一种数控点阵方式有控制作重复散斑场的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种数控点阵方式有控制作重复散斑场的装置及方法，属于采用未接触全场位移测量技术领域。

背景技术

数字散斑相关测量技术具有测试条件要求低、测试面积和量程范围大、精度高等优点，是目前使用最广泛的未接触全场位移测量技术，已经广泛应用到全场振动测量、动态应变测量、高速变形测量、断裂力学、冲击激励及动态材料试验中测量材料特性参数等多个领域。数字散斑测量技术是根据变形前后两幅图像(散斑场)的相关性来获取物体的变形场，所以变形信息的载体为物体表面的散斑场。散斑制作的优劣对位移场测定的准确性起决定性作用。常用的获取物体表面随机散斑有激光散斑，天然散斑和人工散斑三种，对于实验室标准试件大小尺度的数字散斑实验，常用人工散斑的方式来制作试件表面的散斑场。

目前，实验室常用人工随机喷涂黑白漆的办法在试件表面形成散斑场，它的制作方法是先在试件表面涂一层白色薄底漆，然后随机喷涂黑色漆，以形成黑白交替的随机散斑场。该方法有一定的局限性，喷涂所使用黑白漆的粘度，喷嘴大小，喷涂时间以及高度都会影响散斑的尺寸以及分布，即使熟练的操作者也不能保证能够喷涂出两幅类似的散斑图，过大的随机性将影响数字散斑相关实验的重复性，导致测量精度的降低，在运用数字散斑测量试件的位移与应变时，同一实验不同试件的散斑保持一致才能有最大的对比性。

申请公布号为CN103994727A的发明专利公布了一种基于转印技术的散斑制作方法。该发明所提方法为：通过计算机软件输入散斑尺寸、散斑数量、变形等参数，生成两对以上散斑图；通过软件对每对散斑图进行数字散斑相关运算，根据计算结果，选择散斑匹配度高的散斑图；将选定的散斑图进行打印；按照待测物体尺寸对散斑图进行裁剪；通过转印技术将散斑图转印在待测物体表面,得到具有选定散斑图的待测物体。该方法克服了人工随机喷涂黑白漆随机性过大的缺点，但运用转印的方法在试件表面形成散斑场时，对试件的表面粗糙度有很高的要求，而且增加了转印这一操作步骤，人工的参与会引入不确定性，并且增加了工作量。

发明内容

针对现有技术的不足，为了避免人工制作散斑以及运用转印的方案制作散斑的缺陷，本发明提供一种数控点阵方式有控制作重复散斑场的装置及方法，可以在圆柱或立方体型标准试件表面重复制作相同的散斑场。

本发明的技术方案如下：

一种数控点阵方式有控制作重复散斑场的装置，包括底座，底座上设置固定机构和打印机构，固定机构用于夹持固定试件，打印机构用于向试件表面打印散斑，底座一侧设有控制机构，控制机构用于控制固定结构以及打印结构运动。

优选的，底座上设有旋转基座，旋转基座与第一电机连接，由第一电机控制旋转基座的转动。

进一步优选的，旋转基座表面设有由中心发散的刻度，方便将试件置于可旋转基座的中心位置并进行多次重复定位。

进一步优选的，底座中部设有空腔，第一电机位于空腔内，第一电机通过齿轮与旋转基座连接，由第一电机控制旋转基座的旋转，底座底部平坦，接触地面，为装置整体提供水平操作面，中间中空，为电机的安装、导线的铺设等提供空间。

优选的，固定机构包括夹持臂结构，夹持臂结构包括第一竖杆、第二横杆、第三转杆，第一竖杆竖向置于底座一侧，第二横杆一端与第一竖杆连接，第三转杆一端与第二横杆通过轴承活动连接。第三转杆可绕第二横杆水平转动。

进一步优选的，第三转杆包括两节杆，上节杆中空，下节杆套于上节杆内，上节杆与下节杆通过螺栓固定，下节杆可以在上节杆之内上下移动并由螺栓固定在指定长度。

进一步优选的，第三转杆底部设有橡胶垫片。将杆体与试件的钢性接触变成柔性接触，使试件可以随旋转底座的旋转而旋转。

进一步优选的，第二横杆的轴线投影在水平面上贯穿旋转底座中心。

优选的，底座一侧设有安装槽，打印机构置于安装槽内，打印机构包括外部框架、内部框架、集成笔架，外部框架上设有齿条和第三电机，内部框架通过齿轮与外部框架连接，由第三电机控制内部框架沿外部框架竖向移动；

集成笔架上设有至少两个打印笔单元，打印笔单元包括笔杆、笔芯、笔头，笔杆通过螺纹与内部框架连接，笔杆内部设有输液管，输液管连接至笔芯，由笔头将输液管输送过来的液体印于测试件上；

外部框架一侧通过齿轮连接有第二电机，由第二电机控制外部框架在安装槽内水平移动、控制外部框架远离或者靠近底座中心点。

进一步优选的，外部框架界面为C型，内部框架置于外部框架的凹陷处。

进一步优选的，笔杆内还设有电磁线圈，笔芯一端设有铁质笔套，铁质笔套另一端通过弹簧与笔杆端部连接，铁质笔套置于电磁线圈内，电磁线圈通过导线连接至控制结构。电磁线圈通电时，铁质笔套移动，使笔芯伸出，在试件上点出散斑点，断电时，由弹簧使笔芯回缩。

打印机构可以根据试件材料以及颜色的不同，更换打印液的种类以及颜色，也可以根据试件尺寸的变化，更换打印笔单元笔头的大小，以形成质量较高的散斑场。

优选的，所述控制机构包括外壳及内部的电路板，外壳为铁制外壳，通过焊接的方式与底座连接在一起，其作用为给内部的电路板提供必要的保护；所述电路板为控制三部高灵敏度电机以及所有打印笔单元电磁线圈的集成电路，集成电路由连接线外接计算机，由计算机控制程序控制。电路板为普通市购，三部电机与打印单元需要由电路板控制，但工作状态是由电脑控制程序控制，其可以实现的功能是在计算机的控制下可以调动特定的电机工作以及给电磁线圈通电。

一种数控点阵方式有控制作重复散斑场的方法，采用如上所述装置，包括以下操作步骤：

第一步，将待测试件加工成符合要求的圆柱形或者立方体，测量试件的尺寸，圆柱形试件测量半径以及高度，立方体试件测量长宽高；

第二步，将试件表面喷涂薄薄一层白色哑光底漆；

第三步，在计算机中输入试件的尺寸信息，根据试件的尺寸信息，计算机通过模拟产生优质的散斑图片，生成散斑图片散斑点的坐标信息；斯坦福大学的Peng Zhou于2001年提出计算机生成模拟散斑图的算法,根据以上算法，编写Matlab程序可以生成变形前后的散斑模拟图；

第四步，将试件参照旋转基座上的刻度放置在旋转基座的中心，后调整夹持臂结构第三转杆，将试件固定在夹持臂结构与旋转基座之间；

第五步，控制电路控制第二电机与第三电机，使打印机构内部框架内的打印笔单元回归到初始位置；

第六步，根据试件的尺寸信息，打印笔单元的位置信息以及单个散斑点的坐标信息，控制电路控制第一电机、第二电机、第三电机以及打印笔单元协同工作，在试件的指定位置点出散斑点；

第七步，待少许片刻，等试件表面散斑点干燥即可取下，同一组实验试件用同一张散斑图片；

第八步，重复上述第四步到第七步，获得同一批次散斑实验试件。

本发明的有益效果在于：

(1)常规依靠人工操作直接在试件表面喷涂散斑场，形成的散斑场随机性较大，在同一组实验中，相似度太低会影响用散斑技术对同一组实验试件位移以及应变的测量。本发明所述装置及方法采用计算机系统控制以及机械打印的方法将散斑点打印在试件表面，可以批量形成相似度极高的散斑场，增加散斑测量的可靠性。

(2)常规方法制作散斑场需要人工参与步骤较多，过多的人工参与不仅引入较多的随机性，并且费时费力，操作复杂，制作周期长。本发明所述装置及方法最大量减少了人工操作步骤，操纵简单容易，且提高了散斑场制作的质量。

(3)本发明所述装置可以根据试件材料以及颜色的不同，更换打印液的种类以及颜色，也可以根据试件尺寸的变化，更换打印笔单元笔头的大小，以形成质量较高的散斑场。故本发明所述装置及方法适用性广泛，可以适配多种实验要求。

(4)本发明结构简单，利于维护，并且可以重复使用，总体来说具有经济性。

附图说明

图1为一种数控点阵方式有控制作重复散斑场的方法流程图；

图2为一种数控点阵方式有控制作重复散斑场的装置立体图；

图3为一种数控点阵方式有控制作重复散斑场的装置打印笔结构图；

图中：1-底座，2-旋转基座，3-第一竖杆，4-第二横杆，5-第三转杆，6-橡胶垫片，7-第一电机，8-第二电机，9-第三电机，10-外部框架，11-内部框架，12-集成笔架，13-控制机构，14-连接线，15-计算机，16-螺纹，17-电磁线圈，18-弹簧，19-笔芯，20-笔头，21-导线，22-输液管，23-铁制笔套，24-笔杆。

具体实施方式

数字散斑相关测量技术是目前使用最广泛的未接触全场位移测量技术，可应用于各种复杂材料的力学性能测试中。如火箭发动剂固体燃料、橡胶、光纤、压电薄膜、复合材料以及木材、岩石、土方等天然材料的力学性能的检测中，并且数字散斑测量技术具有测试条件要求低，测试面积和量程范围大，精度高等优点。散斑场作为试件位移变化信息的载体，散斑点制作的好坏直接决定了测量的精度，针对现有技术人工参与过多而造成随机性过大的不足，本发明提出了一种数控点阵方式有控制作重复散斑场的装置及方法。本发明通过获取试件的尺寸信息，生成合适的散斑分布图片，后通过打印笔在试件表面确定位置点出散斑点。与现有技术相比，本发明实现原理简单，可以批量加工试件，且最大限度的减少了人工参与，制作散斑场过程简单可靠。

下面通过实施例并结合附图对本发明装置及方法进行更为具体地说明，但不限于此。

实施例1：

一种数控点阵方式有控制作重复散斑场的装置，如图2所示，包括底座1，底座上设置固定机构和打印机构，固定机构用于夹持固定试件，打印机构用于向试件表面打印散斑，底座一侧设有控制机构，控制机构用于控制固定结构以及打印结构运动。

底座1上设有旋转基座2，旋转基座与第一电机7连接，由第一电机控制旋转基座的转动。底座中部设有空腔，第一电机位于空腔内，第一电机通过齿轮与旋转基座连接，由第一电机控制旋转基座的旋转，底座底部平坦，接触地面，为装置整体提供水平操作面，中间中空，为电机的安装、导线的铺设等提供空间。

固定机构包括夹持臂结构，夹持臂结构包括第一竖杆3、第二横杆4、第三转杆5，第一竖杆竖向置于底座一侧，第二横杆一端与第一竖杆连接，第三转杆一端与第二横杆通过轴承活动连接。第三转杆可绕第二横杆水平转动。第三转杆包括两节杆，上节杆中空，下节杆套于上节杆内，上节杆与下节杆通过螺栓固定，下节杆可以在上节杆之内上下移动并由螺栓固定在指定长度。第二横杆的轴线投影在水平面上贯穿旋转底座中心。

底座一侧设有安装槽，打印机构置于安装槽内，打印机构包括外部框架10、内部框架11、集成笔架12，外部框架上设有齿条和第三电机9，内部框架通过齿轮与外部框架连接，由第三电机控制内部框架沿外部框架竖向移动；

集成笔架上设有15个打印笔单元，打印笔单元包括笔杆24、笔芯19、笔头20，如图3所示，笔杆通过螺纹16与内部框架连接，笔杆内部设有输液管22，输液管连接至笔芯，由笔头将输液管输送过来的液体印于测试件上；

外部框架一侧通过齿轮连接有第二电机8，由第二电机控制外部框架在安装槽内水平移动、控制外部框架远离或者靠近底座中心点。

笔杆内还设有电磁线圈17，笔芯一端设有铁质笔套23，铁质笔套另一端通过弹簧18与笔杆端部连接，铁质笔套置于电磁线圈内，电磁线圈通过导线连接至控制结构。电磁线圈通电时，铁质笔套移动，使笔芯伸出，在试件上点出散斑点，断电时，由弹簧使笔芯回缩。

打印机构可以根据试件材料以及颜色的不同，更换打印液的种类以及颜色，也可以根据试件尺寸的变化，更换打印笔单元笔头的大小，以形成质量较高的散斑场。

实施例2：

一种数控点阵方式有控制作重复散斑场的装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，旋转基座表面设有由中心发散的刻度，方便将试件置于可旋转基座的中心位置并进行多次重复定位。

实施例3：

一种数控点阵方式有控制作重复散斑场的装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，第三转杆底部设有橡胶垫片6。将杆体与试件的钢性接触变成柔性接触，使试件可以随旋转底座的旋转而旋转。

实施例4：

一种数控点阵方式有控制作重复散斑场的装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，外部框架界面为C型，内部框架置于外部框架的凹陷处。

实施例5：

一种数控点阵方式有控制作重复散斑场的装置，其结构如实施例2所述，所不同的是，所述控制机构13包括外壳及内部的电路板，外壳为铁制外壳，通过焊接的方式与底座连接在一起，其作用为给内部的电路板提供必要的保护；所述电路板为控制三部高灵敏度电机以及所有打印笔单元电磁线圈的集成电路，集成电路由连接线14外接计算机15，由计算机控制程序控制。电路板为普通市购，三部电机与打印单元需要由电路板控制，但工作状态是由电脑控制程序控制，其可以实现的功能是在计算机的控制下可以调动特定的电机工作以及给电磁线圈通电。

实施例6：

一种数控点阵方式有控制作重复散斑场的方法，采用如实施例5所述装置，如图1所示，包括以下操作步骤：

第一步，将待测试件加工成符合要求的圆柱形或者立方体，测量试件的尺寸，圆柱形试件测量半径以及高度，立方体试件测量长宽高；

第二步，将试件表面喷涂薄薄一层白色哑光底漆；

第三步，在计算机中输入试件的尺寸信息，根据试件的尺寸信息，计算机通过模拟产生优质的散斑图片，生成散斑图片散斑点的坐标信息；斯坦福大学的Peng Zhou于2001年提出计算机生成模拟散斑图的算法,根据以上算法，编写Matlab程序可以生成变形前后的散斑模拟图；

第四步，将试件参照旋转基座上的刻度放置在旋转基座的中心，后调整夹持臂结构第三转杆，将试件固定在夹持臂结构与旋转基座之间；

第五步，控制电路控制第二电机与第三电机，使打印机构内部框架内的打印笔单元回归到初始位置；

第六步，根据试件的尺寸信息，打印笔单元的位置信息以及单个散斑点的坐标信息，控制电路控制第一电机、第二电机、第三电机以及打印笔单元协同工作，在试件的指定位置点出散斑点；

第七步，待少许片刻，等试件表面散斑点干燥即可取下，同一组实验试件用同一张散斑图片；

第八步，重复上述第四步到第七步，获得同一批次散斑实验试件。