[发明专利]基于三维数字图像相关方法的焊接应变测量系统及方法

说明书

本发明涉及一种基于三维数字图像相关方法的焊接应变测量系统及方法，系统包括分别可平移的安装在一个支撑云台两端的第一相机和第二相机，所述第一相机和第二相机的成像镜头前分别都设有减光片和滤波片，所述第一相机和第二相机之间的支撑云台上设有激光光源，所述第一相机、第二相机和激光光源分别都与控制盒连接，所述第一相机和第二相机还分别都与计算机连接。与现有技术相比，本发明结合数字图像相关法和双目立体视觉技术，对焊接过程中进行全场三维应变测量，系统可以满足焊接三维全场应变非接触、高精度测量的要求，与传统方法相比具有测量精度高、测量系统使用方便、系统结构简单紧凑等优点。

技术领域

本发明涉及焊接应变测量领域，尤其是涉及一种基于三维数字图像相关方法的焊接应变测量系统及方法。

背景技术

焊接变形的研究大都基于有限元分析，采用数值模拟方法预测焊接件的焊接变形和应变。这类方法一般成本较低，但受焊接变形机理的复杂性、高温时材料参数的难以测定性以及其他一些因素的影响，预测结果与实验相差较大。在焊接过程中，焊缝高温区产生的变形是造成残余应变的主要原因，所以有必要对高温区的变形规律进行研究和测量。传统的测量方法一般采用耐高温的应变计、位移传感器等，还有包括利用钻孔技术、X射线技术以及中子衍射技术等测量残余应力或应变。然而，这些方法存在以下不足：(1)应变计贴片工艺复杂，且测量结果是一个较大区域的单向平均应变，而位移传感器一般只能用于单点、单向测量，很难测量焊接件表面整体的变形场：(2)钻孔、X射线以及中子衍射等技术在实际使用中往往需要借助于较复杂的设备；(3)视觉测量法和激光扫描法仅能用于测量焊接件表面有限个点在焊接过程中的瞬时位移，仍然不能获得焊接件表面整体的变形场。

三维数字图像相关方法利用材料表面人为制造的散斑作为变形信息载体，可以对焊接过程中的全场应变进行精确测量。该方法通过标定双目相机的内外参数矩阵，利用二维数字图像相关方法进行立体匹配，之后进行三维立体重建获得被测物体表面各点的三维坐标，以得到全场的三维位移，之后通过曲面拟合等方法，得到材料的三维应变场。该方法具有非接触、高精度、光路简单，受环境影响小、自动化程度高等优点，已逐渐成为实验力学领域一种非常重要的测量手段，如CN207946067U《一种焊接过程中非接触式应变实时测量实验装置》。但是，当在焊接过程中使用三维数字图像相关方法测量焊接应变时，存在以下不足：

1、由于强烈的弧光干扰会导致工业相机采集到的图像亮度显著变大，降低了图像对比度，从而降低了图片匹配的精度，造成最后得到的三维应变场结果误差大大增加；

2、焊接过程中的严重不均匀变形以及焊接过程中的应变变化范围很大也会导致测量结果的精度严重降低；

3、焊接过程中的高温会导致常用的散斑制备方法所生成的散斑在材料表面可能发生滑移、脱落和变色。

因此，现有的三维数字图像相关方法无法在焊接过程中精确地获得三维全场应变。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于三维数字图像相关方法的焊接应变测量系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于三维数字图像相关方法的焊接应变测量系统，包括分别可平移的安装在一个支撑云台两端的第一相机和第二相机，所述第一相机和第二相机的成像镜头前分别都设有减光片和滤波片，所述第一相机和第二相机之间的支撑云台上设有激光光源，所述第一相机、第二相机和激光光源分别都与控制盒连接，所述第一相机和第二相机还分别都与计算机连接。

优选的，所述控制盒内设有激光驱动器和同步触发板。

优选的，所述支撑云台设置在支架上。

优选的，所述控制盒的外壳采用金属材料。

一种采用基于三维数字图像相关方法的焊接应变测量系统的应变测量方法，包括：