CN116222865A - 一种基于激光散斑测量的紧固件预紧力检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光散斑测量的紧固件预紧力检测装置，包括拉伸试验机、紧固件装配工件、激光散斑测量装置以及软件处理平台。其中拉伸试验机包含载荷传感器与测试件夹具，紧固件装配工件的表面粗糙，且包含多个紧固件安装孔，激光散斑测量装置能够获取稳定激光散斑。本发明通过拉伸试验机对紧固件装配工件施加载荷来模拟预紧力，同时利用激光散斑装置获取装配工件在不同载荷作用下的散斑图像，最后通过软件处理散斑图计算得到紧固件装配工件预紧力与表面应变的关系，由此可以通过测量紧固件装配工件的表面应变来获取预紧力的数值。该装置具有操作简单、无损、非接触且能实现原位检测的优点，可适用于航空紧固件的质量检测等领域。

Description

一种基于激光散斑测量的紧固件预紧力检测装置

技术领域

本发明涉及紧固件预紧力测量技术领域，尤其涉及一种适用于原位检测与非接触检测的紧固件预紧力测量装置。

背景技术

高锁螺母是一种高强度永久性的紧固件。具有自锁、体积小、抗振动以及装配效率高等特点，可实现高效的单面装配，被大量用于飞机的装配和修补当中。高锁螺母的预紧力，是直接影响机体结构静强度和疲劳强度的重要因素之一。因此，对高锁螺母紧固件预紧力的监测和测量十分重要。

目前紧固件的预紧力检测的主要方法有扭矩法、传感器法、应变法等，但都存在一定的问题:其中扭矩法主要用于安装阶段，无法对已安装的紧固件进行检测，且精度较低；传感器、应变片法则需要与紧固件结构进行耦合，会对紧固件表面造成损伤，无法实现无损、非接触和原位测量；因此工程实际中迫切需求一种能够实现非接触和原位测量的预紧力检测装置。本发明将对预紧力的测量转换为对装配工件表面受预紧力作用而导致的形变上，且由于装配工件作为金属合金的弹性性能，其表面应变与所受载荷(与预紧力为相互作用力)在一定范围内应有一定线性关系，因此可以通过测量装配工件的表面应变来测量预紧力。

采取的获取装配工件表面应变的方法为激光散斑相关法，是一种非接触的光学测量方法，它使用激光照射待测物表面形成散斑图像，并对图像进行数字相关计算从中提取位移与应变信息。因此，本发明的装置首先通过对工件施加载荷来模拟预紧力，接着用激光散斑测量装置拍摄紧固件装配工件表面在不同载荷下的散斑图像，建立预紧力与装配工件表面应变的关系以获取预紧力的值，从而实现无损、非接触以及原位检测等要求。

发明内容

为了解决航空航天紧固件预紧力检测无法实现无损、非接触以及原位检测问题，本发明提供了一种基于激光散斑测量的紧固件预紧力检测装置，适用包括高锁螺母在内的大部分紧固件预紧力的测量与检测，具有装置简单、价格便宜、可重复性高，且能实现无损、非接触与原位检测的优点。

本发明的技术方案如下：

一种基于激光散斑测量的紧固件预紧力检测装置，包括拉伸试验机、紧固件装配工件、激光散斑测量装置以及软件处理平台；其中，

所述的紧固件装配工件水平放置于拉伸试验机的测试件夹具上，并控制试验机移动横梁夹紧装配工件，拉伸试验机上设有载荷传感器；

所述的激光散斑测量装置与测试件夹具有固定的相对位置，且与装配工件平行放置，激光散斑装置的高度以及激光束角度可调节，使得激光光束垂直照射在装配工件表面；

所述的拉伸试验机通过对装配工具施加载荷来模拟紧固件的预紧力作用，并通过载荷传感器将步进载荷等数据记录在计算机上；

所述的激光散斑测量装置的光路包括半导体激光器、空间滤波器、两组反射镜、远心镜头和CCD传感器；

所述的激光散斑测量装置由两组对称的半导体激光器及其光路组成，激光器前平行设置空间滤波器以获取均匀的激光光斑，反射得到的激光散斑由CCD传感器采集，CCD传感器前放置物方远心镜头；

所述的软件处理平台需要记录载荷数据和激光散斑装置拍摄的变形前后的散斑图，并计算处理得到相应的应变数据，同时拟合载荷(预紧力)与应变之间的关系曲线。

在本发明的实施例中，所述的紧固件装配工件具有多个安装孔，不同安装孔的预紧力与应变关系不同，安装孔对应的装配工件的待测表面粗糙。

在本发明的实施例中，所述的拉伸试验机包含载荷传感器和测试件夹具，可施加的最大载荷为100KN，控制系统能够调控并记录试验机加载的步进载荷与间隔时间。

在本发明的实施例中，所述的激光散斑测量装置包含两个左右对称的半导体激光器及其光路，两组反射镜调节对称，两路激光在装配工件表面的光斑重合。

在本发明的实施例中，所述的空间滤波器由显微物镜与小孔组成，两组空间滤波器平行放置于两个激光器前，获得均匀的激光光斑。

在本发明的实施例中，所述的远心镜头为物方远心镜头，放置在CCD传感器前，以消除物距变化导致的放大倍率不一致的问题。

在本发明的实施例中，所述的激光散斑测量装置中，远心镜头、CCD传感器在同一轴线上，并调节反射镜角度，CCD传感器获取散斑图像并传至计算机。

在本发明的实施例中，所述的激光散斑测量装置中，CCD传感器采集散斑图像的帧率调节与拉伸试验机的步进载荷间隔时间一致，保证载荷间隔变化的散斑图被清晰记录。

与现有技术相比，本发明的优点如下:

(1)采用拉伸试验机对紧固件装配工件进行载荷实验，从而模拟紧固件预紧力作用，可以有效获取工件表面应变与所受预紧力的关系，这一关系可作为装配工件的固有参数，为之后紧固件预紧力的测量提供依据。

(2)采用的激光散斑光路采用左右对称的结构，能有效消除工件竖直表面由于凹凸形貌产生的阴影或遮挡，在CCD感光阵列前设置远心镜头，可以消除工件表面与镜头的距离问题导致的放大倍率不一致的问题，克服一定的定位误差，获取的散斑图像质量更高，装置测量结果更加精确。

(3)将对紧固件预紧力的检测转换为对紧固件装配表面的应变的测量，采用间接检测方法，有效简化实验操作，且实验装置简单廉价，具有可重复性，对应变的测量采用激光散斑相关法，可做到无损、非接触以及原位检测，克服了传统预紧力检测方法的缺点。

附图说明

图1为本发明实施例的紧固件预紧力测量装置的平面示意图；

图2为本发明实施例的紧固件预紧力测量装置的立体示意图；

图3为本发明实施例的紧固件预紧力测量装置中的激光散斑测量装置的光路图；

图中标记：1-拉伸试验机、11-载荷传感器、12-测试件夹具、2-紧固件装配工件、21-紧固件安装孔、22-装配工件待测表面、3-激光散斑测量装置、31-CCD感光阵列、32-半导体激光器、33-空间滤波器、34-物方远心镜头、35-反射镜、4-计算机。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

参见图1或图2所示，本发明实施例的一种基于激光散斑相关法的预紧力测量装置，包括拉伸试验机1、紧固件装配工件2、激光散斑测量装置3以及软件处理平台4；其中，

所述的紧固件装配工件2置于拉伸试验机1的测试件夹具12上，并控制试验机1夹紧装配工件2，拉伸试验机上设有载荷传感器11；

所述的紧固件装配工件2通常有多个紧固件安装孔21，安装孔21对应的装配工件的待测表面22保持粗糙，以获得高质量的激光散斑图像。

所述的激光散斑测量装置3与测试件夹具12有固定的相对位置，且与装配工件2平行放置，激光散斑装置3的高度以及激光束角度可调节，使得激光光束垂直照射在装配工件2表面；

所述的拉伸试验机1通过对装配工具2施加载荷来模拟紧固件的预紧力作用，并通过载荷传感器11将步进载荷等数据记录在计算机上；

所述的激光散斑测量装置3的光路包括CCD传感器31、半导体激光器32、空间滤波器33、远心镜头34以及反射镜35；

所述的激光散斑测量装置3由两组对称的半导体激光器32及其光路组成，激光器32前设置空间滤波器33，待测物表面反射出的激光散斑信息由CCD传感器32采集，CCD传感器32前放置物方远心镜头34；

所述的激光散斑测量装置3的空间滤波器33由显微物镜与小孔组成，两组空间滤波器33平行放置于两个激光器32前，以获得均匀的激光光斑；

所述的激光散斑测量装置3的远心镜头34为物方远心镜头，放置在CCD传感器31前，以消除物距变化导致的放大倍率不一致的问题。

所述的软件处理平台4记录载荷数据和激光散斑装置3拍摄得到的变形前后的散斑图，并计算处理得到应变数据，同时拟合载荷(预紧力)与应变之间的关系曲线。

本发明巧妙地用拉伸试验机1对紧固件装配工件2进行载荷实验来模拟紧固件的预紧力，在通过激光散斑测量装备3对装配工件表面的应变进行非接触测量，以获取装配工件2的待测表面22应变与紧固件预紧力的关系，以得到紧固件预紧力与其装配表面应变的量化关系，从而将对预紧力的测量转换为对装配表面应变的非接触测量，其中，激光散斑测量装备3也可以对已安装在飞机上的紧固件装配表面应变进行原位测量。该装置具有价格便宜、易于操作、可重复性高、抗干扰性强的优点，同时可以实现预紧力的无损、非接触检测与原位检测。

在本发明的实施例中，所述的拉伸试验机1包含载荷传感器11与测试件夹具12，可施加的最大载荷为100KN，调控试验机加载的目标载荷为20KN，载荷增加速度为300N/s。

在本发明的实施例中，所述的激光散斑测量装置3的两个激光器32及其光路需要完全左右对称，并调节两组反射镜35的角度，使两路激光在装配工件待测表面22上的光斑重合，以消除表面阴影。远心镜头34、CCD传感器31在同一轴线上，调节CCD传感器31的位置，以获取清晰且位于图像中央的散斑图像。

在本发明的实施例中，所述的软件处理平台4上，需要调节CCD传感器31采集散斑图像的帧率，使其与拉伸试验机1的载荷步进速度一致，保证载荷间隔变化的散斑图被清晰记录。采集软件的帧率和载荷步进速度可以基于实验原理进行调整。

本实施例以钛合金高锁螺母为试验对象，进行装配工件不同安装孔表面应变的测量以及高锁螺母的预紧力测量。并基于激光散斑相关法的预紧力测量装置使用过程如下：

(1)试验装置安装到位，其中，保证拉伸试验机1的夹具为压缩夹具，保证激光散斑测量装置3发射的激光束与装配工件2水平平齐，且垂直照射到装配工件表22上；

(2)调节拉伸试验机1的测试件夹具12将紧固件装配工件2夹紧，固定好装配工件后，调节反射镜35使左右两光路的光斑在某一安装孔21的待测表面22上重合；

(3)调节激光散斑测量装置3的CCD相机31的焦距与相对位置，使计算机4中的采集软件的激光散斑图像清晰，散斑质量高且处于画面中央；

(4)设置软件采集帧率与试验机步进载荷一致，保证每加载0.05KN拍摄一张散斑图，拍摄装配工件2在步进载荷加载下的散斑图；

(5)在软件处理平台4中对散斑图进行相关计算，获得工件此安装孔21在不同载荷下的应变值，绘制工件安装孔的载荷-应变曲线，获取预紧力与表面应变关系；

(6)将高锁螺母安装到相应的装配工件2的安装孔21上,再次将装配工件放置在拉伸试验机1的试验夹具12上，保证其表面与激光散斑装置3的相对位置不变，以减小定位误差；

(7)再次调节激光散斑装置3，并用软件平台4上的采集系统对安装了高锁螺母的装配工件2表面的散斑进行拍摄，并计算出此时的表面应变，带入步骤(5)中的曲线，获取此时高锁螺母的预紧力值。

以上公开的仅为本发明优选实施例，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，应该理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的保护范围，本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属领域技术人员能很好地利用本发明。以上不同实施例中的技术特征在不发生相互冲突的前提下可以任意的结合，在实际应用中本领域技术人员根据本发明做出的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于激光散斑相关法的紧固件预紧力测量装置，包括拉伸试验机、紧固件装配工件、激光散斑测量装置以及软件处理平台；其中，

所述的紧固件装配工件水平放置于拉伸试验机的测试件夹具上，并控制试验机移动横梁夹紧装配工件，拉伸试验机上设有载荷传感器；

所述的激光散斑测量装置与测试件夹具的相对位置固定，且与装配工件平行放置，激光散斑装置的高度与激光束角度可调节，激光光束需垂直照射于装配工件表面；

所述的拉伸试验机通过对装配工具施加载荷来模拟紧固件的预紧力作用，并通过载荷传感器将步进载荷等数据记录在计算机上；

所述的软件处理平台记录载荷数据和激光散斑装置拍摄的变形前后的散斑图，能够计算处理得到相应的应变数据，拟合载荷(预紧力)与应变之间的关系曲线。

2.根据权利要求1所述的紧固件预紧力测量装置，其特征在于，所述的紧固件装配工件有多个安装孔，且安装孔对应的表面粗糙，能够产生高质量的激光散斑。

3.根据权利要求1所述的紧固件预紧力测量装置，其特征在于，所述的拉伸试验机的测试件夹具能够对工件进行压缩加载，并安装有载荷传感器，控制系统能够调控并记录试验机加载的步进载荷与载荷加载速度。

4.根据权利要求1所述的紧固件预紧力测量装置，其特征在于，所述的激光散斑测量装置的光路包括半导体激光器、空间滤波器、两组反射镜、远心镜头和CCD传感器。

5.根据权利要求4所述的紧固件预紧力测量装置，其特征在于，所述的激光散斑测量装置的激光器为半导体激光器，发射的激光光路为左右对称，通过调节两组完全对称的反射镜，使两路激光能够在装配工件表面的光斑重合。

6.根据权利要求4所述的紧固件预紧力测量装置，其特征在于，所述的激光散斑测量装置的空间滤波器由显微物镜与小孔组成，两组空间滤波器平行放置于两个激光器前，能够获取均匀的激光光斑。

7.根据权利要求4所述的紧固件预紧力测量装置，其特征在于，所述的激光散斑测量装置的远心镜头为物方远心镜头，且平行放置在CCD传感器前。

8.根据权利要求4所述的紧固件预紧力测量装置，其特征在于，所述的激光散斑测量装置的远心镜头、CCD传感器在同一轴线上，通过调节反射镜角度，使CCD传感器能获取高质量的散斑图像并传至计算机。

9.根据权利要求1所述的软件处理平台4，通过调节CCD传感器采集散斑图像的帧率，使其与拉伸试验机的载荷步进速度一致，保证载荷间隔变化的散斑图被清晰记录。

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