CN116608776B - 一种高温多尺度散斑自动点涂装置及点涂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高温数字图像相关(DIC)测试技术所用散斑的自动点涂装置，包括控制模块、测距模块、点涂笔三轴移动模块；控制系统控制点涂笔三轴移动模块和测距模块移动，由测距模块测量样品大小和表面轮廓，由散斑生成程序根据样品大小和表面轮廓生成散斑点涂参数，经多次点涂过程形成多尺度散斑。本发明高温散斑点涂装置由机械装置控制实现高温DIC散斑制备，提高了散斑制备的稳定可靠性，提升了制备速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种高温多尺度散斑自动点涂装置，属于光测力学、变形测量领域，具体涉及一种多尺度高温散斑自动喷涂技术。
背景技术
航空航天、核能、石油等领域的许多结构材料都面临高温极端环境的考验。以航空发动机为例,其涡轮叶片受高温燃气冲刷以及热循环冲击，结构材料在高温水、氧环境下的变形行为考核及变形量的准确测量对于结构设计和保证发动机安全性能至关重要。目前，高温环境下变形测量方法可分为接触式和非接触式两类。较之于接触式应变片、引伸计只能够测量平均变形、应变片需要热补偿、引伸计本身需要水冷等复杂安装来说，非接触式数字图像相关方法(DIC)具有：(1)光路、实验设备和实验过程简单；(2)全场测量；(3)对测量环境和隔振要求较低，容易实现现场测量的突出优势。但是在利用DIC进行高温测量时，高温散斑作为变形信息载体对测量精度起着不可替代的作用。高温散斑制备一般采用喷枪喷涂的方式，这种方式简单、容易实施，但是需要依靠操作者的喷涂经验，否则易出现大尺度的随机散斑；中国专利CN108195298A公开了一种制备高温散斑的方法，以硅酸钠溶液为基体，在硅酸钠溶液中加入二氧化硅粉末和辅助添加剂粉末，形成混合液；然后利用制备的散斑模板蘸取混合液，然后在试样表面制作散斑，该方法需要制备散斑模板，而且不适用于曲面散斑制备；中国专利CN109975087A公开了一种高温散斑压印方法，首先根据视场制备压印块，将溶剂与耐高温粉末混合搅拌成糊状，注入压印块，然后将压印块压在试样表面，对试样表面进行清洁，去掉沾落在压印坑外的耐高温糊状物后晾干以成制备散斑，该方法制备的散斑使用在1000℃左右，需要提前制备好不同规格压印块，且该散斑制备方法会在试样的表面形成微坑；中国专利CN104372285A公开了一种利用等离子喷涂制备高温散斑的方法，所得散斑具有耐超高温(2000℃-3000℃)、综合性强、无脱色、厚度均匀、图像对比度高等优点，但制作过程需要使用专门设备，成本较高，且喷涂过程中产生的高温可能会改变被测试材料的力学性能；中国专利CN114636384A公开了一种多尺度高温散斑的参数化高通量制备方法，通过打印基于开源或商业软件实现散斑参数的自定义设计和优化；基于点胶机执行所设计的散斑图案程序文件，自动化控制针头空间位置和出胶量，简单高效。采用多针筒点胶针头或单针筒多管点胶针头可实现多个试件的高通量制备，该专利需要提前制备模板，对于曲面的喷涂不易实现。
为了解决上述问题，需要研发一种散斑制备稳定性高，制备速度快，且适用于曲面散斑制备，同时又不会破坏试样表面及其性能的高温散斑喷涂装置。
发明内容
本发明专利的目的在于提供一种高温散斑自动点涂装置，该高温散斑自动点涂装置的散斑制备稳定性高，制备速度快，能够制备曲面散斑，又不会破坏试样表面及其性能。
为达到上述目的，本发明专利提供如下技术方案：
一种自动散斑喷涂装置，包括控制模块、测距模块和点涂笔三轴移动模块。其中，所述控制模块包括主控制器，用于装置整体运动控制；所述测距模块包括测距仪，用于实时获取点涂笔与样品表面的相对位置；所述点涂笔三轴移动模块包括三轴运动框架、点涂笔和样品架；
所述散斑样品置于样品架上，样品架与光学平台稳定相连，XYZ三轴运动框架携带点涂笔和测距仪移动至散斑样品上方，在每一个点涂位，三轴运动框架在固定高度位置停止，由测距仪测量样品表面高度，遍历样品范围后获得样品表面轮廓，再用点涂笔点涂散斑。
所述控制模块还包括电机驱动器和设备运动控制卡用于控制三轴运动框架的电机转动，从而实现点涂笔和测距模块的位置移动及点涂过程。具体的参见专利CN202210896715.4“一种多尺度散斑自动喷涂装置”关于控制器的描述。控制器包括：继电器用于控制电磁阀的开合状态以及开合状态时间，进而控制喷笔的喷涂状态及时间；电机驱动器用于高精度控制三轴运动框架的多个电机；设备运动控制卡用于编写和执行散斑喷涂程序；漏电保护开关和急停开关用于提高装置安全性；电磁阀串口接头和设备串口接头用于实现控制器和装置其余部分的通信。
所述XYZ三轴运动框架参见本申请人的专利CN 202210896715.4“一种多尺度散斑自动喷涂装置”关于三轴运动平台的描述，不同之处仅在于本发明的XYZ三轴运动框架带动点涂笔和测距仪移动，而不是带动样品架移动。
XYZ三轴运动框架包括：初始化原点限位开关，用于确定仪器初始化零点，使仪器经初始化后X、Y、Z三轴平台运动至一固定位置，保证控制程序的稳定性；点涂笔和测距仪设置在Z轴平台上，Y轴平台、Z轴平台和X轴平台用于喷涂过程中点涂笔和测距仪空间位置的移动；XY辅轴连接轴、XZ轴连接架和XY轴连接架用于将X轴、Z轴、Y轴和Y辅轴连接为一整体，使仪器稳定；X轴电机、Y轴电机和Z轴电机用于驱动点涂笔和测距仪移动；Y辅轴平台用于平衡分散重力，防止X轴移动范围较大导致的设备倾斜以及设备长期因重力原因导致的形变问题；行程限位开关用于限制XYZ三轴运动框架的最大运动范围空间，防止电机超行程旋转运行造成设备故障；XYZ三轴运动框架串口接口用于连接XYZ三轴运动框架和控制器，接收控制命令。
进一步的：点涂笔尾部连接有散斑点涂涂料，在点涂过程中保持点涂笔中涂料压力恒定，从而使点涂笔笔头含有定量涂料，再由点涂深度控制所制备散斑尺寸，点涂深度越深，获得散斑尺寸越大。
一种高温多尺度散斑自动点涂方法，使用所述高温散斑自动点涂装置，包括如下步骤：点涂笔连接散斑涂料，由空压机提供笔头压力，压力调整由电磁阀组控制箱控制，以调节点涂散斑尺寸；由控制器发出指令对装置进行控制；XYZ三轴运动框架接到控制指令后首先执行初始化命令，自动运行到初始化原点限位开关检测位置；XYZ三轴运动框架带动测距仪测量样品表面高度，遍历样品范围后获得样品表面轮廓，然后移动至喷涂位；用点涂笔点涂散斑，最终完成散斑制备。
本发明的样品表面为曲面，通过获取样品表面轮廓，可在曲面样品表面制备散斑。
本发明专利的有益效果在于，本发明专利高温散斑自动点涂装置散斑的散斑制备过程稳定性高，制备速度快，能够制备曲面散斑，又不会破坏试样表面及其性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本发明专利高温散斑自动点涂装置的结构示意图。
图中：1、控制器；2、散斑样品；3、三轴运动框架；4、测距仪；5、点涂笔；6、样品架；7、电磁阀组控制箱；8、空压机；9、光学平台。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明专利的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明专利，但不用来限制本发明专利的范围。
参照图1所示，本发明专利公开的一种高温散斑自动点涂装置，由控制器1发出指令对装置进行控制；高温散斑自动点涂装置全部装置放置并固定于光学平台9之上，以保证仪器的整体稳定性；点涂笔连接散斑涂料，由空压机8提供笔头压力，压力调整由电磁阀组控制箱7控制，以调节点涂散斑尺寸；三轴运动框架3接到控制指令后首先执行初始化命令，自动运行到初始化原点限位开关检测位置；三轴运动框架3带动测距仪4和点涂笔5移动，在每一个点涂位，三轴运动框架在固定高度位置停止，由测距仪4测量样品2表面高度，遍历样品范围后获得样品表面轮廓；点涂笔根据样品表面轮廓，在样品表面点涂散斑。
在一个具体的实施方式中在一个具体的实施方式中，控制程序经通过更改点涂速度、位移、深度、压力等参数，以控制散斑在样品2表面的尺寸和分布。
在一个具体的实施方式中在一个具体的实施方式中，可通过更换点涂笔笔尖，通过调整笔尖口径和形状，配合压力控制程序和停留时间，控制散斑尺寸。
在一个具体的实施方式中，通过获取样品表面轮廓，可在曲面样品表面制备散斑。
本发明还利用散斑点涂程序通过引入随机数变量的方法，对每个点涂位置的三轴坐标信息赋予随机漂移。通过对X、Y轴坐标的增减，使点涂散斑平面内位置发生偏移；通过对Z轴坐标的增减，使点涂散斑尺寸发生变化。以上过程通过随机数变量控制，从而点涂出随机散斑图样。
三轴运动框架在散斑点涂过程中的位移路径和速度经优化，增加前后两次点涂散斑间距，给已点涂散斑足够的成型和稳定时间，减少散斑制备过程中新制备散斑与已制备散斑之间的相互影响，以控制散斑制备质量。
本发明还通过多轮次变参数点涂过程，通过修改散斑坐标、随机数变量范围、点涂笔笔尖直径等参数以及点涂散斑原料浓度，每轮次参数可在样品表面制备一个尺度的散斑。首先使用较小的散斑坐标间隔、随机数变量范围、点涂笔笔尖直径以及较稀的散斑原料浓度，制备小尺度散斑，再使用较大的参数制备更大尺度散斑，通过多轮次点涂过程，即可制备跨尺度散斑。
在另外的实施方式中，样品架6可安装多个样品，可通过单次装样完成多个样品的散斑制备。
显然，上述实验例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (7)
1.一种高温多尺度散斑自动点涂装置，其特征在于，包括：控制模块、测距模块、点涂笔三轴移动模块；其中，
所述控制模块包括主控制器(1)，用于装置整体运动控制；
所述测距模块包括测距仪(4)，用于实时获取点涂笔与样品表面的相对位置；
所述点涂笔三轴移动模块包括三轴运动框架(3)、点涂笔(5)和样品架(6)；
散斑样品(2)置于样品架(6)上，样品架(6)与光学平台(9)稳定相连，XYZ三轴运动框架(3)携带点涂笔(5)和测距仪(4)移动至散斑样品(2)上方，经由测距过程获得样品平面轮廓；在每个点涂位置首先由测距仪(4)测得散斑样品(2)表面相对高度，再用点涂笔点涂散斑。
2.根据权利要求1所述的高温多尺度散斑自动点涂装置，其特征在于：点涂笔尾部连接有散斑点涂涂料，在点涂过程中保持点涂笔中涂料压力恒定，由点涂深度控制所制备散斑尺寸。
3.根据权利要求1所述的高温多尺度散斑自动点涂装置，其特征在于：通过测距补偿方法实现曲面样品的散斑制备。
4.根据权利要求1所述的高温多尺度散斑自动点涂装置，其特征在于：散斑点涂过程中使用程序进行全流程控制。
5.根据权利要求1所述的高温多尺度散斑自动点涂装置，其特征在于：使用控制程序对散斑点涂位置进行随机漂移。
6.根据权利要求1所述的高温多尺度散斑自动点涂装置，其特征在于：通过多次散斑点涂过程实现跨尺度散斑制备。
7.一种高温多尺度散斑自动点涂方法，使用权利要求1-6任一项所述高温多尺度散斑自动点涂装置，包括如下步骤：点涂笔连接散斑涂料，由空压机提供笔头压力，压力调整由电磁阀组控制箱控制，以调节点涂散斑尺寸；
由主控制器发出指令对高温散斑自动点涂装置进行控制；XYZ三轴运动框架接到控制指令后首先执行初始化命令，自动运行到初始化原点限位开关检测位置；XYZ三轴运动框架带动测距仪测量样品表面高度，遍历样品范围后获得样品表面轮廓，然后移动至喷涂位；用点涂笔点涂散斑，最终完成散斑制备。
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