CN110375901A - 用于复杂表面的x射线应力测量仪及测量方法、存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于复杂表面的X射线应力测量仪及测量方法。本发明用于复杂表面的X射线应力测量仪包括：激光扫描仪、用于安装在待测物体上的若干定位球、主机和多自由度机械臂，激光扫描仪用于获取待测物体的三维形态模型；多自由度机械臂上设有二次定位摄像机，二次定位摄像机用于获取定位球与多自由度机械臂的实时相对位置；多自由度机械臂安装有用于测量待测位置残余应力的X射线应力测量头；X射线应力测量头与主机连接，所述多自由度机械臂与主机连接。本发明通过得到待测位置三维坐标系中的位置信息，通过主机控制控制X射线应力测量头移动，可满足复杂表面的残余应力测量需求，减少现场应力测量时间及人工成本。

Description

用于复杂表面的X射线应力测量仪及测量方法、存储介质

技术领域

本发明涉及X射线应力测量领域，具体涉及一种用于复杂表面的X射线应力测量仪及测量方法。

背景技术

X射线应力测量仪基于X射线穿透金属晶格时发生衍射的原理，测量金属材料或构件的表面层残余应力。当金属材料或构件表面存在残余应力时，微观晶格间距也会存在相应的微观应变，通过测量存在残余应力的材料衍射后的X射线衍射峰，并与无应力晶格衍射峰对比，即可计算出晶格间距变化，从而利用泊松公式进一步计算出应力变化值。基于X射线衍射原理的X射线应力测量仪在实际使用时，需要让X射线以一定角度入射到金属材料或构件表面，衍射光以一定角度出射，然后被探测器探测到。

当测量平直面或圆面等规则表面时，容易满足入射X射线与金属材料或构件表面的角度关系。但是当测量曲轴，大型齿轮等非规则表面时，由于表面变化不规则，很难满足测量角度关系。因此需要手动调整X射线应力测量仪，即通过手动移动或旋转X射线应力测量仪，以便X射线应力测量仪对待测位置进行测量，这样耗费大量时间并增加人工成本。

发明内容

鉴于以上技术问题，本发明的目的在于提供一种用于复杂表面的X射线应力测量仪及测量方法，解决现有技术X射线应力测量仪在测量非规则表面时需要人工手动测量，耗费大量时间及人工成本的问题。

本发明采用以下技术方案：

一种用于复杂表面的X射线应力测量仪，包括：激光扫描仪、用于安装在待测物体上的若干定位球、主机和多自由度机械臂，其中：

所述激光扫描仪用于获取待测物体的三维形态模型；所述激光扫描仪和主机连接，激光扫描仪将获取的三维形态模型数据发送给主机；

所述多自由度机械臂上设有二次定位摄像机，所述二次定位摄像机用于获取定位球与多自由度机械臂的实时相对位置，并将实时相对位置传送给主机；

所述主机用于建立包含多自由度机械臂位置坐标的三维坐标系以及根据所述实时相对位置确定各定位球在三维坐标系中的实时位置信息；并以各定位球的实时位置信息为基准点，将待测物体的包含定位球位置的三维形态模型导入所述三维坐标系中，获取待测位置在三维坐标系中的实时位置信息；

所述多自由度机械臂安装有用于测量待测位置残余应力的X射线应力测量头；所述X射线应力测量头与主机连接，主机作为X射线应力测量头的X射线源并获取X射线应力测量头测量的残余应力数据；所述多自由度机械臂与主机连接，以主机根据待测位置在三维坐标系中的实时位置信息，通过多自由度机械臂控制X射线应力测量头移动。

进一步的，还包括手持控制板，所述手持控制板与主机无线连接，以手持控制板通过主机控制多自由度机械臂运动，从而控制X射线应力测量头移动。

进一步的，所述二次定位摄像机包括摄像头组和激光发射器，所述激光发射器对定位球发送网格激光，所述摄像头组通过识别网格激光位置，从而获取各定位球与多自由度机械臂的实时相对位置，并将实时相对位置传送给主机。

进一步的，所述X射线应力测量头包括X射线发射头、两个探测器和探测器导轨，所述探测器导轨为弧形，所述X射线发射头安装在探测器导轨中央位置，所述两个探测器均可沿探测器导轨滑动，所述两个探测器分别位于X射线发射头的两侧。

进一步的，所述多自由度机械臂采用6个关节的6自由度机械手。

进一步的，所述若干定位球采用若干金属钢球，且所述若干金属钢球的直径大小均不相同。

进一步的，所述若干定位球的个数大于或等于3。

一种用于复杂表面的X射线应力测量仪的测量方法，采用所述的用于复杂表面的X射线应力测量仪，包括以下步骤：

在待测物体上安装若干定位球，并获取待测物体的包含各定位球位置的三维形态模型；

建立三维坐标系，并在三维坐标系中设置多自由度机械臂位置坐标；

获取各定位球与多自由度机械臂的实时相对位置，并根据各定位球与多自由度机械臂的实时相对位置确定各定位球在三维坐标系中的实时位置信息；

以各定位球的实时位置信息为基准点，将待测物体的包含定位球位置的三维形态模型导入所述三维坐标系中；

当对待测物体待测位置的残余应力进行测量时，根据待测位置在三维坐标系中的位置信息，通过主机控制多自由度机械臂，从而控制X射线应力测量头移动，以使X射线应力测量头对待测位置进行残余应力的测量。

进一步的，还包括：所述手持控制板与主机无线连接，通过手持控制板获取主机中待测位置在三维坐标系中的实时位置信息，并通过手持控制板远程控制多自由度机械臂运动，从而控制X射线应力测量头移动。

一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现所述的用于复杂表面的X射线应力测量仪的测量方法。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明通过得到待测位置在包含多自由度机械臂的三维坐标系中的位置信息，通过主机控制多自由度机械臂运动，从而控制X射线应力测量头移动，可满足复杂表面的残余应力测量需求，减少现场应力测量时间及人工成本。

附图说明

图1为本发明用于复杂表面的X射线应力测量仪的示意图；

图2为本发明在实施例中包含定位球2位置信息的三维形态模型示意图；

图3为本发明用于复杂表面的X射线应力测量仪的X射线应力测量头示意图；

图4为本发明用于复杂表面的X射线应力测量仪的测量方法的流程示意图；

图5为本发明用于复杂表面的X射线应力测量仪的测量方法实施例中第一摄像头识别目标小球的示意图；

图6为本发明用于复杂表面的X射线应力测量仪的测量方法实施例中两个摄像头识别目标小球的示意图；

图7为本发明用于复杂表面的X射线应力测量仪的测量方法实施例中三个摄像头识别目标小球的示意图。

其中，1、激光扫描仪；2、定位球；3、二次定位摄像机；4、X射线应力测量头；5、多自由度机械臂；6、主机；7、手持控制板；41、X射线发射头；42、探测器；43、探测器导轨。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例：

请参考图1-7所示，一种用于复杂表面的X射线应力测量仪，如图1所示，包括：激光扫描仪1、用于安装在待测物体上的若干定位球2、主机6和多自由度机械臂5，其中：所述激光扫描仪1用于获取待测物体的三维形态模型；所述激光扫描仪1和主机6连接，以激光扫描仪1将获取的三维形态模型数据发送给主机6；

所述自由度机械臂5上设有二次定位摄像机3，所述二次定位摄像机3用于获取定位球2与多自由度机械臂5的实时相对位置，并将实时相对位置传送给主机6；

所述主机6用于建立包含多自由度机械臂5位置坐标的三维坐标系以及根据所述实时相对位置确定各定位球2在三维坐标系中的实时位置信息；并以各定位球2的实时位置信息为基准点，将待测物体的包含定位球2位置的三维形态模型导入所述三维坐标系中，获取待测位置在三维坐标系中的实时位置信息；

所述多自由度机械臂5安装有用于测量待测位置残余应力的X射线应力测量头4；所述X射线应力测量头4与主机6连接，以主机6作为X射线应力测量头4的X射线源并获取X射线应力测量头4测量的残余应力数据；所述多自由度机械臂5与主机6连接，以主机6根据待测位置在三维坐标系中的实时位置信息，通过多自由度机械臂5控制X射线应力测量头4移动。

优选的，还包括手持控制板7，所述手持控制板7与主机6无线连接，以手持控制板7通过主机6控制多自由度机械臂5运动，从而控制X射线应力测量头4移动。

所述二次定位摄像机3包括摄像头组和激光发射器，所述激光发射器对定位球2发送网格激光，所述摄像头组通过识别网格激光位置，从而获取各定位球2与多自由度机械臂5的实时相对位置，并将实时相对位置传送给主机6。

具体的，摄像头组可包括若干个摄像头，如图5为第一摄像头视野，圆圈代表物体在第一摄像头视野中相对中心偏移角度，从图中可以知道目标小球相对摄像头中心偏移10°，如图6所示，由于目标小球在第一摄像头中的偏移角度β1已知，所以α1也就可以算出，同理算出α2。同时，两个摄像头间距L是已知的，因此根据三角函数公式既可以确定α3，L1，L2。当摄像头组包括三个摄像头时，如图7所示，由上可以计算L1,L2,L3。由第一摄像头图像可知，在第一摄像头视野中，第二摄像头和第三摄像头间的夹角α23，第三摄像头和目标小球夹角α3，第二摄像头和目标小球夹角α2。同样可得到其他摄像头夹角关系，最后通过空间几何即可解算出目标小球坐标。

所述X射线应力测量头4包括X射线发射头41、两个探测器42和探测器导轨43，所述探测器导轨43为扇形，所述X射线发射头41安装在探测器导轨43中央位置，所述两个探测器42均可沿探测器导轨43滑动，所述两个探测器42分别位于X射线发射头41的两侧。具体的，如图3所示，X射线发射头41出射X射线，X射线经过样品衍射以后被探测器42接收到，并通过数据处理，从而获得样品表面残余应力分布信息。探测器42可以沿探测器导轨43移动，调整X射线衍射角度，从而实现对不同材料样品的测量。X射线发射头41两侧各配置一个探测器42，这样就可以避免测量残余应力时重复移动。在探测器导轨43一侧标有刻度信息，以便于手动调节探测器位置。

优选的，所述若干定位球2的个数大于或等于3，当至少三个定位点作为坐标基准时，可方便快速精准定位。

优选的，多自由度机械臂5采用采用具有6个关节的6自由度轻便机械手，承重5Kg，重复位移精度5μm，可保证残余应力测量的位置精度要求。

本发明的一种用于复杂表面的X射线应力测量仪的测量方法，用于复杂表面的X射线应力测量仪，请参照图4所示，包括以下步骤：

步骤S100:在待测物体上安装若干定位球2，并获取待测物体的包含各定位球2位置的三维形态模型；

步骤S200:建立三维坐标系，并在三维坐标系中设置多自由度机械臂5位置坐标；

步骤S300:获取各定位球2与多自由度机械臂5的实时相对位置，并根据定位球2与多自由度机械臂5的实时相对位置确定各定位球2在三维坐标系中的实时位置信息；

步骤S400:以各定位球2的实时位置信息为基准点，将待测物体的包含定位球2位置的三维形态模型导入所述三维坐标系中；这时，自由度机械臂5以及待测物体的三维模型均在三维坐标系中显示出来，待测物体的各个位置离自由度机械臂5各部分的位置信息在三维坐标系中都可以清晰的看到，从而可以知道待测物体待测位置相对于多自由度机械臂5的位置信息。

指定待测物体的待测位置后，对待测物体待测位置的残余应力进行测量，由于已经得到的三维坐标系中的位置，即使待测位置处于非规则平面，也可根据待测位置在三维坐标系中的位置信息，通过主机6控制多自由度机械臂5运动，从而控制X射线应力测量头4移动，将X射线应力测量头4自动移动到对待测位置进行测量的地方，(对待测位置进行测量的地方是指现有技术中，对某一点进行应力测量时，应力测量仪离待测位置的距离，这里可以进行设定。)实现X射线应力测量头4对待测位置进行残余应力的测量，不需要人工移动应力测量仪，避免费时费力。

优选的，可通过手持控制板7获取主机中待测位置在三维坐标系中的实时位置信息，并通过手持控制板7远程控制多自由度机械臂5运动，从而控制X射线应力测量头4移动。由于X射线具有放射性，为保证人员安全，设置手持控制板7，采用无线连接方式与主机6连接，这样工作人员可以在远程控制样品扫描过程，同时通过多自由度机械臂5末端二次定位摄像机3查看扫描情况。

具体的操作步骤如下：本文中所指的样品指待测物体。

所述激光扫描仪1采用常见的三维激光扫描仪，三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，可以用于获取高精度高分辨率的数字三维模型。

所述激光扫描仪1采用手持式激光扫描仪1，操作简单便捷，容易实现复杂环境的快速样品扫描工作。手持式激光扫描仪1具备快速扫描和高精度扫描两种模式，快速扫描模式对样品进行快速标准精度扫描，有利于快速建立样品三维形貌。高精度扫描模式用于对应力测量区域的高精度扫描，可实现10μm的扫描精度，完全满足残余应力测量50μm精度的要求。手持式激光扫描仪1可实现对样品的预扫描，即样品三维形貌扫描和残余应力测量可以分开进行，大大提高测量效率。

定位球2由一组不同直径的金属钢球组成，金属钢球圆度具有一定的圆度，使用时，将定位球2固定在样品表面。定位球2固定位置需要能够显著定位样品三维特征。利用手持式激光扫描仪1对样品及定位球2进行扫描，建立带有定位球2信息的三维模型，如图2所示。

然后将样品放置在待测位置，利用多自由度机械臂5端部二次定位摄像机3对定位球2进行扫描，由于定位球2直径不同，因此可以很容易识别位置信息。***会将记录不同直径定位球2的坐标点信息，从而实现样品三维形貌与多自由度机械臂5自有坐标系的匹配。

本发明具有以下特点：

1利用便携手持式激光测量仪对金属材料或构件表面进行形状扫描，使用

简单方便，精度足够。

2在样品表面标定至少三个定位点作为坐标基准，便于定位。

3在X射线应力测量头4一侧安装二次定位摄像机3，精确识别定位点。

4 X射线应力测量头4安装在多自由度机械臂5上，可实现高精度的定位。

5通过手持控制板7选定测量点以后自动测量记录数据。

6样品形状扫描和测量可独立进行，节省时间。

7测量结果以三维形式展示，形象直观，无需复杂后处理。

8采用紧凑型结构设计，便于携带，适合野外作业。

9模块化设计理念，便于安装使用。

10通过增加样品台，可实现自动化扫描。

11可实现局部扫描并测量应力，缩短建模时间。

本发明还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，本发明的方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在该计算机存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机存储介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机存储介质不包括电载波信号和电信信号。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于复杂表面的X射线应力测量仪，其特征在于，包括：激光扫描仪(1)、用于安装在待测物体上的若干定位球(2)、主机(6)和多自由度机械臂(5)，其中：

所述激光扫描仪(1)用于获取待测物体的三维形态模型；所述激光扫描仪(1)和主机(6)连接，以激光扫描仪(1)将获取的三维形态模型数据发送给主机(6)；

所述自由度机械臂(5)上设有二次定位摄像机(3)，所述二次定位摄像机(3)用于获取定位球(2)与多自由度机械臂(5)的实时相对位置，并将实时相对位置传送给主机(6)；

所述主机(6)用于建立包含多自由度机械臂(5)位置坐标的三维坐标系以及根据所述实时相对位置确定各定位球(2)在三维坐标系中的实时位置信息；并以各定位球(2)的实时位置信息为基准点，将待测物体的包含定位球(2)位置的三维形态模型导入所述三维坐标系中，获取待测位置在三维坐标系中的实时位置信息；

所述多自由度机械臂(5)安装有用于测量待测位置残余应力的X射线应力测量头(4)；所述X射线应力测量头(4)与主机(6)连接，主机(6)作为X射线应力测量头(4)的X射线源，并获取X射线应力测量头(4)测量的残余应力数据；所述多自由度机械臂(5)与主机(6)连接，以主机(6)根据待测位置在三维坐标系中的实时位置信息，通过多自由度机械臂(5)控制X射线应力测量头(4)移动。

2.根据权利要求1所述的用于复杂表面的X射线应力测量仪，其特征在于，还包括手持控制板(7)，所述手持控制板(7)与主机(6)无线连接，以手持控制板(7)通过主机(6)控制多自由度机械臂(5)运动，从而控制X射线应力测量头(4)移动。

3.根据权利要求1所述的用于复杂表面的X射线应力测量仪，其特征在于，所述二次定位摄像机(3)包括摄像头组和激光发射器，所述激光发射器对定位球(2)发送网格激光，所述摄像头组通过识别网格激光位置，从而获取各定位球(2)与多自由度机械臂(5)的实时相对位置，并将实时相对位置传送给主机(6)。

4.根据权利要求1所述的用于复杂表面的X射线应力测量仪，其特征在于，所述X射线应力测量头(4)包括X射线发射头(41)、两个探测器(42)和探测器导轨(43)，所述探测器导轨(43)为弧形，所述X射线发射头(41)安装在探测器导轨(43)中央位置，所述两个探测器(42)均可沿探测器导轨(43)滑动，所述两个探测器(42)分别位于X射线发射头(41)的两侧。

5.根据权利要求1所述的用于复杂表面的X射线应力测量仪，其特征在于，所述多自由度机械臂(5)采用6个关节的6自由度机械手。

6.根据权利要求1所述的用于复杂表面的X射线应力测量仪，其特征在于，所述若干定位球(2)采用若干金属钢球，且所述若干金属钢球的直径大小均不相同。

7.根据权利要求1所述的用于复杂表面的X射线应力测量仪，其特征在于，所述若干定位球(2)的个数大于或等于3。

8.一种用于复杂表面的X射线应力测量仪的测量方法，其特征在于，采用如权利要求1至7任一项所述的用于复杂表面的X射线应力测量仪，包括以下步骤：

在待测物体上安装若干定位球(2)，并获取待测物体的包含各定位球(2)位置的三维形态模型；

建立三维坐标系，并在三维坐标系中设置多自由度机械臂(5)位置坐标；

获取各定位球(2)与多自由度机械臂(5)的实时相对位置，并根据各定位球(2)与多自由度机械臂(5)的实时相对位置确定各定位球(2)在三维坐标系中的实时位置信息；

以各定位球(2)的实时位置信息为基准点，将待测物体的包含定位球位置的三维形态模型导入所述三维坐标系中；

当对待测物体待测位置的残余应力进行测量时，根据待测位置在三维坐标系中的位置信息，通过主机(6)控制多自由度机械臂(5)，从而控制X射线应力测量头(4)移动，以使X射线应力测量头(4)对待测位置进行残余应力的测量。

9.根据权利要求8所述的用于复杂表面的X射线应力测量仪的测量方法，其特征在于，还包括：所述手持控制板(7)与主机(6)无线连接，通过手持控制板(7)获取主机(6)中待测位置在三维坐标系中的实时位置信息，并通过手持控制板(7)远程控制多自由度机械臂(5)运动，从而控制X射线应力测量头(4)移动。

10.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求8-9任一项所述的用于复杂表面的X射线应力测量仪的测量方法。