基于计算机视觉的接触界面法向刚度扫查式测量系统

摘要

本发明公开了一种基于计算机视觉的接触界面法向刚度扫查式测量系统，包括扫查立架机构和测量采集系统。本发明将计算机视觉技术和接触界面法向刚度等效模型理论相结合，形成了一种新颖的测量接触界面法向刚度的测量系统。基本原理是通过分别标记界面上一般弹塑性层和包含弹塑性影响接触层，加载前后利用视觉图像处理得到不同层应变量，进而计算得到接触界面等效法向接触刚度，用于指导系统动力学设计和装配工艺改进。实际测试表明，本发明不仅适用于实验研究，也完全适用于实际工况的测量检验需求，并且它可同时完成对静态以及动态的界面刚度测量。比以往的超声波界面接触刚度测量方法更加准确，适用范围更广。

说明书

【技术领域】

本发明属于接触界面动力参数测量领域，具体涉及一种基于计算 机视觉的接触界面法向刚度扫查式测量系统。

【背景技术】

随着高精度机床、重型燃气轮机和运载火箭等大型机械设备的高 速发展，一些以往被人忽视的问题开始成为关键。其中，设备结构中 大量存在的接触界面割断了设备的整体连续性，并表现出了高度的非 线性，直接影响大型设备的动力性能。

以往的接触刚度的测量仅停留在实验研究阶段，国外文献中给出 了一种适用于实验的超声波测量接触刚度的方法，(见文献B.W. Drinkwater，R.S.Dwyer-Joyce and P.Cawley，1996，‘A Study of the  Interaction between Ultrasound and a Partially Contacting Solid-Solid  Interface，’Proc.R.Soc.London，Ser.A，452，pp.2613-2628.)然而其本 质是反映接触面凸凹不平的接触面积，不能计入接触层塑性变形对接 触刚度的影响，其测量结果较理论计算值与真实情况均偏大，得出的 测量准确性较差。实际应用中，由于接触界面的几何特性和安装位置 限制，使得超声波的测量方法无法应用于工程实际。

在国内，中国国家知识产权局公布的专利“一种接触界面静态法 向接触刚度测量装置”(专利公开号CN 201876396U)采用轴向引申 计直接测量接触界面间的负载和位移，然后得到刚度，而轴向引申计 在测量过程中采用两个刀刃分别夹持在两个待测试件上，建立了测量 装置与待测件的机械连接，无法避免局部变形带来的测量影响，且无 法应用于工况。理论上完全没有分离一般弹塑性层和接触层，无法为 理论研究提供指导验证。

【发明内容】

本发明目的在于实现一种针对机械部接触界面法向刚度的测量 系统，进一步提高机械系统动力设计水平，并为大型设备装配工艺提 供方便快捷的接触界面法向接触刚度检测装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于计算机视觉的接触界面法向刚度扫查式测量系统，包括 扫查立架机构和测量采集系统；

扫查立架机构包括磁力底座、运动导轨、滑座、立柱固定环、立 柱、立柱游标环、物距微调托板、高度微调机构、锁紧旋钮和三齿划 标头；所述运动导轨连接磁力底座和滑座，立柱通过立柱固定环竖直 紧固于滑座上；高度微调机构和三齿划标头相对180度配置固定安装 在立柱游标环两侧；立柱游标环滑动安装于立柱上，锁紧旋钮用于锁 定立柱游标环高度；物距微调托板固定安装于高度微调机构上，用于 带动测量采集装置调整物距；

测量采集系统包括变焦镜头、工业相机、数据线和计算机；变焦 镜头安装于工业相机上，工业相机固定于物距微调托板上；工业相机 通过数据线连接计算机。

本发明进一步的改进在于：三齿划标头包括位于中间的第二齿和 设置于第二齿上下两侧的第一齿和第三齿。

本发明进一步的改进在于：采用三齿划标头在待测表面画标时， 第一齿和第二齿所画标记与第三齿所画标记分别位于上、下接触体形 成的粗糙接触界面的上下两侧。

本发明进一步的改进在于：第一齿与第二齿之间的间距小于第二 齿与第三齿之间的间距。

本发明进一步的改进在于：第一齿与第二齿之间的间距为3mm， 第二齿与第三齿之间的间距为5mm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明将计算机视觉技 术和接触界面法向刚度等效模型理论相结合，形成了一种新颖的测量 接触界面法向刚度的测量系统。基本原理是通过分别标记界面上一般 弹塑性层和包含弹塑性影响接触层，加载前后利用视觉图像处理得到 不同层应变量，进而计算得到接触界面等效法向接触刚度，用于指导 系统动力学设计和装配工艺改进。实际测试表明，本发明不仅适用于 实验研究，也完全适用于实际工况的测量检验需求，并且它可同时完 成对静态以及动态的界面刚度测量；比以往的超声波界面接触刚度测 量方法更加准确，适用范围更广。

扫查立架机构采用导轨、立柱、微调机构等实现了三个方向的运 动和定位，为接触面二维的面扫描测量提供了结构基础。

采用机械式的划标机构和非接触式的测量方案，使得测量系统工 作不受测量对象表面材料和形貌限制，适用范围扩展。

立柱游标、微调机构和三齿划标头采用一体化的结构，使得标记 和测量在同一机械结构进行，避免了中间机构和换装时带来的误差， 提高了测量精度。

采用可三相互垂直方向运动扫查立架机构和视觉图像技术，使得 扫查式测量系统可以实时地测量静态和动态对象。

【附图说明】

图1为测量采集系统示意图；

图2为扫查立架机构示意图；

图3为本发明新方法与超声法向接触刚度测量(文献值和实测 值)和理论计算法向接触刚度的对比图；

图4为本发明新方法与理论计算法向接触刚度对比放大图。

【具体实施方式】

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。应理解，这些实 例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅 读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明做各种改 动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范 围。

本发明的基本思想是将计算机视觉技术和接触界面法向刚度等 效模型理论相结合，形成了一种新颖的测量接触界面法向刚度的测量 系统。基本原理是利用工业相机和三齿划标头，通过分别标记界面上 一般弹塑性层和包含弹塑性影响接触层，加载前后利用视觉图像处理 得到不同层应变量，进而计算得到接触界面等效法向接触刚度。

请参阅图1及图2所示，本发明基于计算机视觉的接触界面法向 刚度扫查式测量系统，由扫查立架机构和测量采集系统组成，既包括 前期的测量准备工作装置，又包括后续的处理分析，是一套完整的解 决方案。扫查立架机构用于支撑测量采集装置，其上布置的微调机构 提供横向和纵向的两方向运动和定位，而三齿划标头10可在准确的 位置上划标记，并可保证标记间的准确距离；测量采集系统负责将真 实的接触界面情况以视觉图像的方式传输给计算机进行处理分析，得 到标记位置划分的接触层的应变情况，从而计算出等效接触刚度曲 线。

请参阅图2所示，扫查立架机构包括磁力底座1、运动导轨2、 滑座3、立柱固定环4、立柱5、立柱游标环6、物距微调托板7、高 度微调机构8、锁紧旋钮9和三齿划标头10。运动导轨2连接磁力底 座1和滑座3，立柱5通过立柱固定环4竖直紧固于滑座3上；高度 微调机构8和三齿划标头10相对180度配置，固定安装在立柱游标 环6两侧；立柱游标环6滑动安装于立柱5上，锁紧旋钮9用于锁定 立柱游标环6高度；三齿划标头10采用三齿式机构，保证标记线间 的准确距离；物距微调托板7固定安装于高度微调机构8上，可带动 测量采集装置调整物距，获得标记清晰、待测标记范围覆盖整个视场 的视觉图像信息。

具体操作：请参阅图1所示，扫查立架机构通过磁力底座1吸附 固定，保证三齿划标头10三点连线垂直于待测接触界面；上下滑动 立柱游标环6并微调高度微调机构8使接触界面位于三齿划标头10 理想标记范围，锁紧旋钮9；在导轨2上移动滑座3及以上部件，三 齿划标头10的三个齿在待测表面留下清晰标记2-1、2-3、2-4。然 后松开锁紧旋钮9，将三齿划标头10转至后侧，使固定于微调高度 微调机构8上的物距微调托板7朝向待测接触界面一侧。

请参阅图1所示，测量采集系统包括千万级分辨率的变焦镜头 1-1、工业相机1-2、数据线1-3和计算机1-4。具体操作：组装工业 相机1-2和变焦镜头1-1，固定工业相机1-2于物距微调托板7上； 用数据线1-3连接工业相机1-2和计算机1-4；按照预定指标调整焦 距及物距，使计算机1-4输出的测量面标记图像纹理清晰，待测标记 范围覆盖整个视场。

将计算机视觉技术和接触界面法向刚度等效模型理论相结合，形 成了一种新颖的测量接触界面法向刚度的测量系统；它可动态采集的 加载过程中的视觉图像信息，通过块匹配算法和亚像素处理，快速精 确的在测量平面上搜索追踪标记点的二维运动情况，得到不同测量位 置多个标记点的相对应变位移，以相对位移差来表征接触层应变，从 而计算得到接触界面法向刚度(具体计算方法参见中国专利公开第 CN102169065A号：一种完全计及塑性影响的大接触界面法向刚度测 量方法)。

实施例1

参见图1，在上接触体测量面划标记2-3、2-4，在下接触体测量 面划标记2-1，上下接触体形成粗糙接触界面2-2，界面粗糙度0.8um， 标记2-1与标记2-3之间距离5mm，标记2-4与标记2-3之间距离3mm； 上下接触体顺序加载至350MPa，计算得到的接触界面法向刚度参见 图3、4。

从图3、4中看出，图像法实验值与理论计算值规律相同，量级 相同，数值差别不大，和理论值相互验证。图像法较超声法的实验值 更接近理论计算值，这是因为图像法克服了超声法无法完全计及接触 面形貌影响和接触层塑性屈服影响的缺点，更加接近等效微观弹塑性 接触层的模型。