一通孔，孔的直径略大于所述风机电机(7)轴的直径，所述风机电机(7)为长轴电机，所述风机电机(7)的轴可通过通孔伸入所述热处理模块(3)的内部。

所述连接板(10)通过螺栓固定在所述热处理模块(3)的右侧，所述合页(9)通过螺栓固定在所述电机支座(8)上，所述合页(9)可以进行翻折，当装置不工作时，所述电机支座(8)通过所述合页(9)上的螺栓孔与所述连接板(10)连接，保持所述热处理模块(3)与所述电机支座(8)的相对位置不变，当装置工作时，所述电机风机(7)启动，卸下所述合页(9)与所述连接板(10)的连接螺栓，保持所述热处理模块(3)与所述电机支座(8)没有接触，从而避免将所述风机电机(7)引起的振动引入热处理模块(3)。

如图2所示，所述热处理模块(3)可以包括：方形钢化玻璃(11)、箱体(12)、圆形钢化玻璃(13)、保温层(14)、工作平台(15)、加热管(16)、温控仪(17)、风扇叶片(18)、热电偶(19)、箱门(20)、工件(21)、隔热盒(22)、标尺(23)、开关(24)，其中，

所述热处理模块(3)的外部由所述箱体(12)和所述箱门(20)组成，所述箱体(12)由铝合金材料制成，所述箱体(12)的上方安装有所述方形钢化玻璃(11)，所述箱体(12)的左侧方及后方安装有所述圆形钢化玻璃(13)，所述方形钢化玻璃(11)与所述圆形钢化(12)为透明玻璃，所述立体相机测量头(1)的左右两个相机可以透过所述箱体(12)上方的所述方形钢化玻璃(12)采集到所述热处理模块(3)内部的图像信息。

所述热处理模块(3)的内部左右两侧、后侧嵌有所述保温层(14)，所述热处理模块(3)的内部中部位置设有所述工作平台(15)，所述工作平台台面颜色为黑色，以便于所述立体相机测量头(1)识别检测，工作时，工件(21)放置在所述工作平台(15)上，所述工作平台(15)可以通过螺栓进行调平，所述工作平台的下方设有所述加热管(16)，所述工作平台(15)的四周布置有所述热电偶(19)，所述热电偶(19)可以对所述热处理模块(3)内部的温度和温度均匀性进行测试，所述工作平台(15)的右侧方设有所述风扇叶片(18)，所述风扇叶片(18)安装固定在所述风机电机(7)轴的一端，所述风机电机(7)可以带动所述风扇叶片(18)转动，搅动所述热处理模块(3)内部空气，使所述热处理模块(3)的温度均匀性得到提高，保证了热处理效果。。

所述工作平台(15)上固定有所述标尺(23)，所述标尺(23)采用热膨胀系数极低的殷钢制成，所述标尺(23)装在所述隔热盒(22)的内部，所述隔热盒(22)可以使热处理模块(3)对工件施加热载荷时，所述标尺(23)的所处的温度基本不变化，在热处理模块(3)工作过程中，所述标尺(23)本身的长度基本不变化。

所述热处理模块(3)的下方设有所述温控仪(17)及所述开关(24)，所述温控仪(17)可以通过控制和记录所述热处理模块(3)内部的温度，所述开关(24)可以启动或关闭所述各个部件进行工作。

本发明的工作流程：

第一，利用耐高温黑白喷漆在所述工件(21)表面制造散斑图像，用于识别检测；

第二，开启所述箱门(20)，将制作好散斑图像的所述工件(21)放入工作平台；

第三，根据所述工件(21)大小调节相机支架的高度，使所述立体相机测量头(1)刚好能完整地拍摄到整个所述工件(21)和所述标尺(23)，最大限度利用相机的视野；

第四，启动所述风机电机(7)；

第五，调节所述立体相机测量头(1)左右两个相机焦距，使相机能清晰地拍摄到所述工件(21)表面的散斑图像；

第六，利用标定板对相机拍摄到的图像进行标定，相机标定是获得相机内外参数的过程，只有获得相机的内外参数，才能精确得到物体点的三维数据，标定完成后，取出标定板，关闭所述箱门(20)；

第七，启动所述加热管(16)，所述立体相机测量头(1)透过所述热处理模块(3)顶面的所述方形钢化玻璃(11)拍摄所述工件(21)及所述标尺(23)图像，获得所述工件(10)和所述标尺(23)在热处理过程的三维变形；

第八，由于不可避免的环境因素干扰，会存在所述立体相机测量头(1)拍摄到的图像变形数据整体漂移的情况，由于所述标尺(23)在热处理过程长度不发生变化，通过所述立体相机测量头(1)获得的所述标尺(23)长度数据减去所述标尺(23)原本长度即为图像变形数据整体的漂移量，用获得的图像变形数据减去实时图像漂移量可获得准确的所述工件(21)的三维变形数据；

第九，通过获得的所述工件(21)的三维变形数据结合有限元数值仿真模型可以推算出所述工件(21)热处理前后的残余应力场，其主要原理为：依据热处理中工件的实测变形，根据工件初始残余应力分布特点，以工件热处理前的初始应力场作为设计变量，以仿真变形与实测变形的偏差最小为目标，应用智能优化算法，计算获得工件热处理前后的应力分布。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种基于三维视觉识别的蠕变轮廓法残余应力测试装置，包括：立体相机测量头、相机支架、热处理模块、光学隔振平台、侧光源、支架调节固定块、风机电机、电机支座、合页，连接板，其中，

所述立体相机测量头通过螺栓固定在所述相机支架上方，所述相机支架的下方设有所述热处理模块，所述热处理模块外部左右两侧各固定有4个所述支架调节固定块，所述相机支架的高度通过所述支架调节固定块进行调节和固定，所述热处理模块的上方左右两侧各固定有1个所述侧光源，所述热处理模块的下方设有所述光学隔振平台，所述热处理模块通过螺栓与所述光学隔振平台的台面固定连接，所述热处理模块的右侧方设有所述风机电机，所述风机电机通过螺栓与所述电机支座固定连接，所述电机支座通过所述合页和所述连接板与所述热处理模块连接；

所述热处理模块的右侧方设有一通孔，孔的直径略大于所述风机电机轴的直径，所述风机电机为长轴电机，所述风机电机的轴可通过通孔伸入所述热处理模块的内部；

所述连接板通过螺栓固定在所述热处理模块的右侧，所述合页通过螺栓固定在所述电机支座上，所述合页可以进行翻折；

所述热处理模块包括：方形钢化玻璃、箱体、圆形钢化玻璃、保温层、工作平台、加热管、温控仪、风扇叶片、热电偶、箱门、工件、隔热盒、标尺、开关；

所述工作平台上固定有所述标尺，所述标尺采用热膨胀系数极低的殷钢制成，所述标尺装在所述隔热盒的内部；

通过所述立体相机测量头获得的所述标尺长度的实时数据减去所述标尺原本长度为图像变形数据整体的实时漂移量，用获得的图像变形数据减去实时图像漂移量可获得准确的所述工件的三维变形数据；

当装置不工作时，所述电机支座通过所述合页上的螺栓孔与所述连接板连接，保持所述热处理模块与所述电机支座的相对位置不变，当装置工作时，所述风机电机启动，卸下所述合页与所述连接板的连接螺栓，保持所述热处理模块与所述电机支座没有接触，从而避免将所述风机电机引起的振动引入热处理模块，所述热处理模块的外部由所述箱体和所述箱门组成，所述箱体由铝合金材料制成，所述箱体的上方安装有所述方形钢化玻璃，所述箱体的左侧方及后方安装有所述圆形钢化玻璃，所述方形钢化玻璃与所述圆形钢化为透明玻璃，所述立体相机测量头的左右两个相机可以透过所述箱体上方的所述方形钢化玻璃采集到所述热处理模块内部的图像信息；

所述热处理模块的内部左右两侧、后侧嵌有所述保温层，所述热处理模块的内部中部位置设有所述工作平台，所述工作平台台面颜色为黑色，以便于所述立体相机测量头识别检测，工作时，工件放置在所述工作平台上，所述工作平台可以通过螺栓进行调平，所述工作平台的下方设有所述加热管，所述工作平台的四周布置有所述热电偶，所述热电偶可以对所述热处理模块内部的温度和温度均匀性进行测试，所述工作平台的右侧方设有所述风扇叶片，所述风扇叶片安装固定在所述风机电机轴的一端，所述风机电机可以带动所述风扇叶片转动，搅动所述热处理模块内部空气，使所述热处理模块的温度均匀性得到保证。

2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述立体相机测量头位于所述热处理模块上方，所述立体相机测量头由左右两个相机构成，左右两个相机交叉摆放，从不同角度观察物体，基于视差，由三角法原理可进行三维信息的获取，所述相机支架由铝合金材料制成，具有较大的刚度和稳定性，所述热处理模块可以对工件施加一定温度的热载荷，所述支架调节固定块上设有螺栓，通过螺栓可控制支架调节固定块的松紧，当所述支架调节固定块处于松状态时，所述相机支架可在所述支架调节固定块内移动，以此调整所述相机支架的高度位置，当所述支架调节固定块处于紧状态时，所述相机支架在所述支架调节固定块内无法移动，以此固定所述相机支架的高度位置。

3.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述光学隔振平台可以隔离减弱由地面传来的振动，保证装置的精度和稳定性。

4.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述隔热盒可以减小所述标尺与外部环境的热交换，所述标尺的所处的温度基本不变化，在热处理模块工作过程中，所述标尺本身的长度基本不变化。

Images