CN101832895A

CN101832895A - 视觉拉伸试验系统

Info

Publication number: CN101832895A
Application number: CN 201010135603
Authority: CN
Inventors: 张敬敏; 郑建平; 类成华; 杨雷岗; 赵海声
Original assignee: Beijing NCS Analytical Instruments Co Ltd
Current assignee: Beijing NCS Analytical Instruments Co Ltd
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2010-09-15

Abstract

一种视觉拉伸试验系统，属于金属材料力学分析测试领域。包括加载机构和控制机构、信号采集测量机构、视觉采集机构与数据处理机构；其特征在于，加载机构以卡具和夹块的方式机械连接在试验机的主机框架内，控制机构以板卡的方式安装在试验机的主机底座框架内；信号采集测量机构以板卡的方式安装在主机控制卡的插槽内；视觉采集机构由CCD图像采集系统、采集卡、图像分析处理软件、自动标记架、通讯单元组成；数据处理机构包括计算机、工控机，工控机与主机控制机构以标准RS232通信线相连。本发明利用试验机对拉伸试样实施动态加载，视觉采集系统采集试样标距内的变形，力值通道采集力值，位移通道采集位移。由数据处理系统完成数据处理，进行拉伸力学性能分析，结果准确完整。

Description

视觉拉伸试验系统

技术领域

本发明属于材料力学性能测试分析领域，特别是提供了一种视觉拉伸试验系统，适用于金属、塑料等无机材料的拉伸性能的测试分析。

背景技术

拉伸试验是材料力学性能测试的基本手段，在金属件服役条件的安全评估中占据着重要地位。其中规定非比例延伸强度R_p0.2、应变硬化指数n、塑性应变比r等是设计中的非常重要的参数，这些参数需要根据试样在拉伸过程中的力～变形特征测定。力值的测定比较容易实现，实时性和准确性高。而变形的测定长期以来多采用接触式引伸计测量，没有根本的改进，成为测试的瓶颈。这种传统的测量方法存在以下不足：

①由于引伸计本身的刚度影响，测得数据具有一定的滞后性。

②由于引伸计本身的重量，不能测量超薄、超细的试样。

③由于构造上的限制，不适合小标距、超脆的试样。

④如果不是自动引伸计，试验前需要手工装卡，试验中手工取下。

⑤对于需要同时测量轴向和横向变形的n r试验，则由于需要安装轴向和横向两个引伸计，非常麻烦，并且横向只能得到一个点的变形量，不满足试验方法要求。

为了满足现代材料的研究、工程设计及安全评估的需要，特别是为了全自动拉伸试验机的应用，必须针对以上对传统引伸计的分析，在变形测量方面，研制符合各类试样，具有实时性、高精确度的拉伸试验系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种视觉拉伸试验系统。完成对试验样品在特定控制方式、加载速率、试验温度下的拉伸试验。可以实现：试验方案的制定；传感器的标定；试验全过程的力值、变形、位移和时间的显示、存储；各试验参数的计算；图形和数据的分析；试验结果的输出。

视觉拉伸试验系统包括主机硬件机构、信号采集测量机构、视觉采集机构与数据处理机构等部分。主机硬件机构主要由加载机构和控制机构组成。加载机构以卡具和夹块的方式机械连接在试验机的主机框架内，控制机构以板卡的方式安装在试验机的主机底座框架内。信号采集测量机构由载荷传感器、力值数据采集卡、旋转编码器、位移编码器组成，力值数据采集卡以电路板的形势安装在工控机的相应通道的插槽内。视觉采集机构由CCD图像采集系统、采集卡、图像分析处理软件、自动标记架、通讯单元组成，CCD图像采集系统、自动标记架由一个旋转支架的方式用螺钉安装在试验机主机架上。采集卡、图像分析处理软件直接安装在计算机内。数据处理机构包括计算机，工控机等硬件单元，由基于Visual C++开发平台的拉伸测试软件为补充。测试软件直接安装在计算机内，工控机与主机控制机构以标准RS232通信线相连。

1.主机硬件机构

加载机构和控制机构组成主机硬件机构。加载机构由试验机主机架、试样夹具、滚珠丝杠、伺服电机、减速机以螺钉固定、焊接等机械方式连接组成。控制机构由驱动器、控制卡和驱动卡组成；驱动器由数据线与电机相连，控制卡和驱动卡以板卡的方式，插在试验机的工控机的插槽内，以标准通信协议与工控机通信；在电机轴和丝杠顶端以无缝机械连接的方式同时装有位移编码器。试验机主机架由高强度材质作底座，由硬度值＞＝60的材质作卡具和夹块，由分辨力优于1/300000的传感器作力值检测设备，保证允许过载150％的刚性、优于10％的同轴度。

2.信号采集测量机构

主要包括载荷传感器、力值数据采集卡、旋转编码器、位移编码器等组成。载荷传感器同轴安装在卡具上，实时、快速感受力的变化，力值数据采集卡以电路板的形势安装在工控机的相应通道的插槽内。位移传感器用金属封装，以法兰和螺钉的方式无缝安装在丝杠上，以电缆线与试验机主控电路板相连，旋转编码器安装在减速电机的末端。旋转编码器和位移编码器以通用通信方式与工控机相连，以各路信号分离的方式，经过不同的数据通道，集结在工控机和试验机的数据处理卡中，同步、快速、准确地处理视觉图像采集机构与信号采集机构所得数据。

3.视觉采集机构

由CCD图像采集系统、高速采集卡、图像分析处理软件、自动标记架、通讯单元组成。视觉图像采集机构的采集精度为视野的1/100000，由一可以调节方向和距离的弯背杆与试验机主机相连，驱动部分由高精度的伺服电机和减速机构组成，以铸件和机械连接的方式，安装在试验机主机的底部。驱动部分与移动横梁由导程一定的丝杠相连。数据处理机构，以电缆线与试验机主控电路板相连，以通用通信方式与工控机相连，以各路信号分离的方式，经过不同的数据通道，集结在工控机和试验机的数据处理卡中，同步、快速、准确地处理视觉图像采集机构与信号采集机构所得数据。

4.数据处理机构

数据处理机构主要由计算机，工控机等硬件单元组成，由基于Visual C++开发平台的拉伸测试软件为补充。软件主要包括试验方法、试验进程、数据管理、图形分析、报表输出、仪器校准、辅助工具、授权密码模块。软件安装在计算机的WindowsXP系统下，以PCI通信模式与工控机接口相连，进行力值、位移和变形的测试与通信，并控制拉伸的速度。

本视觉拉伸系统适用于包括超薄(厚度＜0.2mm)、超细(直径＜0.2mm)、超脆、小标距(标距≤10mm)等特殊试样在内的各类试样的测试，也可用于传统引伸计不能胜任的各类构件的测试。没有传统的引伸计模拟信号放大和A/D转换过程，克服了由此产生的系统温度及灵敏度漂移。整机系统预热20分钟后，30分钟内零点漂移±0.005％FS。在试验全过程中直至断裂，不用人工装、取引伸计。不用进行频繁、复杂的标定。不会产生传统引伸计由于与试样接触带来的刀口及其他部件的损坏，可以同时采集试样轴向和横向变形数据。视觉系统对两个标距同时采集，能够扩大测试范围，提高系统分辨力，达到图象视野的1/100000。主机加载同轴度优于10％，位移分辨力优于0.001mm，力值误差：1/200～FS±0.5％，1/500～1/200FS±1％，采样速率50/秒。对任意时刻的标距采用多目标采集，多条线段的平均，提高精度，有效图像采集速率达到10次/秒，图象视野≤100mm时，引伸计能达到0.5级。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、适用性：适用于包括细丝、薄板、超脆、超强等特殊试样在内的各类试样的测试，也可用于传统引伸计不能胜任的各类构件的测试。

2、操作性：在试验全过程中直至断裂，不用人工装、取引伸计。不用进行频繁、复杂的标定。不会产生传统引伸计由于与试样接触带来的刀口及其他部件的损坏，可以同时采集试样轴向和横向数据

3、分辨力：视觉系统对两个标距同时采集，能够扩大测试范围，提高系统分辨率，达到图象视野的1/100000。主机加载同轴度优于8％，位移分辨力优于0.001mm，力值误差：1/200～FS±0.5％，1/500～1/200FS±1％，采样速率50/秒。

4、准确度：对任意时刻的标距采用多目标采集，多条线段的平均，提高精度，图象视野≤100mm使引伸计能达到0.5级。

5、稳定性：没有传统的引伸计模拟信号放大和A/D转换过程，克服了由此产生的系统温度及灵敏度漂移。整机系统预热20分钟后，30分钟内±0.005％FS

6、实时性：试样的变形不经过任何传递环节立即被采集，消除了滞后。能够真实反映被测试样的实时变形。

7、扩展功能：可以实现：多点测量、任意标距测量、轴向、横向变形的同时测量、试样尺寸的测量；监控试样装卡状态等功能。

附图说明

图1为本发明视觉拉伸试验系统的结构示意图。

图2为本发明各组成部分连接方式的示意图。

图3为本发明视觉采集机构的结构示意图。

图4为本发明数据处理机构的结构示意图。

图5为本发明信号采集机构的结构示意图。

图6为本发明应变硬化指数n、塑性应变比r的结构示意图。

具体实施方式

图1～6为本发明的一种具体实施方式。

本发明如图1所示，包括主机硬件机构、信号采集测量机构、视觉采集机构与数据处理机构；其特征在于，主机硬件机构包括加载机构和控制机构，加载机构以卡具和夹块的方式机械连接在试验机的主机框架内，控制机构以板卡的方式安装在试验机的主机底座框架内；信号采集测量机构由载荷传感器、力值测量卡组成，以板卡的方式安装在主机控制卡的插槽内；视觉采集机构由CCD图像采集系统、采集卡、图像分析处理软件、自动标记架、通讯单元组成，CCD图像采集系统、自动标记架由一个旋转支架的方式用螺钉安装在试验机主机架上；采集卡、图像分析处理软件直接安装在计算机内；数据处理机构包括计算机、工控机，由基于Visual C++开发平台的拉伸测试软件为补充，测试软件直接安装在计算机内，工控机与主机控制机构以标准RS232通信线相连。各部分连接方式如图2所示。根据各相关数据完成特定加载速度下时间-位移曲线绘制、拉伸力学性能测定。本系统严格遵循国标规定。

首先根据要求有控制系统设置加载速度，由主机硬件机构中的电机改变夹具的移动速度。由信号采集系统(图5)中的传感器判断试样的夹持与否，视觉采集系统是实时监控试样的状态，并反馈给控制系统，随时调整试样，保证达到相关标准要求的试样初始状态及同轴度要求，然后由实时加载机构驱动拉伸试验机。同时由动态信号采集部份采集力值、位置信号。由视觉采集系统采集变形信号，捕作试样的拉伸形貌，反馈试样的实时拉伸状态，图像分析处理系统确定其拉伸力学性能。

视觉图像采集机构由图3所示，CCD与镜头组成图像采集元件，图像采集卡将采集单元获得的图像，以板卡的方式与计算机相连，传递图像数据。图像采集控制系统以电路板卡的方式，控制各部分的时序、采集量、数据的传输方式等。图像分析系统将图像数据收集，以可视化的图形界面方式显示在电脑显示器上，输出数据结果。

视觉图像采集机构有一可以调节方向和长短的弯背杆与试验机主机相连，用专用螺钉固定在试验机主机架的型材上，实时捕作驱动部分由高精度的电机和减速机构组成，以铸件和机械连接的方式，安装在试验机主机的底部。驱动部分与卡具等力的夹载机构有导程一定的丝杠相连。信号采集机构有位移传感器、载荷传感器、及它们的控制电路组成，位移传感器用金属封装，以法兰和螺钉得方式无缝安装在丝杠上，载荷传感器同轴安装在卡具上，实时、快速得感受力的变化，控制电路以电路板的形势安装在工控机的相应通道的插槽内。数据处理机构，以电缆线与试验机主控电路板相连，以通用通信方式与工控机相连，以各路信号分离的方式，经过不同的数据通道，集结在工控机和试验机的数据处理卡中，同步、快速、准确地处理视觉图像采集机构与信号采集机构所得数据。

数据处理机构由图4所示，同步触发器以电器元件的方式，安装在电路板卡上，保证各路信号的同步。位移编码器、载荷编码器、旋转编码器等以电桥等电路的方式，存在于主控电路板中。数据采集卡，以板卡的方式安装在工控机内，将各路数据通道结果实时正确的与主控软件通信。。

本发明视觉拉伸试验系统，利用视觉图像采集方式，实时捕作试样的变形形貌，采集变形值。根据力、变形、位移等力学性能之间关系，获得试样在拉伸过程中的力～变形特征曲线，得到各力学性能指标。能够同时实时监测试样的横向与纵向变形、颈缩过程。

图6为其中一项功能，应变硬化指数n、塑性应变比r的测量结果图。

本发明能够对普通板材、棒材、超薄(厚度＜0.2mm)、超细(直径＜0.2mm)、超脆、小标距(标距＜＝10mm)等试样的力学性能的测量。具体到板材试样的应变硬化指数n、塑性应变比r的分析步骤如下：

(1)将视觉图像采集系统、试验机主机、信号采集系统、数据处理系统等按上述方式相互连接，组成视觉拉伸系统。

(2)将试样加载在卡具上，保证试样位置，保证同轴度。

(3)设置仪器参数：控制方式、加载速度、试样尺寸；

(4)在上述工作条件下利用标准样品或，校准拉伸试验机；

(5)标定视觉图像采集系统的标尺；

(6)装夹试验试样；

(7)记录试样整个拉伸过程中的力、位移、变形值，并绘制试验曲线，得到应变硬化指数n、塑性应变比r。

Claims

1.一种视觉拉伸试验系统，包括主机硬件机构、信号采集测量机构、视觉采集机构与数据处理机构；其特征在于，主机硬件机构由加载机构与控制机构组成，加载机构以卡具和夹块的方式机械连接在试验机的主机框架内，控制机构以板卡的方式安装在试验机的主机底座框架内；信号采集测量机构由载荷传感器、力值测量卡组成，以板卡的方式安装在主机控制卡的插槽内；视觉采集机构由CCD图像采集系统、采集卡、图像分析处理软件、自动标记架、通讯单元组成，CCD图像采集系统、自动标记架由一个旋转支架的方式用螺钉安装在试验机主机架上；采集卡、图像分析处理软件直接安装在计算机内；数据处理机构包括计算机、工控机，由基于VisualC++开发平台的拉伸测试软件为补充，测试软件直接安装在计算机内，工控机与主机控制机构以标准RS232通信线相连。

2.按照权利要求1所述的拉伸系统，其特征在于，主机硬件机构由试验机主机架、试样夹具、滚珠丝杠、伺服电机、减速机以螺钉固定、焊接方式连接组成；电机改变夹具的移动速度，由载荷传感器判断试样的夹持与否，视觉采集系统是实时监控试样的状态，并反馈给控制系统，随时调整试样，保证达到相关标准要求的试样初始状态及同轴度要求，然后由实时加载机构驱动拉伸试验机；同时由动态信号采集部份采集力值、位置信号；由视觉采集系统采集变形信号，捕作试样的拉伸形貌，反馈试样的实时拉伸状态，图像分析处理系统确定其拉伸力学性能。

3.按照权利要求1所述的拉伸系统，其特征在于，控制机构由驱动器、控制卡和驱动卡组成；驱动器由数据线与电机相连，控制卡和驱动卡以板卡的方式，插在试验机的工控机的插槽内，以标准通信协议与工控机通信；在电机轴和丝杠顶端以无缝机械连接的方式同时装有位移编码器。

4.按照权利要求1所述的拉伸系统，其特征在于，信号采集测量机构包括载荷传感器、力值数据采集卡、旋转编码器、位移编码器；载荷传感器同轴安装在卡具上，实时、快速感受力的变化，力值数据采集卡以电路板的形势安装在工控机的相应通道的插槽内；位移传感器用金属封装，以法兰和螺钉的方式无缝安装在丝杠上，以电缆线与试验机主控电路板相连，旋转编码器安装在减速电机的末端；旋转编码器和位移编码器以通用通信方式与工控机相连，以各路信号分离的方式，经过不同的数据通道，集结在工控机和试验机的数据处理卡中，同步、快速、准确地处理视觉图像采集机构与信号采集机构所得数据。