一種基于機(jī)器視覺(jué)的單纖維段裂試驗(yàn)裝置及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及試驗(yàn)裝置的【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種基于機(jī)器視覺(jué)的單纖維段裂試驗(yàn)裝置及其控制方法。一種基于機(jī)器視覺(jué)的單纖維段裂試驗(yàn)裝置，包括底座、設(shè)于底座上的可編程控制器、與可編程控制器電連接的伺服控制器、與伺服控制器電連接的伺服電機(jī)；伺服電機(jī)連接傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，伺服電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)縱向移動(dòng)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上安裝圖像采集裝置，用于觀測(cè)試件纖維斷裂位置。本發(fā)明是與通用材料試驗(yàn)機(jī)配合使用的單纖維段裂試驗(yàn)裝置，在試驗(yàn)過(guò)程中，樣品的拉伸加載通過(guò)材料試驗(yàn)機(jī)完成，保證了加載精度，減少了儀器成本。本發(fā)明的主要功能是顯微觀測(cè)與斷口分析，其應(yīng)用不局限于纖維段裂試驗(yàn)，通過(guò)適當(dāng)改造，可拓展到其他需要對(duì)樣品進(jìn)行觀測(cè)的領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】一種基于機(jī)器視覺(jué)的單纖維段裂試驗(yàn)裝置及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及試驗(yàn)裝置的【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種基于機(jī)器視覺(jué)的單纖維段裂試驗(yàn)裝置及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的研究與評(píng)價(jià)顯得極為重要。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能主要取決于三個(gè)要素:增強(qiáng)纖維、基體、纖維與基體間界面剪切強(qiáng)度(IFSS)，其中纖維或基體的強(qiáng)度容易測(cè)得，而IFSS的測(cè)定受纖維分布、纖維取向和彎曲等因素影響，難以采用真實(shí)復(fù)合材料樣品直接測(cè)得，只能通過(guò)間接試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量。
[0003]國(guó)內(nèi)外常用的IFSS測(cè)試方法有四種:單纖維段裂試驗(yàn)、壓入試驗(yàn)、拔出試驗(yàn)、微珠試驗(yàn)。雖然這四種試驗(yàn)方法都存在著某種不足，但是在實(shí)際應(yīng)用中可操作性強(qiáng)，其試驗(yàn)結(jié)果在相當(dāng)程度上反映了 IFSS大小，因此業(yè)界仍然采用這四種方法測(cè)定IFSS。其中，單纖維段裂試驗(yàn)方法因其試件制作相對(duì)簡(jiǎn)單、受外部影響較少、試驗(yàn)中能夠出現(xiàn)纖維斷裂、界面脫粘、基體屈服、基體裂紋等典型失效模式而被廣泛采用。進(jìn)行單纖維段裂試驗(yàn)時(shí)，用基體材料做成拉伸試件，試件中軸線位置事先埋有一根增強(qiáng)纖維，然后對(duì)試件進(jìn)行拉伸，同時(shí)通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察纖維逐段斷裂過(guò)程?；w受拉時(shí)產(chǎn)生形變，作用于纖維表面產(chǎn)生沿纖維長(zhǎng)度方向均勻分布的剪切應(yīng)力，由于纖維表面剪切應(yīng)力沿纖維長(zhǎng)度方向的積累，纖維橫截面內(nèi)拉伸應(yīng)力(正應(yīng)力)沿兩端到中間線性增加。當(dāng)纖維正應(yīng)力值達(dá)到纖維的拉伸強(qiáng)度極限時(shí)，纖維斷裂。纖維斷裂后斷點(diǎn)處的正應(yīng)力為零，纖維應(yīng)力重新分布。隨著拉伸載荷的增加，斷裂在纖維中間位置附近相繼發(fā)生，直到兩個(gè)斷點(diǎn)之間纖維的長(zhǎng)度縮短到剪應(yīng)力的積累不足以產(chǎn)生大于纖維強(qiáng)度極限的正應(yīng)力時(shí)，纖維與基體之間產(chǎn)生滑移，纖維斷裂不再發(fā)生，試驗(yàn)終止。
[0004]目前國(guó)內(nèi)外已有的單纖維段裂試驗(yàn)裝置可分為兩類:一類是手動(dòng)加載，人工觀察，其優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)裝置成本低；缺點(diǎn)是試驗(yàn)過(guò)程受手工操作的影響，加載速度難以控制，試驗(yàn)過(guò)程不連續(xù)，試驗(yàn)重復(fù)性較差。另一類是從加載到測(cè)量都是自動(dòng)化，優(yōu)點(diǎn)是加載速度可控，試驗(yàn)過(guò)程連續(xù)，試驗(yàn)重復(fù)性較好；缺點(diǎn)是整套裝置含有加載和觀測(cè)兩個(gè)部分，成本較高。考慮到材料試驗(yàn)機(jī)是進(jìn)行材料力學(xué)測(cè)試最通用的設(shè)備，一般材料力學(xué)試驗(yàn)室都具備，因此單纖維段裂試驗(yàn)裝置的加載功能完全可以利用已有的材料試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)。專業(yè)的材料試驗(yàn)機(jī)在機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)架剛度、噪聲消減、算法設(shè)計(jì)等方面已經(jīng)相當(dāng)成熟，其加載精度與可靠性比單纖維段裂試驗(yàn)裝置自帶的加載系統(tǒng)要高。
[0005]纖維段裂試驗(yàn)中對(duì)纖維斷口的判斷主要有兩種方法:一種是聲發(fā)射檢測(cè)的方法，其原理是在激勵(lì)信號(hào)(聲波、振動(dòng))的作用下，纖維斷口處因?yàn)槠洳贿B續(xù)性將會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力波，通過(guò)分析應(yīng)力波便可獲得纖維段裂參數(shù)。另一種是機(jī)器視覺(jué)的方法，其原理是通過(guò)顯微鏡、相機(jī)、圖像采集卡以及圖像處理算法抓取特征圖像并分析特征值。相比于聲發(fā)射檢測(cè)法，機(jī)器視覺(jué)的方法有獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)。首先，機(jī)器視覺(jué)是一種無(wú)接觸、無(wú)損傷的檢測(cè)方式，不同于聲發(fā)射檢測(cè)法需要在試件兩端貼上傳感器；其次，聲發(fā)射檢測(cè)法雖然可以實(shí)時(shí)測(cè)得段裂試驗(yàn)過(guò)程中斷口的產(chǎn)生以及位置分布，但是需要購(gòu)買一套專用的信號(hào)采集設(shè)備和信號(hào)分析軟件，而這樣一套聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)并不能拍取試件段裂的圖片。然而，機(jī)器視覺(jué)方法恰好能滿足在監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程的同時(shí)拍攝圖片甚至錄像的要求，在一定精度的硬件搭配和算法設(shè)計(jì)的支持下，機(jī)器視覺(jué)的精度是可以保證的。
[0006]基于此，配合已有的材料試驗(yàn)機(jī)，本發(fā)明采用機(jī)器視覺(jué)方法，開(kāi)發(fā)含有數(shù)字圖像處理模塊和運(yùn)動(dòng)與控制模塊的單纖維段裂試驗(yàn)裝置。其中，圖像處理模塊包含顯微鏡頭、CCD相機(jī)、圖像采集卡以及圖像處理軟件。軟件算法自行編寫，包含圖像拼接算法與圖像檢測(cè)兩部分，可以實(shí)現(xiàn)纖維段裂試驗(yàn)過(guò)程的監(jiān)控與觀察。由于被測(cè)纖維的直徑通常為微米級(jí)，為保證采集到的圖像有足夠的精度和分辨率，顯微鏡頭應(yīng)該有足夠的放大倍率，這將導(dǎo)致顯微視場(chǎng)變小，單次拍攝的視場(chǎng)難以覆蓋整個(gè)試件，所以需要開(kāi)發(fā)一個(gè)運(yùn)動(dòng)與控制模塊用于控制顯微鏡頭的運(yùn)動(dòng)，分別拍取試件不同局部的圖像，再由拼接算法進(jìn)行拼接獲得試件的全局圖。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供一種基于機(jī)器視覺(jué)的單纖維段裂試驗(yàn)裝置，與材料試驗(yàn)機(jī)配合使用，完成單纖維段裂試驗(yàn)。內(nèi)容包括研制機(jī)器視覺(jué)模塊并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的算法、開(kāi)發(fā)顯微鏡頭運(yùn)動(dòng)與控制模塊，同時(shí)能夠?qū)w維段裂數(shù)據(jù)進(jìn)行后期的分析處理。與手動(dòng)加載的單纖維段裂試驗(yàn)裝置相比，本發(fā)明通過(guò)有限的成本代價(jià)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化纖維斷裂觀測(cè)和分析功能，同時(shí)通過(guò)材料試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)連續(xù)可控加載，試驗(yàn)精確度和重復(fù)性明顯提高。與自帶加載裝置的單纖維段裂試驗(yàn)設(shè)備不同，纖維段裂試驗(yàn)時(shí)所需加載功能利用現(xiàn)有的材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，監(jiān)測(cè)功能軟硬件部分則自行設(shè)計(jì)和研制，這樣既保證了試驗(yàn)加載的精度，又減少了儀器成本；其獨(dú)立的顯微觀測(cè)架構(gòu)設(shè)計(jì)便于進(jìn)一步的應(yīng)用開(kāi)發(fā)和功能拓展。
[0008]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種基于機(jī)器視覺(jué)的單纖維段裂試驗(yàn)裝置，其中，包括底座、設(shè)于底座上的可編程控制器、與可編程控制器電連接的伺服控制器、與伺服控制器電連接的伺服電機(jī)；所述的伺服電機(jī)連接有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，伺服電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)縱向移動(dòng)，所述的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上安裝用于觀測(cè)試件纖維斷裂位置的圖像采集裝置。
[0009]本發(fā)明中，采用基于機(jī)器視覺(jué)的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的監(jiān)控，提取纖維斷裂特征，判斷段裂過(guò)程，試驗(yàn)終止后自動(dòng)計(jì)算纖維直徑和臨界長(zhǎng)度ic，由此算出界面剪切強(qiáng)度IFSS。具體來(lái)說(shuō)，圖像采集裝置采集纖維的局部放大圖像，為了
克服放大后鏡頭視場(chǎng)變小不能監(jiān)測(cè)纖維全貌的問(wèn)題，采用圖像拼接技術(shù)將局部放大圖像拼接成全局圖，用于斷裂特征提取與分析，以此判斷纖維段裂臨界長(zhǎng)度并計(jì)算界面剪切強(qiáng)度。針對(duì)圖像拼接問(wèn)題，設(shè)計(jì)了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)縱向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)圖像采集裝置的垂直運(yùn)動(dòng)和位置控制，以采集纖維各局部的放大圖像，用于拼接。
[0010]可編程控制器(Programmable Logic Controller,PLC)是一種新型的通用自動(dòng)化控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，其內(nèi)部采用可以編制程序的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。本發(fā)明采用PLC將PC的控制指令輸出為伺服控制器的控制信號(hào)。[0011]伺服控制器是用來(lái)控制伺服電機(jī)的一種控制器，是伺服系統(tǒng)的核心。伺服控制器一般通過(guò)位置、速度和轉(zhuǎn)矩三種方式對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位。
[0012]伺服電機(jī)是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)控制速度和位置非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。相對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)具有控制精度高、反應(yīng)快等特點(diǎn)。交流伺服電機(jī)是最常用的伺服電機(jī)，用正弦波控制，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。
[0013]進(jìn)一步的，所述的圖像采集機(jī)構(gòu)包括目鏡、與目鏡連接的變倍率鏡頭主體、與變倍率鏡頭主體連接的套筒、與套筒連接的轉(zhuǎn)接環(huán)、與轉(zhuǎn)接環(huán)連接的相機(jī)；上述目鏡、變倍率鏡頭主體、套筒、轉(zhuǎn)接環(huán)、相機(jī)的中心軸線位于同一直線上。
[0014]圖像采集裝置的功能是實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中局部圖像的采集。目鏡、變倍率鏡頭主體、套筒將焦距處的纖維圖像放大后投影到相機(jī)的感光元件上，經(jīng)相機(jī)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，由圖像處理軟件進(jìn)行顯示和后期處理。其整體光學(xué)放大倍率為1.4?9倍，視場(chǎng)范圍為9.2X6.9?1.5X1.1mm2，最高分辨率1280*1024，支持Iabview編程控制曝光時(shí)間、增
益、亮度等參數(shù)。
[0015]進(jìn)一步的，所述的圖像采集裝置連接調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，用于調(diào)節(jié)X方向和y方向的位置；調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上設(shè)有鏡頭固定座，套筒穿過(guò)鏡頭固定座固定連接。通過(guò)設(shè)置鏡頭固定座，使得圖像采集裝置能夠與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一起縱向移動(dòng)。所述的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括X-y位移臺(tái)、X方向和y方向的兩個(gè)微調(diào)螺桿。所述X — y位移臺(tái)的底部還設(shè)有連接件，連接件呈“L”型，其一端與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)固定連接，另一端與X — y位移臺(tái)固定連接。X — y位移臺(tái)通過(guò)一個(gè)連接件固定于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上，xy方向各有一個(gè)微調(diào)螺桿，可以進(jìn)行25X25mm范圍精密微調(diào)，微調(diào)精度
0.0lmm,負(fù)載3kg,用于鏡頭的對(duì)準(zhǔn)和手動(dòng)調(diào)焦。
[0016]進(jìn)一步的，試驗(yàn)裝置還包括與伺服電機(jī)固定連接的電機(jī)固定板、與伺服電機(jī)連接的電機(jī)軸承，電機(jī)軸承連接傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。所述的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為絲杠，伺服電機(jī)與絲杠的中心軸線在同一直線上。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)與滾珠絲杠下端的軸承連接固緊之后，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)由絲杠轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)鏡頭部分的豎直位置。
[0017]進(jìn)一步的，所述的變倍率鏡頭主體的放大倍率為0.7?4.5倍，相機(jī)為CMOS黑白工業(yè)相機(jī)。本方案中，鏡頭采用AFTvision ZL0911變倍縮放工業(yè)鏡頭，該鏡頭具有清晰度高、倍率可變、光學(xué)無(wú)畸變、高對(duì)比度等特點(diǎn)。采用焦闌法，測(cè)量誤差少，能配合百萬(wàn)像素以上1/3〃，1/2〃，2/3〃工業(yè)相機(jī)使用，用于高精確檢測(cè)、高精度尺寸測(cè)量、目標(biāo)位置定位等機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中。鏡頭放大倍率為0.7?4.5倍，工作距離88?93mm。
[0018]工業(yè)相機(jī)通常根據(jù)傳感器類型不同可分為C⑶和CMOS相機(jī)。C⑶和CMOS的區(qū)別在于:CCD傳感器的生產(chǎn)制造起步較早，技術(shù)相對(duì)成熟，采用PN結(jié)合二氧化硅隔離層隔離噪聲，成像質(zhì)量相對(duì)CMOS傳感器有一定優(yōu)勢(shì)，但目前CCD傳感器存在工藝復(fù)雜、成本高、耗電量大、像素提升難度大等問(wèn)題。而CMOS速度快，耗電小，可以在每個(gè)原始像素上實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大，在低能耗的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)掃描，同時(shí)也降低了傳輸過(guò)程帶來(lái)的噪音干擾。另夕卜，CMOS可以在普通半導(dǎo)體生產(chǎn)線上進(jìn)行生產(chǎn)，其制造成本比較低廉。
[0019]綜合上面的分析，本發(fā)明采用MV-1300UM型號(hào)的CMOS黑白工業(yè)相機(jī)，其最高分辨率為 1280*1024，像素尺寸 5.2Mm*5.2Mm，幀率 15fps@1280*1024，45fps@640*480，光學(xué)尺寸為1/2"。該相機(jī)具有高分辨率、高精度、高清晰度、色彩還原好、低噪聲、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，采用USB2.0標(biāo)準(zhǔn)接口，安裝使用方便，非常適合室內(nèi)外各種工業(yè)檢測(cè)應(yīng)用。MV-1300UM工業(yè)相機(jī)可通過(guò)外部信號(hào)觸發(fā)采集或連續(xù)采集。
[0020]進(jìn)一步的，伺服電機(jī)為三菱HF-KN13J-S100交流伺服電機(jī)，具有低慣性小功率的特點(diǎn)，適合負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有變動(dòng)的機(jī)械使用，其分辨率為lOOOOp/rev，額定轉(zhuǎn)速5000轉(zhuǎn)。
[0021]工作原理:上位機(jī)通過(guò)串口與可編程控制器的編程口通訊。上位機(jī)向可編程控制器發(fā)送控制信號(hào)，可編程控制器執(zhí)行內(nèi)存中設(shè)定的程序后輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)，伺服控制器根據(jù)可編程控制器輸出的開(kāi)關(guān)信號(hào)控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服電機(jī)與絲杠固連，絲杠將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成豎直方向的直線運(yùn)動(dòng)，以此帶動(dòng)圖像采集裝置的上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)全景觀察。
[0022]一種利用所述基于機(jī)器視覺(jué)的單纖維段裂試驗(yàn)裝置的控制方法，包括以下步驟:
51.制作試驗(yàn)所需的包埋有單纖維的基體材料試件(18)，將試件(18)通過(guò)夾具固定在材料試驗(yàn)機(jī)上；
52.控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整X— y位移臺(tái)的位置于絲杠的中點(diǎn)，使目鏡的中心對(duì)準(zhǔn)試件的中心；
53.啟動(dòng)材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，同時(shí)啟動(dòng)本單纖維段裂試驗(yàn)裝置，其圖像采集機(jī)構(gòu)通過(guò)縱向上下運(yùn)動(dòng)而獲取纖維斷裂圖像；
54.對(duì)所獲取的纖維圖像進(jìn)行纖維斷口判定和纖維段數(shù)計(jì)數(shù)；
55.計(jì)數(shù)不再增加時(shí)停止試驗(yàn)并進(jìn)行長(zhǎng)度計(jì)算，然后根據(jù)力學(xué)模型計(jì)算出該纖維與基體間的界面剪切強(qiáng)度IFSS。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果是:本發(fā)明是與通用材料試驗(yàn)機(jī)配合使用的單纖維段裂試驗(yàn)裝置，在試驗(yàn)過(guò)程中樣品的拉伸加載與位移測(cè)量通過(guò)材料試驗(yàn)機(jī)完成，一方面保證了加載與位移測(cè)量精度，另一方面減少了儀器的成本。本裝置的主要功能是顯微觀測(cè)與斷口分析，其應(yīng)用不局限于纖維段裂試驗(yàn)，通過(guò)適當(dāng)改造，還可以拓展到其他需要對(duì)樣品進(jìn)行觀測(cè)的領(lǐng)域，比如裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)、生物組織微小樣品力學(xué)試驗(yàn)等；這種可拓展性是其他現(xiàn)有裝置所不具備的。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖2是本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖3是本發(fā)明的單纖維段裂試驗(yàn)工作場(chǎng)景圖。
[0027]其中:1-目鏡，2-變倍率鏡頭主體，3-套筒，4-轉(zhuǎn)接環(huán)，5-相機(jī)，6-鏡頭固定座，7-x — y位移臺(tái)，8-微調(diào)螺桿，9-連接件，10-絲杠，11-伺服電機(jī)，12-可編程控制器，13-伺服控制器，14-底座，15-墊腳，16-前蓋板，17-材料試驗(yàn)機(jī)，18-試件，19-本裝置，20-電機(jī)軸承，21-電機(jī)固定板。
【具體實(shí)施方式】
[0028]附圖僅用于示例性說(shuō)明，不能理解為對(duì)本專利的限制；為了更好說(shuō)明本實(shí)施例，附圖某些部件會(huì)有省略、放大或縮小，并不代表實(shí)際產(chǎn)品的尺寸；對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說(shuō)明可能省略是可以理解的。[0029]如圖1 一 3所示，一種基于機(jī)器視覺(jué)的單纖維段裂試驗(yàn)裝置，其中，包括底座14、設(shè)于底座14上的可編程控制器12、與可編程控制器12電連接的伺服控制器13、與伺服控制器13電連接的伺服電機(jī)11 ;伺服電機(jī)11連接有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)10，伺服電機(jī)11用于驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)10縱向移動(dòng)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)10上設(shè)有用于觀測(cè)試件纖維斷裂位置的圖像采集裝置。
[0030]本實(shí)施例中，裝置的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)模較小，輸入輸出接口較少，使用8進(jìn)8出的小型可編程控制器12即可滿足要求。位置控制中需要用可編程控制器12發(fā)出脈沖實(shí)現(xiàn)位移，因此使用晶體管輸出為宜。考慮到鏡頭的運(yùn)動(dòng)速度較慢，屬于低速控制，配合電子齒輪調(diào)節(jié)，通常IOOkps的脈沖頻率已經(jīng)足夠使用，因此選用三菱FX3U-16M可編程控制器作為上位機(jī)，其功能特性足夠?qū)崿F(xiàn)本裝置的要求，價(jià)格也較低。
[0031]本實(shí)施例中，伺服控制器13使用三菱公司生產(chǎn)的MR-E-10A-KH003型數(shù)字伺服控制器，該控制器采用插座方式接線，操作簡(jiǎn)單的同時(shí)又保持了 J2 super系列控制器的高水平自動(dòng)調(diào)諧、增益設(shè)置、自適應(yīng)制振等性能，可以通過(guò)RS232C通信連接到個(gè)人電腦上進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、試運(yùn)行、測(cè)試等操作。
[0032]本實(shí)施例中，伺服電機(jī)11為三菱HF-KN13J-S100交流伺服電機(jī)，具有低慣性小功率的特點(diǎn)，適合負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有變動(dòng)的機(jī)械使用，其分辨率為lOOOOp/rev，額定轉(zhuǎn)速5000轉(zhuǎn)。
[0033]圖像采集裝置包括目鏡1、與目鏡I連接的變倍率鏡頭主體2、與變倍率鏡頭主體2連接的套筒3、與套筒3連接的轉(zhuǎn)接環(huán)4、與轉(zhuǎn)接環(huán)4連接的相機(jī)5 ;上述目鏡1、變倍率鏡頭主體2、套筒3、轉(zhuǎn)接環(huán)4、相機(jī)5的中心軸線位于同一直線上。圖像采集裝置的功能是實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中局部圖像的采集。目鏡、變倍率鏡頭主體、套筒將焦距處的纖維圖像放大后投影到相機(jī)的感光元件上，經(jīng)相機(jī)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，由圖像處理軟件進(jìn)行顯示和后期處理，其整體光學(xué)放大倍率為1.4?9倍，視場(chǎng)范圍為9.2X6.9?1.5X1.1mm2，最高分辨率1280*1024，支持Iabview編程控制曝光時(shí)間、增益、亮度等參數(shù)。
[0034]其中，本實(shí)施例中，變倍率鏡頭主體2的放大倍率為0.7?4.5倍，相機(jī)為CMOS黑白工業(yè)相機(jī)。本方案中，鏡頭采用AFTvision ZL0911變倍縮放工業(yè)鏡頭。該鏡頭具有清晰度高、倍率可變、光學(xué)無(wú)畸變、高對(duì)比度等特點(diǎn)。采用焦闌法，測(cè)量誤差少，能配合百萬(wàn)像素以上1/3〃，1/2〃，2/3〃工業(yè)相機(jī)使用，用于高精確檢測(cè)、高精度尺寸測(cè)量、目標(biāo)位置定位等機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中。鏡頭放大倍率為0.7?4.5倍，工作距離88?93mm。本發(fā)明采用MV-1300UM型號(hào)的CMOS黑白工業(yè)相機(jī)，其最高分辨率為1280*1024，像素尺寸5.2Mm*5.2Mm,幀率15fps@1280*1024，45fps@640*480，光學(xué)尺寸為1/2〃。該相機(jī)具有高分辨率、高精度、高清晰度、色彩還原好、低噪聲、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，采用USB2.0標(biāo)準(zhǔn)接口，安裝使用方便，非常適合室內(nèi)外各種工業(yè)檢測(cè)應(yīng)用。
[0035]圖像采集裝置連接有用于調(diào)節(jié)圖像采集裝置的X方向和y方向的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上設(shè)有鏡頭固定座6，套筒3穿過(guò)鏡頭固定座6固定連接。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括X — y位移臺(tái)
7、用于調(diào)節(jié)圖像采集裝置的X方向和I方向的兩個(gè)微調(diào)螺桿8。X — y位移臺(tái)7的底部還設(shè)有連接件9，連接件9呈“L”型，其一端與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)10固定連接，另一端與X - y位移臺(tái)7固定連接。通過(guò)設(shè)置鏡頭固定座6，使得圖像采集裝置能隨著傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的豎向移動(dòng)從而一起豎向移動(dòng)。X — y位移臺(tái)通過(guò)一個(gè)連接件9固定于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)10上,xy方向各有一個(gè)微調(diào)螺桿8，可以在25 X 25mm范圍精密微調(diào)，微調(diào)精度0.0lmm,負(fù)載3kg，用于鏡頭的對(duì)準(zhǔn)和手動(dòng)調(diào)焦。
[0036]試驗(yàn)裝置還包括與伺服電機(jī)11固定連接的電機(jī)固定板21、與伺服電機(jī)11連接的電機(jī)軸承20，電機(jī)軸承20連接傳動(dòng)機(jī)構(gòu)10。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)10為絲杠，伺服電機(jī)11與絲杠的中心軸線在同一直線上。滾珠絲杠10是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。滾珠絲杠10由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。伺服電機(jī)與滾珠絲杠下端的軸承連接固緊之后，電機(jī)11的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)由絲杠轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)鏡頭部分的豎直位置。
[0037]圖1中，前蓋板16在工作狀態(tài)時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，底座14的底部設(shè)有墊腳15，使用時(shí)，可編程控制器12通過(guò)程序控制伺服控制器13，伺服控制器13通過(guò)發(fā)送脈沖控制伺服電機(jī)11進(jìn)行有規(guī)律的轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服電機(jī)11的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲杠10進(jìn)行有規(guī)律且可控制地上下運(yùn)動(dòng)。并且，通過(guò)絲杠位移臺(tái)連接件9固定于絲杠上的X — y位移臺(tái)7，也將帶動(dòng)通過(guò)鏡頭固定座6固定在X - y位移臺(tái)7上的鏡頭進(jìn)行有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)纖維斷裂過(guò)程中圖像的獲取。
[0038]一種利用基于機(jī)器視覺(jué)的單纖維段裂試驗(yàn)裝置的控制方法，包括以下步驟:
1)制作試驗(yàn)所需的包埋有單纖維復(fù)合材料試件18，按照?qǐng)D3，將試件18通過(guò)夾具固定在材料試驗(yàn)機(jī)17上。將本發(fā)明與材料試驗(yàn)機(jī)17按圖3所示擺放；
2)如圖3所示，通過(guò)電腦相關(guān)程序，控制伺服電機(jī)(11)的轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整X— y位移臺(tái)7位置于絲杠10的中點(diǎn)，目鏡I的中心對(duì)準(zhǔn)試件18的中心；
3)啟動(dòng)材料試驗(yàn)機(jī)17對(duì)試件18進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，同時(shí)啟動(dòng)本單纖維段裂試驗(yàn)裝置，使鏡頭進(jìn)行垂直方向上的上下運(yùn)動(dòng)來(lái)獲取試件全局的纖維斷裂圖像。由于材料試驗(yàn)機(jī)17進(jìn)行力學(xué)加載時(shí)速度的不同以及試件18的不同，鏡頭的運(yùn)動(dòng)速度在一定范圍內(nèi)可調(diào)；
4)對(duì)所獲取的纖維圖像進(jìn)行纖維斷口判定和纖維段數(shù)計(jì)數(shù)；
5)計(jì)數(shù)不再增加時(shí)停止試驗(yàn)并進(jìn)行長(zhǎng)度計(jì)算，然后根據(jù)力學(xué)模型計(jì)算出該纖維與基體間的界面剪切強(qiáng)度IFSS。
[0039]本實(shí)施例通過(guò)一系列的措施完成了單纖維段裂試驗(yàn)，所使用的方法與傳統(tǒng)方法的區(qū)別在于，本裝置可以作為通用材料試驗(yàn)機(jī)的配件使用，力學(xué)加載與位移測(cè)量功能由材料試驗(yàn)機(jī)完成，而纖維斷裂過(guò)程的監(jiān)控、分析以及斷裂特征長(zhǎng)度和纖維直徑的測(cè)量則通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，具有易用性及可拓展性。
[0040]顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于機(jī)器視覺(jué)的單纖維段裂試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括底座(14)、設(shè)于底座(14)上的可編程控制器(12)、與可編程控制器(12)電連接的伺服控制器(13)、與伺服控制器(13)電連接的伺服電機(jī)(11);所述伺服電機(jī)(11)連接傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(10)，伺服電機(jī)(11)用于驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(10)縱向移動(dòng)，所述的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(10)上安裝圖像采集裝置，用于觀測(cè)試件纖維斷裂位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機(jī)器視覺(jué)的單纖維段裂試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的圖像采集裝置包括目鏡(I)、與目鏡(I)連接的變倍率鏡頭主體(2)、與變倍率鏡頭主體(2)連接的套筒(3)、與套筒(3)連接的轉(zhuǎn)接環(huán)(4)、與轉(zhuǎn)接環(huán)(4)連接的相機(jī)(5);上述目鏡(I)、變倍率鏡頭主體(2 )、套筒(3 )、轉(zhuǎn)接環(huán)(4 )、相機(jī)(5 )的中心軸線位于同一直線上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于機(jī)器視覺(jué)的單纖維段裂試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的圖像采集裝置連接調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，用于調(diào)節(jié)其X方向和y方向的位置，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上設(shè)有鏡頭固定座(6)，套筒(3)與鏡頭固定座(6)固定連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于機(jī)器視覺(jué)的單纖維段裂試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括X — y位移臺(tái)(7)、用于調(diào)節(jié)圖像采集裝置X方向和y方向位置的兩個(gè)微調(diào)螺桿(8)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于機(jī)器視覺(jué)的單纖維段裂試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的X — y位移臺(tái)(7)的底部還設(shè)有連接件(9)，連接件(9)呈“L”型，其一端與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(10)固定連接,另一端與X — y位移臺(tái)(7)固定連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一所述的一種基于機(jī)器視覺(jué)的單纖維段裂試驗(yàn)裝置，其特征在于，試驗(yàn)裝置還包括與伺服電機(jī)(11)固定連接的電機(jī)固定板(21)、與伺服電機(jī)(11)連接的電機(jī)軸承(20 )，電機(jī)軸承(20 )連接傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(10 )。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于機(jī)器視覺(jué)的單纖維段裂試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(10)為絲杠，伺服電機(jī)(11)與絲杠的中心軸線在同一直線上。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于機(jī)器視覺(jué)的單纖維段裂試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的變倍率鏡頭主體(2)的放大倍率為0.7?4.5倍，相機(jī)(5)為CMOS黑白工業(yè)相機(jī)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機(jī)器視覺(jué)的單纖維段裂試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的伺服電機(jī)(11)為交流伺服電機(jī)，其分辨率為10000p/rev，額定轉(zhuǎn)速5000轉(zhuǎn)。
10.一種利用權(quán)利要求7所述基于機(jī)器視覺(jué)的單纖維段裂試驗(yàn)裝置的控制方法，其特征在于包括以下步驟: s1.制作試驗(yàn)所需的包埋有單纖維的基體材料試件(18)，將試件(18)通過(guò)夾具固定在材料試驗(yàn)機(jī)上； s2.控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整X— y位移臺(tái)的位置于絲杠的中點(diǎn)，使目鏡中心對(duì)準(zhǔn)試件的中心； s3.啟動(dòng)材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，同時(shí)啟動(dòng)本單纖維段裂試驗(yàn)裝置，其圖像采集裝置通過(guò)縱向上下運(yùn)動(dòng)獲取試件全局的纖維圖像； s4.對(duì)所獲取的纖維圖像進(jìn)行纖維斷口判定和纖維段數(shù)計(jì)數(shù)； s5.計(jì)數(shù)不再增加時(shí)停止試驗(yàn)并進(jìn)行長(zhǎng)度計(jì)算，然后根據(jù)力學(xué)模型計(jì)算出該纖維與基體間的界面剪切強(qiáng)度IFSS。
【文檔編號(hào)】G01N19/04GK103728183SQ201310463803
【公開(kāi)日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2013年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月8日
【發(fā)明者】肖潭, 李?yuàn)櫀? 王堉 申請(qǐng)人:廣東石油化工學(xué)院