CN114018460B - 工件张力稳定性测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工件张力稳定性测量装置及方法，装置包括支架(1)和配重(2)，所述支架(1)上相间设有安装位(B)，用于安装被测试验件(A)，还包括测量靶标(3)，所述测量靶标(3)设置在所述配重(2)和所述安装位(B)上。本发明实现高低温环境下对线状、绳状、长条状结构件及其他类似试验件的张力、尺寸及其稳定性的高精度测量。

Description

工件张力稳定性测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种工件张力稳定性测量装置及方法。

背景技术

高稳定绳索是一种柔性的线状结构件，由于其具有易收纳、力学性能优良等特点而被广泛应用于航空航天领域的展开运动机构中，例如展开式太阳翼基板用绷弦、滑翔翼调整钢丝绳索等。可见，高稳定绳索的张力大小及在役稳定性是直接影响卫星太阳翼、展开运动机构的力学性能及相关载荷的安装稳定性及控制精度的重要技术指标。因此，为了保证机构***运行的可靠性，需要对绳索等线状结构件的张力进行严格控制。而这类线状结构件在使用过程中往往又会受到外界环境的影响。如，太阳翼在轨工作环境下会受到空间高低温交变环境的影响，使得绷弦结构的张力存在变化，则为了确保太阳翼的可靠性，需要在地面验证阶段准确测量高低温环境下的绷弦张力及其稳定性，以实现张力的精准控制。现有技术中，对于绳索等线状结构件的张力测量主要是在恒温环境下的张力曲线测试，而无法适应交变温度环境，导致其测量设备的测量稳定性及可靠性难以保障，测量精度也较低。因此，亟需一种能够在高低温环境下对线状结构张力及其稳定性进行高精度测量的方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工件张力稳定性测量装置及方法。

为实现上述发明目的，本发明提供一种工件张力稳定性测量装置及方法，装置包括支架和配重，所述支架上相间设有安装位，用于安装被测试验件，还包括测量靶标，所述测量靶标设置在所述配重和所述安装位上。

根据本发明的一个方面，还包括箱体和测量相机；

所述箱体具有可开合的箱门，所述箱门上设有视窗；

所述测量相机位于所述箱体外部。

根据本发明的一个方面，所述支架包括架体和底板，所述安装位具有两个，且等高的位于所述架体上；

所述底板支承在所述箱体内部底部，且与所述箱体之间设有隔振垫。

根据本发明的一个方面，还包括标定尺、标定靶标和辅助靶标；

所述标定尺设置在所述架体上，并与两个所述安装位的连线平行；

所述标定靶标设置在所述标定尺的两端；

所述辅助靶标均匀设置在所述箱体的内壁上。

根据本发明的一个方面，还包括加热丝、制冷组件和温度控制***；

所述加热丝设置在所述箱体的侧壁中；

所述制冷组件包括冷板和压缩机，所述冷板设置在所述箱体的侧壁中，所述压缩机位于所述箱体外部，并通过制冷管与所述冷板连接；

所述温度控制***位于所述箱体外部，并与所述加热丝和所述压缩机连接。

根据本发明的一个方面，所述支架为一体式对称桁架结构，由热变量系数小于10^-8/k的材料制成，例如微晶玻璃；

所述配重为重力是被测试验件最大承受张力的5％-10％的砝码。

工件张力稳定性测量方法，包括以下步骤：

a、将被测试验件安装到工件张力稳定性测量装置上；

b、基于测量靶标解析出被测试验件在各温度下的张力；

c、计算得到被测试验件的张力稳定性。

根据本发明的一个方面，在所述步骤(a)中，在箱体内部均匀粘贴辅助靶标，将支架水平放置在箱体内部的隔振垫上；

将被测试验件固定在支架的安装位上，使被测试验件处于张力在0-1N的绷紧状态后，将配重悬挂在被测试验件中间；

将测量靶标设置在支架的安装位和配重上；

将标定尺设置在支架上，并与被测试验件相对于视窗处于同一平面；

利用测量相机透过视窗获取箱体内的图像，拍摄时使测量相机至少移动20次，以形成初始图像组，并在不能解析出测量靶标的位置时进行图像补拍。

根据本发明的一个方面，在所述步骤(b)中，调节温度控制***使箱体内的被测试验件处于不同温度下；

利用测量相机透过视窗获取箱体内的图像，在每种温度下，均使测量相机至少移动20次，以形成工况图像组，并在不能解析出测量靶标的位置时进行图像补拍；

对工况图像组进行解析处理，并利用标定尺热变形量—温度曲线参数l(T)对标定靶标间的距离L{X，Y，Z}进行修正，修正公式如下：

其中，L₀{X0，Y0，Z0}为标定靶标初始长度参数坐标；

利用修正后的距离L{X，Y，Z}对测量***标定参数矩阵R及空间坐标转化H矩阵进行计算，计算公式如下：

其中，K{x，y，z}为测量图像中两标定靶标的像素距离坐标：

计算各温度工况下被测试验件张力F的大小，计算公式如下：

F＝G×L/h；

其中，h为配重处的测量靶标相对于支架的安装位处的测量靶标的连线的距离；L为配重处的测量靶标相对于支架的安装位处的测量靶标的距离；G为配重的重力。

根据本发明的一个方面，所述步骤(c)中计算张力稳定性k的公式如下：

k＝(F_T-F₀)/F₀％；

其中，F₀为被测试验件的初始张力，F_T为被测试验件在温度T下的张力。

根据本发明的构思，提供一种工件张力稳定性测量方案，实现在高低温环境下对线状、绳状、长条状结构件及其他类似试验件的张力、尺寸及其稳定性的高精度测量，具有非接触式、高精度、全温变实时同步测量、全周期高稳定等优点。

根据本发明的一个方案，用于高低温试验的箱体采用封闭结构，并在箱体侧壁的夹层内设置加热丝及冷板以实现控温，从而有效地避免了吹风式高低温箱在试验过程中由于箱体内部的介质流动而对试验件带来的扰动影响。

根据本发明的一个方案，采用由高稳定材料制作的一体式对称桁架结构作为安装被测试验件的支架，从而有效地避免了试验过程中试验件两端固定位置因环境影响而导致的工装变形不一致的现象，从而消除了试验件两端存在的高度差而影响张力计算的问题，保障了测量装置的稳定性。

根据本发明的一个方案，利用单相机测量的方式，并利用标定尺热变形量—温度曲线来修正标定参数，从而使得在试验过程中能够实时同步的进行高精度标定测量，可以消除高低温环境下的测量装置变形、被测试验件位置波动等因素对测量稳定性带来的不利影响，以保障试验全周期的测量精度。

根据本发明的一个方案，采用高稳定的砝码配重并设置测量靶标，从而利用移动坐标系来解析相对位置关系以计算张力变化，可有效地保障在高低温环境下被测试验件的载荷为恒定值，避免了固定坐标系下测量结果受靶标***刚***移及测量基准随时间波动的影响而造成的测量误差较大的问题，进一步保障了试验全周期的稳定性。

根据本发明的一个方案，利用视觉测量方式结合多位置靶标实现在高低温环境下三维空间内被测工件张力稳定性测量，可适用于多种线状工件或者柔性板状结构工件，相较于传统一维变形测量评估张力稳定性方法具有更高的精度及更广的适用性。

附图说明

图1示意性表示本发明的一种实施方式的工件张力稳定性测量装置的结构图；

图2示意性表示本发明的一种实施方式的工件张力稳定性测量方法的流程图；

图3示意性表示本发明的一种实施方式的工件张力稳定性测量方法的张力计算原理图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，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。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

参见图1，本发明的高低温环境下的工件张力稳定性测量装置基于摄影测量技术完成，可适用于绷弦、绳索等线状被测试验件或其他类似试验件在高低温环境下的张力、变形、位移及其稳定性测量试验。本装置包括支架1和配重2，支架1包括架体101和底板102，架体101上层相间设有两个等高的安装位B，用于安装线状被测试验件A的两端。根据本发明的构思，装置中还设置了测量靶标3，测量靶标3设置在配重2上(即砝码悬挂位置上)和两个安装位B上(即被测试验件A的两端)。本发明中所设置的靶标均为反光贴纸，从而便于测量所用的相机进行识别。如此，相机可检测配重2相对被测试验件A的两端固定位置的位移情况，并利用此相对位置移动坐标系来计算得到张力稳定性。这种方式相较于单检测砝码配重位移量的方式而言，可以避免靶标***整体偏移对测量结果带来的影响。

本发明的测量装置还包括(高低温试验)箱体4，其在试验过程中固定在水平面上。箱体4上还具有可开合的箱门C(可通过铰链实现可开合)，箱门C上设有视窗401(光学观测窗)，从而可以确保外部光学测量相机可以通过视窗401测量箱内空间。本发明中，除个别器件外，基本整套试验所需部件均位于箱体4内，因此在安装时应确保支架1所形成的被测试验件A的固定区域在视窗401的观测空间中。支架1在箱体4内水平放置，底板102支承在箱体4内部底部，底板102与箱体4内部底部平面之间设有隔振垫402，从而可以隔离箱体4的振动。装置还包括(摄影)测量相机5，测量相机5位于箱体4外部，用于通过视窗401对箱体4内的靶标进行拍摄测量。

本发明的测量装置中还设置了标定尺6，其设置在架体101的上层桁架上，并与两个等高的安装位B的连线平行。标定尺6的作用在于为相机提供衡量尺度，主要也是为了适应于本发明的独特测量方式。即，本发明中的测量相机5在试验过程中需要多次移动位置以完成多次拍摄，因此标定尺6的设置可以为每张图像提供一个尺度(例如提供图像中像素的尺寸)，从而便于后续计算被测试验件A的张力。同时，为了避免标定尺6本身受到高低温环境的影响而发生变形，本发明还为其设置了标定靶标7。标定靶标7通过粘贴的方式设置在标定尺6两端的固定位置上即可。同时，标定尺6自身也应采用高稳定材料制成。由此，在选材时即可获知标定尺6的热膨胀系数，则在后续检测时可以根据其热变形量l—温度T曲线而对标定靶标7实际间距进行修正。

本发明的测量装置还包括辅助靶标8，辅助靶标8均匀设置在箱体4内壁上，并覆盖整个观测空间。辅助靶标8本身也为反光贴纸，从而可以用于辅助测量相机5确认其拍摄位置。

本发明的测量装置还包括加热丝9、制冷组件10和温度控制***11，这些器件可以完成箱体4内部高低温环境的加载。加热丝9设置在箱体4的侧壁中。制冷组件10包括冷板1001和压缩机1002，冷板1001设置在箱体4的侧壁中，压缩机1002位于箱体4外部，并通过制冷管1003与冷板1001连接。温度控制***11也位于箱体4外部，并通过控制线路分别与加热丝9和压缩机1002连接，用于控制二者产生热源或冷源，以利用热辐射及热传导的方式实现箱体4内部环境及被测试验件A的温度控制。由此，本发明中的加热丝9和冷板1001均位于箱体4的内部空间与外部壳体之间的侧壁夹层中，从而与箱体4的内部空间形成密封隔离，避免了常压高低温试验箱的热对流穿热方式带来的箱体内部气流扰动的影响。

本发明中，支架1为一体式完全对称方形桁架结构，由热变量系数小于10^-8/k的各向一致的高稳定材料制成(例如微晶玻璃)，其在高低温环境下的变形量几乎为零，且一体化对称设计也可以保障被测试验件A两端的固定位置在试验全周期内处于同一水平面上。配重2的规格可根据被测试验件A的预估张力选择，具体的，本发明的配重2为重力约为被测试验件A最大承受张力的5％-10％的砝码。当然，砝码的材质也可选用适应于高低温环境的高稳定材料，从而确保其在试验过程中的重量不会发生变化。

参见图2，本发明的工件张力稳定性测量方法，首先将被测试验件A安装到工件张力稳定性测量装置上。具体的，需要先将箱体4固定好，并连接温度控制***11及压缩机1002，确保视窗401外部空间满足测量相机5的拍摄需求。然后在箱体4内部壁上均匀粘贴辅助靶标8，再将支架1水平放置在箱体4内部的隔振垫402上。然后，将被测试验件A的两端分别固定在支架1上层两端等高位置处的两个安装位B上，并使被测试验件A处于张力在0-1N的绷紧状态后，将配重2悬挂在被测试验件A中间，确保配重2为自由下沉且无晃动。再将测量靶标3固定在支架1的两个安装位B和配重2上。随后，将已标检靶标间距的带有标定靶标7的标定尺6放置在支架1上层，并保证其与被测试验件A相对于视窗401处于同一平面，便于其实现测量相机5每次拍摄过程的同步标定。完成上述安装后，应调整支架1位置，确保测量相机5可通过视窗401测量到靶标。在调整完成后关闭箱体4，确认配重2无晃动后，利用测量相机5在箱体4外部不同位置处透过视窗401对箱内的靶标进行拍摄，从而获取箱体4内的图像。当然，在拍摄时需使测量相机5至少移动20次，以形成初始图像组。并且，在拍摄后还需对初始图像组进行解析处理，从而确认是否可以解析出初始图像组中的测量靶标3的位置信息。若不能，则需重新进行图像拍摄以补充初始图像组中的图像，直至可以解析出上述位置信息再进行后续步骤。

随后，基于测量靶标3解析出被测试验件A在各温度下的张力。具体的，可通过调节温度控制***11对箱体4进行温度控制，从而使箱体4内的被测试验件A处于不同温度下，以满足不同测试温度要求。当然，在温度满足要求后还需利用测量相机5在箱外不同位置处透过视窗401对箱内所有测量靶标进行拍摄，从而获取箱体4内的图像。同样，在每种温度下也需使测量相机5至少移动20次，以形成当前温度下的工况图像组。然后即可对工况图像组进行解析处理，处理时利用标定尺6热变形量—温度曲线参数l(T)对两标定靶标7间的距离L{X，Y，Z}进行修正，修正公式如下：

其中，L0{X0，Y0，Z0}为标定靶标初始长度参数坐标；

再利用修正后的距离L{X，Y，Z}对测量***标定参数矩阵R及空间坐标转化H矩阵进行计算，计算公式如下：

其中，K{x，y，z}为测量图像中两标定靶标7的像素距离坐标。当然，此步骤也需要确认是否可以解析出工况图像组中的测量靶标3的位置信息，如果可以则按上述步骤进行循环以完成所有温度工况的图像采集，否则重新进行上述图像拍摄的过程，从而补充工况图像组的图像。

参见图3，在完成上述步骤之后，即可通过对比各工况下相对图像组解析出的靶标位置信息，计算各温度工况下被测试验件A张力F的大小，计算公式如下：

F＝G×L/h；

其中，h为每个图像组中配重2处的测量靶标3相对支架1的两个安装位B处的测量靶标3的连线的距离；L为配重2处的测量靶标3相对于支架1的一个安装位B处的测量靶标3的距离；G为配重2的重力。其中，h和L均通过对所有图像组内的靶标信息进行解析处理所获取的各工况图像组中三个测量靶标3的坐标值计算得出。由此，实际上这一计算方式的构思在于，根据被测试验件A在配重2位置处的受力分解，配重2的重力G与被测试验件A的张力F的比值等于h与L的比值。另外，由于试验过程中配重2的重力G为已知恒定值，则可按照上式计算出被测试验件A的张力F。

随后，对各温度工况下的张力稳定性进行分析评估，利用以下公式计算得到被测试验件A的张力稳定性k：

k＝(F_T-F₀)/F₀％；

其中，F₀为初始图像组解析出的被测试验件A的初始张力，F_T为被测试验件A在温度T下的张力。

以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高低温环境下线状结构件张力稳定性测量装置，包括支架（1）和配重（2），所述支架（1）上相间设有安装位（B），用于安装被测试验件（A），其特征在于，还包括测量靶标（3），所述测量靶标（3）设置在所述配重（2）和所述安装位（B）上；所述配重（2）悬挂在被测试验件（A）中间；

所述支架（1）包括架体（101）和底板（102），所述安装位（B）具有两个，且等高的位于所述架体（101）上；

还包括标定尺（6）、标定靶标（7）和辅助靶标（8）；

所述标定尺（6）设置在所述架体（101）上，并与两个所述安装位（B）的连线平行；

所述标定靶标（7）设置在所述标定尺（6）的两端；

所述辅助靶标（8）均匀设置在箱体（4）的内壁上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括所述箱体（4）和测量相机（5）；

所述箱体（4）具有可开合的箱门（C），所述箱门（C）上设有视窗（401）；

所述测量相机（5）位于所述箱体（4）外部。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述底板（102）支承在所述箱体（4）内部底部，且与所述箱体（4）之间设有隔振垫（402）。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括加热丝（9）、制冷组件（10）和温度控制***（11）；

所述加热丝（9）设置在所述箱体（4）的侧壁中；

所述制冷组件（10）包括冷板（1001）和压缩机（1002），所述冷板（1001）设置在所述箱体（4）的侧壁中，所述压缩机（1002）位于所述箱体（4）外部，并通过制冷管（1003）与所述冷板（1001）连接；

所述温度控制***（11）位于所述箱体（4）外部，并与所述加热丝（9）和所述压缩机（1002）连接。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支架（1）为一体式对称桁架结构，由热变量系数小于10^-8/k的材料制成；

所述配重（2）为重力是被测试验件（A）最大承受张力的5%-10%的砝码。

6.一种利用权利要求1-5中任一项所述的高低温环境下线状结构件张力稳定性测量装置的方法，包括以下步骤：

a、将被测试验件（A）安装到高低温环境下线状结构件张力稳定性测量装置上；

b、基于测量靶标（3）解析出被测试验件（A）在各温度下的张力；

c、计算得到被测试验件（A）的张力稳定性。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述步骤a中，在箱体（4）内部均匀粘贴辅助靶标（8），将支架（1）水平放置在箱体（4）内部的隔振垫（402）上；

将被测试验件（A）固定在支架（1）的安装位（B）上，使被测试验件（A）处于张力在0-1N的绷紧状态后，将配重（2）悬挂在被测试验件（A）中间；

将测量靶标（3）设置在支架（1）的安装位（B）和配重（2）上；

将标定尺（6）设置在支架（1）上，并与被测试验件（A）相对于视窗（401）处于同一平面；

利用测量相机（5）透过视窗（401）获取箱体（4）内的图像，拍摄时使测量相机（5）至少移动20次，以形成初始图像组，并在不能解析出测量靶标（3）的位置时进行图像补拍。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述步骤b中，调节温度控制***（11）使箱体（4）内的被测试验件（A）处于不同温度下；

利用测量相机（5）透过视窗（401）获取箱体（4）内的图像，在每种温度下，均使测量相机（5）至少移动20次，以形成工况图像组，并在不能解析出测量靶标（3）的位置时进行图像补拍；

对工况图像组进行解析处理，并利用标定尺（6）热变形量—温度曲线参数l（T）对标定靶标（7）间的距离L{X，Y，Z}进行修正，修正公式如下：

L=L₀/>+l（T）；

其中，L₀{X0，Y0，Z0}为标定靶标初始长度参数坐标；

利用修正后的距离L{X，Y，Z}对测量***标定参数矩阵R及空间坐标转化H矩阵进行计算，计算公式如下：

L=RH·K />；

其中，K{x，y，z}为测量图像中两标定靶标（7）的像素距离坐标：

计算各温度工况下被测试验件（A）张力F的大小，计算公式如下：

；

；

其中，h为配重（2）处的测量靶标（3）相对于支架（1）的安装位（B）处的测量靶标（3）的连线的距离；L为配重（2）处的测量靶标（3）相对于支架（1）的安装位（B）处的测量靶标（3）的距离；G为配重（2）的重力。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤c中计算张力稳定性k的公式如下：

k=(F_T-F₀)/F₀%；

其中，F₀为被测试验件（A）的初始张力，F_T为被测试验件（A）在温度T下的张力。