專利名稱：大尺寸工件變形測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域的一種測(cè)量方法，更進(jìn)一步涉及一種用光學(xué)攝
影測(cè)量的方法對(duì)100mm 30m的大尺寸工件的變形進(jìn)行測(cè)量的方法。
背景技術(shù)：
隨著對(duì)工件在負(fù)載作用下的裝配、使用等條件的要求越來越高，對(duì)于工 件在負(fù)載情況下的受載荷情況下變形的測(cè)量需要日益增加。在工程變形測(cè)量 中廣泛使用位移計(jì)和應(yīng)變片測(cè)量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位移與應(yīng)變和使用經(jīng)緯儀或全站 儀測(cè)量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位移與應(yīng)變的變形測(cè)量方法。
在中國發(fā)明專利ZL專利號(hào)03102422.X中公開了一種非接觸式電容復(fù)合 電極型位移傳感器及測(cè)量?jī)x。主要缺點(diǎn)是粘貼后傳感器的質(zhì)量和穩(wěn)定性受 基底、粘貼劑、防護(hù)劑的老化以及粘貼過程中的手工作業(yè)質(zhì)量影響，容易出 現(xiàn)長(zhǎng)期漂移和質(zhì)量不穩(wěn)定，而且溫度穩(wěn)定性較差且只能測(cè)量一個(gè)方向的變形 量。同時(shí)因大尺寸工件的尺寸宏大和變形復(fù)雜存在一定的局限性，比如測(cè)點(diǎn) 有限、量程有限、儀表必須與試件接觸、無法獲得位移場(chǎng)和變形場(chǎng)等全局?jǐn)?shù) 據(jù)，且具有無法避免的系統(tǒng)量測(cè)誤差。
文獻(xiàn)"公路大型構(gòu)筑物變形監(jiān)測(cè)技術(shù)研究"(李雪剛，碩士學(xué)位論文，長(zhǎng) 沙理工大學(xué)，2007)研究了全站儀對(duì)公路大型構(gòu)筑物的變形監(jiān)測(cè)。全站儀在 變形監(jiān)測(cè)中的缺點(diǎn)是測(cè)量精度低，測(cè)量點(diǎn)設(shè)置數(shù)目增加將大大增加測(cè)量的 工作量，大型工件變形測(cè)量中需要前期設(shè)置測(cè)量控制網(wǎng)工作量大，不易實(shí)現(xiàn) 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的變形測(cè)量方式中的不足，滿足工業(yè)實(shí)際使用中的效率和
4工件尺寸的要求，本發(fā)明提供了一種大尺寸工件變形測(cè)量方法，可以高效的 在大尺寸的工件變形中獲得高精度的測(cè)量結(jié)果。
為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下操作步驟予以實(shí)現(xiàn)的
第一步，放置固定點(diǎn)，在所需要測(cè)量的工件四周的固定位置處粘貼編碼 標(biāo)志點(diǎn)，為后期變形狀態(tài)間的相互關(guān)聯(lián)作為基準(zhǔn)；
第二步，粘貼變形點(diǎn)，在工件變形區(qū)域粘貼標(biāo)志點(diǎn)，標(biāo)志點(diǎn)將隨工件的 變形而改變空間位置，以作為后期反映工件變形量的計(jì)算數(shù)據(jù)；
第三步，取樣拍攝，當(dāng)每個(gè)變形結(jié)束后，對(duì)被測(cè)工件的變形狀態(tài)，獲取 工件的不同角度的圖片信息，所獲得的圖片信息用于后期的變形點(diǎn)重建；
第四步，重建變形點(diǎn)信息，采用光學(xué)攝影測(cè)量的方法對(duì)每個(gè)變形狀態(tài)的 圖片信息進(jìn)行處理，將各個(gè)變形狀態(tài)的變形點(diǎn)信息進(jìn)行重建；
第五步，坐標(biāo)拼合，使用最小二乘算法對(duì)放置固定點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)拼合，將 所有的變形狀態(tài)下的變形點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下；
第六步，重置變形點(diǎn)ID，使用領(lǐng)域搜索算法將同一變形點(diǎn)在各個(gè)變形狀 態(tài)下的第四步重建變形點(diǎn)獲得的重建信息中的編號(hào)置為相同；
第七歩，計(jì)算變形量，根據(jù)第六步中的重置變形點(diǎn)ID及其第四步重建 變形點(diǎn)獲得的信息，計(jì)算各變形點(diǎn)變形量的大小，根據(jù)固定點(diǎn)所轉(zhuǎn)換的同一 坐標(biāo)下的所有變形點(diǎn)的坐標(biāo)信息和ID信息，將相同ID的變形點(diǎn)相互關(guān)聯(lián)起 來，計(jì)算坐標(biāo)信息在各個(gè)變形狀態(tài)下的差值，計(jì)算變形量的大小、方向并繪 制變形射譜圖。
本發(fā)明方法具有以下優(yōu)點(diǎn)
(1) 由于本方法使用攝影測(cè)量的原理，可以根據(jù)不同測(cè)量工件的尺寸大小 選擇合理的測(cè)量距離和標(biāo)志點(diǎn)大小，所以測(cè)量工件不受尺寸大小的限制。
(2) 由于本方法使用的是標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別的方法對(duì)變形進(jìn)行重建，所以適用于 復(fù)雜受力情況下的位移場(chǎng)和變形場(chǎng)測(cè)量，同時(shí)可以觀測(cè)的變形點(diǎn)較多。
(3) 由于本方法系統(tǒng)需求簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)操作僅需要拍照即可，所以成本相對(duì) 較低，測(cè)量結(jié)果豐富，測(cè)量局限性小，在大變形破壞性實(shí)驗(yàn)中尤為適用，并 為研究復(fù)雜受力的構(gòu)件提供了可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。(4) 由于本方法現(xiàn)場(chǎng)僅需要拍照操作，數(shù)據(jù)可在線處理，所以在測(cè)量過程 中測(cè)量方便，計(jì)算完全自動(dòng)化，測(cè)量周期較短，大幅度的提高了測(cè)量的效率。
(5) 由于本方法使用攝影測(cè)量的方法進(jìn)行單一變形狀態(tài)的重建，所以測(cè)量 精度高，精度可以達(dá)到0.1mm/m


圖1是本發(fā)明具體操作步驟的流程圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
在測(cè)量某一種大尺寸工件變形時(shí)，第一步，放置固定點(diǎn)。在所需要測(cè)量 的工件四周的固定位置(變形過程中不發(fā)生位移變化)處粘貼編碼標(biāo)志點(diǎn)， 為后期變形狀態(tài)間的相互關(guān)聯(lián)作為基準(zhǔn)。固定點(diǎn)的放置應(yīng)滿足固定點(diǎn)作為 各個(gè)狀態(tài)間相互轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)，應(yīng)放置在不隨工件發(fā)生變形的位置，以保證變 形過程中全球點(diǎn)的空間位置不發(fā)生改變。根據(jù)不同的工件尺寸和形狀，放置 固定點(diǎn)時(shí)應(yīng)使固定點(diǎn)不少于4個(gè)，并且所有固定點(diǎn)應(yīng)不在同一平面內(nèi)。所有 固定點(diǎn)所組成的包圍區(qū)域應(yīng)將變形工件包圍在內(nèi)。
第二步，粘貼變形點(diǎn)。在工件上粘貼標(biāo)志點(diǎn)(包括編碼標(biāo)志點(diǎn)和非編碼 標(biāo)志點(diǎn))，標(biāo)志點(diǎn)將隨工件的變形而改變空間位置，以作為后期反映工件變形 量的計(jì)算數(shù)據(jù)。變形點(diǎn)的粘貼應(yīng)滿足a)變形點(diǎn)作為后期變形計(jì)算的數(shù)據(jù)， 應(yīng)緊密粘貼在工件的變形區(qū)域，使其在變形過程中不會(huì)發(fā)生脫落，粘貼時(shí)切 勿折疊或弄臟變形點(diǎn)；b)要求編碼標(biāo)志點(diǎn)的粘貼密度應(yīng)滿足每張照片中有大 于4個(gè)編碼標(biāo)志點(diǎn)；c)擺放非編碼標(biāo)志點(diǎn)時(shí)應(yīng)滿足盡可能的讓各個(gè)方向的拍 照都能看到8個(gè)以上；d)要求非編碼標(biāo)志點(diǎn)每2個(gè)之間的距離應(yīng)大于變形工 件每個(gè)變形狀態(tài)之間最大變形量的2倍。
第三步，取樣拍攝。在每個(gè)變形狀態(tài)，根據(jù)工件形狀，對(duì)工件的不同角 度進(jìn)行取樣拍攝，獲取各個(gè)變形狀態(tài)的圖片信息用于后期的變形點(diǎn)重建。對(duì)
變形狀態(tài)進(jìn)行取樣拍攝應(yīng)滿足a)標(biāo)尺不要壓在工件上以免工件變形；b)
6所有變形狀態(tài)中應(yīng)使用同一標(biāo)尺；c)拍攝時(shí)相機(jī)應(yīng)使用黑白模式，感光度 200為佳,光線特別暗時(shí)，可以調(diào)高感光度，但要注意拍攝時(shí)保持穩(wěn)定；d)拍 攝時(shí)相機(jī)應(yīng)使用自動(dòng)對(duì)焦模式，閃光等處于打開狀態(tài)；保持一定的焦距，在 拍攝過程中不要調(diào)焦距；e)拍攝時(shí)相機(jī)不要晃動(dòng)，保證照片不要模糊；f) 按被測(cè)物大小不同，每個(gè)被測(cè)物應(yīng)拍攝30—100張不同角度的照片；g)保證 每張照片包含至少8個(gè)非編碼點(diǎn);h)保證每個(gè)編碼點(diǎn)至少在8張照片中出現(xiàn)； i)標(biāo)尺被整體拍到的次數(shù)在三次以上。
一批圖片由許多連續(xù)的交疊的圖片組成，比如在與被測(cè)物體成45度的方 向順時(shí)針照一周記錄的方法需要好多各個(gè)方向看的圖片。選擇物體被測(cè)量的 標(biāo)尺， 一般情況下兩個(gè)標(biāo)尺都要用。理想的講物體的大小與標(biāo)尺是h l的， 并且標(biāo)尺和被測(cè)量的物體至少在一張圖片中被完全覆蓋，這樣會(huì)在很多相關(guān) 聯(lián)的圖片中有很多相同的非編碼點(diǎn)，這樣會(huì)使測(cè)量結(jié)果精度非常高，并且自 動(dòng)算出非編碼點(diǎn)。當(dāng)測(cè)量一個(gè)無法在一張圖片中完全顯示的大件物體時(shí)，可 以用拼接的方法。
第四步，重建變形點(diǎn)信息。通過對(duì)每個(gè)狀態(tài)所獲得的圖片信息進(jìn)行處理， 將各個(gè)狀態(tài)的變形點(diǎn)信息進(jìn)行重建。各狀態(tài)的變形點(diǎn)信息的重建采用光學(xué)攝 影測(cè)量的原理，包括對(duì)拍攝照片的圖像識(shí)別以獲得標(biāo)志點(diǎn)在各個(gè)圖像上的中 心坐標(biāo)，再通過捆綁調(diào)整和圖片匹配的方法對(duì)變形點(diǎn)的空間位置進(jìn)行精確重 建，并對(duì)每個(gè)變形點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)。重建變形點(diǎn)信息應(yīng)滿足a)基準(zhǔn)狀態(tài)的固定 點(diǎn)應(yīng)全部重建成功；b)其余變形狀態(tài)的固定點(diǎn)數(shù)目應(yīng)多于4個(gè)；c)各個(gè)變 形狀態(tài)的標(biāo)尺使用成功；d)所有變形狀態(tài)中的變形點(diǎn)信息均重建成功。
第五步，坐標(biāo)拼合。通過固定點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)拼合。根據(jù)固定點(diǎn)在不同狀態(tài) 重建后的坐標(biāo)信息，使用最小二乘算法進(jìn)行坐標(biāo)拼合，將所有的狀態(tài)下的變 形點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下。坐標(biāo)拼合應(yīng)滿足所有狀態(tài)均成功將坐標(biāo)轉(zhuǎn)
換到某一給定坐標(biāo)系下。
第六步，重置變形點(diǎn)ID。對(duì)重建變形點(diǎn)獲得的重建信息中的編號(hào)進(jìn)行重 置，使用領(lǐng)域搜索算法將同一變形點(diǎn)在各個(gè)變形狀態(tài)下的第四步重建變形點(diǎn) 獲得的重建信息中的編號(hào)置為相同。根據(jù)全球點(diǎn)所轉(zhuǎn)換的同一坐標(biāo)系下的所有非標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)，通過領(lǐng)域搜索算法，將所有的重建變形點(diǎn)獲得的重建信息 中的編號(hào)進(jìn)行重新編號(hào)，使同一變形點(diǎn)在各個(gè)變形狀態(tài)下的第四步重建變形 點(diǎn)獲得的重建信息中的編號(hào)置為相同。重置變形點(diǎn)ID應(yīng)滿足通過領(lǐng)域搜 索算法，同一變形點(diǎn)在各個(gè)變形狀態(tài)下的第四步重建變形點(diǎn)獲得的重建信息 中的編號(hào)置為相同。
第七步，計(jì)算變形量，根據(jù)第六步中的重置變形點(diǎn)ID及其第四步重建 變形點(diǎn)獲得的信息，計(jì)算各變形點(diǎn)變形量的大小。根據(jù)固定點(diǎn)所轉(zhuǎn)換的同一 坐標(biāo)下的所有變形點(diǎn)的坐標(biāo)信息和ID信息，將相同ID的變形點(diǎn)相互關(guān)聯(lián)起 來，計(jì)算坐標(biāo)信息在各個(gè)變形狀態(tài)下的差值，計(jì)算變形量的大小、方向并繪 制變形射譜圖。計(jì)算變形量應(yīng)滿足同一變形點(diǎn)在各個(gè)變形狀態(tài)下的編號(hào)應(yīng) 為相同。
權(quán)利要求
1、大尺寸工件變形測(cè)量方法，其特征在于，包括下述步驟第一步，放置固定點(diǎn)，在被測(cè)工件四周固定位置處粘貼編碼標(biāo)志點(diǎn)；第二步，粘貼變形點(diǎn)，在被測(cè)工件變形區(qū)域粘貼標(biāo)志點(diǎn)；第三步，取樣拍攝，當(dāng)每個(gè)變形結(jié)束后，拍攝被測(cè)工件的變形狀態(tài)，獲取工件的不同角度的圖片信息；第四步，重建變形點(diǎn)信息，采用光學(xué)攝影測(cè)量的方法對(duì)每個(gè)變形狀態(tài)的圖片信息進(jìn)行處理；第五步，坐標(biāo)拼合，使用最小二乘算法對(duì)放置固定點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)拼合，將所有的變形狀態(tài)下的變形點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下；第六步，重置變形點(diǎn)ID，使用領(lǐng)域搜索算法將同一變形點(diǎn)在各個(gè)變形狀態(tài)下的第四步重建變形點(diǎn)獲得的重建信息中的編號(hào)置為相同；第七步，計(jì)算變形量，根據(jù)第六步中的重置變形點(diǎn)ID及其第四步重建變形點(diǎn)獲得的信息，計(jì)算各變形點(diǎn)變形量的大小，根據(jù)固定點(diǎn)所轉(zhuǎn)換的同一坐標(biāo)下的所有變形點(diǎn)的坐標(biāo)信息和ID信息，將相同ID的變形點(diǎn)相互關(guān)聯(lián)起來，計(jì)算坐標(biāo)信息在各個(gè)變形狀態(tài)下的差值，計(jì)算變形量的大小、方向并繪制變形射譜圖。
2、 如權(quán)利要求1所述的大尺寸工件變形測(cè)量方法，其特征在于，所述固 定點(diǎn)不少于4個(gè)，設(shè)置的所有固定點(diǎn)應(yīng)不在同一平面內(nèi)，并不隨工件變形而 發(fā)生位置改變。
3、 如權(quán)利要求1所述的大尺寸工件變形測(cè)量方法，其特征在于，通過不 同角度進(jìn)行取樣拍攝，應(yīng)使變形工件的各個(gè)變形區(qū)域和固定點(diǎn)存在于圖片信 息中，且能通過光學(xué)攝影測(cè)量方法進(jìn)行重建。
4、 如權(quán)利要求1所述的大尺寸工件變形測(cè)量方法，其特征在于，所述第 四步中的光學(xué)攝影測(cè)量方法，首先通過對(duì)所獲得的圖片信息進(jìn)行圖像識(shí)別， 再通過捆綁調(diào)整和圖片匹配的方法對(duì)變形點(diǎn)與固定點(diǎn)的空間位置進(jìn)行精確重 建，并對(duì)每個(gè)變形點(diǎn)與固定點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)。
5、 如權(quán)利要求1所述的大尺寸工件變形測(cè)量方法，其特征在于，所述的領(lǐng)域搜索算法，首先通過獲得一個(gè)變形狀態(tài)下的變形點(diǎn)坐標(biāo)信息和變形點(diǎn)ID，根據(jù)所設(shè)置的領(lǐng)域搜索半徑，在下一個(gè)變形狀態(tài)中判斷搜索領(lǐng)域內(nèi)是否 存在滿足搜索條件的變形點(diǎn)，當(dāng)滿足條件的變形點(diǎn)有且僅有一個(gè)時(shí)，將搜索 獲得的變形點(diǎn)編號(hào)與第一個(gè)變形狀態(tài)下的變形點(diǎn)ID設(shè)置為相同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大尺寸工件變形的測(cè)量方法，第一步，放置固定點(diǎn)；第二步，粘貼變形點(diǎn)；第三步，取樣拍攝；第四步，重建變形點(diǎn)信息；第五步，坐標(biāo)拼合；第六步，重置變形點(diǎn)ID；第七步，計(jì)算變形量。通過上述操作步驟，本發(fā)明可以測(cè)量大尺寸工件在受到附加力載荷、熱載荷等情況下所引起三維變形的變形方向和變形大小，具有操作簡(jiǎn)便、不受工件尺寸限制、測(cè)量信息豐富、結(jié)果準(zhǔn)確可靠、效率高且為非接觸測(cè)量的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B11/16GK101551238SQ20091002249
公開日2009年10月7日 申請(qǐng)日期2009年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月13日
發(fā)明者史寶全, 唐正宗, 晉 梁, 肖振中, 翔 郭 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)