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CN117067795A - 一种样品表面散斑制作装置及方法 - Google Patents

一种样品表面散斑制作装置及方法 Download PDF

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CN117067795A
CN117067795A CN202311030372.4A CN202311030372A CN117067795A CN 117067795 A CN117067795 A CN 117067795A CN 202311030372 A CN202311030372 A CN 202311030372A CN 117067795 A CN117067795 A CN 117067795A
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CN
China
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speckle
motor
dotting
guide rail
speckles
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Application number
CN202311030372.4A
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李俊
肖正航
刘郡
易达云
徐震
曹龙飞
汪灿
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China Railway Construction Heavy Industry Group Co Ltd
Original Assignee
China Railway Construction Heavy Industry Group Co Ltd
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Abstract

本发明属于光学技术领域，尤其涉及一种样品表面散斑制作装置及方法。该方法中单片机控制系统将最终散斑图案转化的信号传输到两个第一电机、第二电机和第三电机中；控制X、Y、Z向的行走轨迹，形成散斑。该装置中横向滑台两端分别与两个竖向滑台连接，打点机可滑动连接于横向滑台，打点机包括打点笔；两个竖向滑台上的第一电机，横向滑台上的第二电机，打点机的第三电机均与单片机控制系统电连接。由此，本发明通过单片机控制系统将生成的散斑图案转化为控制X、Y、Z三个方向运动的控制信号，来适应在不同大小样品上进行打点制作散斑。同时，因为散斑为打点方式制作，所以可以适应不同场景，不同尺寸下的动态测量。

Description

一种样品表面散斑制作装置及方法
技术领域
本发明属于光学技术领域，尤其涉及一种样品表面散斑制作装置及方法。
背景技术
数字图像相关法(DIC)为双目立体视觉系统与DIC技术相结合的一种三维、全场、无接触测量任何材料物体轮廓、位移、振动和应变的光学测量系统，被用于三维空间的位移和应变测量方法中，包括拉伸、扭转、弯曲和复合加载的静动态应用。测量时，将一种称为散斑图案的随机图案应用到测量目标的表面,通过分析和计算变形前后的图像来测量应变/位移,并进行可视化来观察表面和立体方向的变形。由于数字图像相关法(DIC)计算依据是试样表面散斑的位移，因此被测物体表面的散斑质量直接影响测量分析的精度。目前，常用的散斑制作方法有喷漆、漏板喷涂、滚刷、制作转印贴贴到试件表面。
喷漆虽然快速方便，但只适用于小尺寸样品，而且制作出来的散斑图案质量不佳。不同散斑大小的滚刷、漏板喷涂虽可以适应于不同尺寸大小的样品，但是本质制作出来的散斑图案是具备重复性。转印贴则是采用在软件系统提供的散斑生成工具中输入试件尺寸或相机的参数自动生成的标准散斑图样，这种方式制作的散斑质量是最理想的，但是转印贴胶合的方式不适应于高温应用场景，在高温实验过程中，易发生本身材质的变形以及出现脱落的情况。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种样品表面散斑制作装置及方法，从而解决了适用样品尺寸有限，适用应用场景有限且无法保证散斑图案质量的技术问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一方面，本发明提供了一种样品表面散斑制作方法，包括如下步骤：
S1：设定散斑图尺寸，根据散斑图尺寸设定散斑的散斑直径、散斑密排度和散斑数量；
S2：在MATLAB中输入散斑图尺寸、散斑直径、散斑数量和散斑密排度，创建全0矩阵、构建随机矩阵，生成初始散斑图案；
S3：对每个散斑添加随机位移Δ＝(Δx，Δy)，在MATLAB中输入随机位移Δ，初始散斑图案经过变化后生成最终散斑图案；
S4：样品表面散斑制作装置中的单片机控制系统将最终散斑图案转化的信号传输到两个第一电机、第二电机和第三电机中；
S5：两个第一电机控制两个竖向滑台实现打点机Y向的行走轨迹，第二电机控制横向滑台实现打点机X向的行走轨迹，当需要在样品表面生产散斑时，第三电机控制伸缩杆带动打点笔做Z向上下打点运动在样品表面形成散斑。
进一步，S2中在MATLAB中输入公式：散斑图案由位置随机的散斑基元φ(x,y)构成，函数f(x,y)表征散斑图案中散斑基元的分布，向量(xij，yij)表示第i行第j列散斑的中心位置，散斑的总数为N2。
进一步，S3中的随机变量Δx和Δy满足区间上的均值分布，参量δ为散斑的偏移度。
进一步，散斑为高斯散斑，满足r为高斯散斑的半径。
另一方面，本发明还提供了一种样品表面散斑制作装置，包括两个竖向滑台、横向滑台、打点机和单片机控制系统，两个竖向滑台两端对齐，并排位于同一水平面上，横向滑台两端分别与两个竖向滑台连接，打点机可滑动连接于横向滑台，打点机包括打点笔；两个竖向滑台均包括第一电机，横向滑台上包括第二电机，打点机包括第三电机；第一电机、第二电机和第三电机均与单片机控制系统电连接，单片机控制系统将生成的散斑图案转化为控制第一电机驱动打点机随着横向滑台在两个竖向滑台上滑动实现Y向运动的控制信号、第二电机驱动打点机在横向滑台上滑动实现X向运动的控制信号和第三电机驱动打点笔做Z向上下打点运动的控制信号。
进一步，竖向滑台包括第一导轨，第一导轨上固定有第一联轴器，竖向滑台两端均设置有第一挡板，第一电机固定于其中一个第一挡板外侧，第一电机的输出端穿设于第一挡板与第一挡板内侧的第一联轴器连接，第一联轴器与另一个第一挡板之间固定有第一丝杆，第一丝杆上穿设有第一滑块，第一滑块与第一导轨配合，第一滑块能够在第一导轨上滑动；第一电机驱动第一丝杆旋转以带动第一滑块在第一导轨上滑动；两个竖向滑台的第一滑块同步运动。
进一步，横向滑台包括第二导轨，第二导轨上固定有第二联轴器，横向滑台两端均设置有弯挡板,第二电机固定于其中一个弯挡板外侧，第二电机的输出端穿设于弯挡板与弯挡板内侧的第二联轴器连接，第二联轴器与另一个弯挡板之间固定有第二丝杆，第二丝杆上穿设有第二滑块，第二滑块与第二导轨配合，第二滑块能够在第二导轨上滑动；第二电机驱动第二丝杆旋转以带动第二滑块在第二导轨上滑动而实现在X方向的运动；两个弯挡板分别与两个第一滑块固定使横向滑台架设于两个竖向滑台之间，横向滑台能够随着两个第一滑块在第一导轨上滑动而实现在Y方向的运动。
进一步，第二导轨下表面开设有燕尾槽，第二滑块与燕尾槽配合处设置有适配的形状使第二滑块与第二导轨卡合。
进一步，第一导轨和第二导轨是可伸缩的。
进一步，打点机下端包括伸缩杆，打点笔通过固定卡扣固定在伸缩杆上，伸缩杆上连接有传动箱，第三电机连接于传动箱，传动箱改变第三电机运动输出方向驱动伸缩杆带动打点笔上下运动以实现Z方向的运动。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
本发明提供的一种样品表面散斑制作装置，设置了控制打点机Y向运动的竖向滑台、控制打点机X向运动的横向滑台、自身能够Z向运动的打点机和单片机控制系统。通过单片机控制系统将生成的散斑图案转化为控制X、Y、Z三个方向运动的控制信号，来适应在不同大小样品上进行打点制作散斑，实现自动化控制。同时，因为散斑为打点方式制作，所以可以适应不同场景，不同尺寸下的动态测量，且更为环保。
本发明提供的一种样品表面散斑制作方法，通过在MATLAB中输入散斑的各种参数自动生成高质量的散斑图案，再通过单片机控制系统将输出的散斑图案转化为控制样品表面散斑制作装置在样品表面的行走轨迹、打点的动作，从而在样品表面制作出高质量的散斑图案。而且仅需要改变输入参数，就可以改变行走轨迹，过程全自动化。满足高对比性、随机性、各向异性、稳定性，符合了高质量的散斑的制作要求。
附图说明
图1为样品表面散斑制作装置的结构示意图；
图2为竖向滑台的结构示意图；
图3为横向滑台的结构示意图；
图4为第二导轨的结构示意图；
图5为打点机的结构示意图；
图6为散斑图示意图。
【附图标记说明】
1：竖向滑台；11：第一导轨；12：第一联轴器；13：第一挡板；14：第一电机；15：第一丝杆；16：第一滑块；
2：横向滑台；21：第二导轨；211：燕尾槽；22：第二联轴器；23：弯挡板；24：第二电机；25：第二丝杆；26：第二滑块；
3：打点机；31：打点笔；32：固定卡扣；33：伸缩杆；34：传动箱；35：第三电机；
4：散斑图；41：散斑。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1-6所示，本发明提供一种样品表面散斑制作装置及方法，其中，样品表面散斑制作方法首先在软件系统提供的散斑生成工具中输入样品表面尺寸以及相机的参数，样品表面尺寸即散斑图4尺寸，软件系统就会自动生成标准散斑图样。其次，电控系统通过电线与样品表面散斑制作装置相连，控制样品表面散斑制作装置在样品表面形成散斑41。
具体包括如下步骤：
S1：设定散斑图4尺寸，根据散斑图4尺寸设定散斑41的散斑直径、散斑密排度和散斑数量；
S2：在MATLAB中输入散斑图4尺寸、散斑直径、散斑数量和散斑密排度，创建全0矩阵、构建随机矩阵，生成初始散斑图案(图6中虚线散斑)；
S3：对每个散斑41添加随机位移Δ＝(Δx，Δy)，在MATLAB中输入随机位移Δ，初始散斑图案经过变化后生成最终散斑图案(图6中实线散斑)，以满足散斑41的随机性、各向同性。
S4：样品表面散斑制作装置中的单片机控制系统将最终散斑图案转化的信号传输到两个第一电机14、第二电机24和第三电机35中；
S5：两个第一电机14控制两个竖向滑台1实现打点机3的Y向的行走轨迹，第二电机24控制横向滑台2实现打点机3的X向的行走轨迹，当需要在样品表面生产散斑41时，第三电机14控制伸缩杆33带动打点笔31做Z向上下打点运动在样品表面形成散斑41。
其中，S2中在MATLAB中输入公式：散斑图案由位置随机的散斑基元φ(x,y)构成，函数f(x,y)表征散斑图案中散斑基元的分布，向量(xij，yij)表示第i行第j列散斑41的中心位置，散斑41的总数为N2。S3中的随机变量Δx和Δy满足区间/>上的均值分布，参量δ为散斑41的偏移度。由于添加的随机位移完全随机，所以即使散斑41生成参数完全相同，每次生成的散斑图案也不同，这就是散斑41固有的随机性。在本实施例中，采用高斯散斑来描述散斑基元的形式，则散斑41需满足其中r为高斯散斑的半径。
样品表面散斑制作装置，如图1、图2所示，包括两个竖向滑台1、横向滑台2、打点机3和单片机控制系统。两个竖向滑台1两端对齐，并排位于同一水平面上，横向滑台2两端分别与两个竖向滑台1连接，横向滑台2在竖向滑台1上滑动实现在Y方向的运动。打点机3可滑动连接于横向滑台2，打点机3在横向滑台2上滑动实现在X方向的运动。打点机3包括打点笔31，打点笔31在打点机3上做上下打点的Z向运动。
具体地，竖向滑台1包括第一导轨11，第一导轨11上固定有第一联轴器12，竖向滑台1两端均设置有第一挡板13，其中一个第一挡板13外侧固定有第一电机14，第一电机14的输出端穿设于第一挡板13与第一挡板13内侧的第一联轴器12连接，第一联轴器12与另一个第一挡板13之间固定有第一丝杆15，第一丝杆15上穿设有第一滑块16，第一滑块16与第一导轨11配合，第一滑块16能够在第一导轨11上滑动。其中，第一导轨11是可伸缩的，可以依据样品表面的尺寸调节。第一电机14驱动第一丝杆15旋转以带动第一滑块16在第一导轨11上滑动。两个竖向滑台1的第一滑块16同步运动。
如图1、图3所示，横向滑台2包括第二导轨21，第二导轨21上固定有第二联轴器22，横向滑台2两端均设置有弯挡板23,其中一个弯挡板23外侧固定有第二电机24。其中，第二导轨21跟第一导轨11一样，是可伸缩的，可以依据样品表面的尺寸变化。第二电机24的输出端穿设于弯挡板23与弯挡板23内侧的第二联轴器22连接，第二联轴器22与另一个弯挡板23之间固定有第二丝杆25，第二丝杆25上穿设有第二滑块26，第二滑块26与第二导轨21配合，第二滑块26能够在第二导轨21上滑动。第二电机24驱动第二丝杆25旋转以带动第二滑块26在第二导轨21上滑动而实现在X方向的运动。两个弯挡板23分别与两个第一滑块16固定使横向滑台2架设于两个竖向滑台1之间，横向滑台2能够随着两个第一滑块16在第一导轨11上滑动而实现在Y方向的运动。
与第一滑块16不同的是，第二滑块26的行走面朝上，为了使得第二滑块26的重力不压在第二丝杆25上，如图4所示，在第二导轨21下表面开设有燕尾槽211，第二滑块26与燕尾槽211配合处设置有适配的形状使第二滑块26与第二导轨21卡合。这样，第二滑块26的重力由第二导轨21承担，并在第二丝杆25的作用下，顺畅滑动。
如图1、图5所示，打点机3下端包括伸缩杆33，打点笔31通过固定卡扣32固定在伸缩杆33上，伸缩杆33上连接有传动箱34，传动箱34上连接有第三电机35，传动箱34改变第三电机35运动输出方向驱动伸缩杆33带动打点笔31上下运动以实现Z方向的运动。
第一电机14、第二电机24和第三电机35均与单片机控制系统电连接，单片机控制系统将生成的散斑图案转化为控制第一电机14驱动打点机3随着横向滑台2在两个竖向滑台1上滑动实现Y向运动的控制信号、第二电机24驱动打点机3在横向滑台2上滑动实现X向运动的控制信号和第三电机35驱动打点笔31做Z向上下打点运动的控制信号，通过单片机控制系统控制打点机3的运动轨迹，从而实现在样品表面任意目标位置制作理想散斑。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种样品表面散斑制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：设定散斑图(4)尺寸，根据所述散斑图(4)尺寸设定散斑(41)的散斑直径、散斑密排度和散斑数量；
S2：在MATLAB中输入散斑图(4)尺寸、散斑直径、散斑数量和散斑密排度，创建全0矩阵、构建随机矩阵，生成初始散斑图案；
S3：对每个所述散斑(41)添加随机位移Δ＝(Δx，Δy)，在MATLAB中输入随机位移Δ，所述初始散斑图案经过变化后生成最终散斑图案；
S4：样品表面散斑制作装置中的单片机控制系统将所述最终散斑图案转化的信号传输到两个第一电机(14)、第二电机(24)和第三电机(35)中；
S5：两个所述第一电机(14)控制两个竖向滑台(1)实现打点机(3)Y向的行走轨迹，所述第二电机(24)控制横向滑台(2)实现打点机(3)X向的行走轨迹，当需要在样品表面生产散斑(41)时，所述第三电机(14)控制伸缩杆(33)带动打点笔(31)做Z向上下打点运动在样品表面形成散斑(41)。
2.根据权利要求1所述的样品表面散斑制作方法，其特征在于，S2中在MATLAB中输入公式：
所述散斑图案由位置随机的散斑基元φ(x,y)构成，函数f(x,y)表征所述散斑图案中散斑基元的分布，向量(xij，yij)表示第i行第j列所述散斑(41)的中心位置，所述散斑(41)的总数为N2。
3.根据权利要求1所述的样品表面散斑制作方法，其特征在于，S3中的随机变量Δx和Δy满足区间上的均值分布，参量δ为散斑(41)的偏移度。
4.根据权利要求1所述的样品表面散斑制作方法，其特征在于，所述散斑(41)为高斯散斑，满足
r为所述高斯散斑的半径。
5.一种用于权利要求1-4中任一项的样品表面散斑制作方法的样品表面散斑制作装置，其特征在于，包括两个竖向滑台(1)、横向滑台(2)、打点机(3)和单片机控制系统，两个所述竖向滑台(1)两端对齐，并排位于同一水平面上，所述横向滑台(2)两端分别与两个所述竖向滑台(1)连接，所述打点机(3)可滑动连接于所述横向滑台(2)，所述打点机(3)包括打点笔(31)；
两个所述竖向滑台(1)均包括第一电机(14)，所述横向滑台(2)上包括第二电机(24)，所述打点机(3)包括第三电机(35)；
所述第一电机(14)、所述第二电机(24)和所述第三电机(35)均与所述单片机控制系统电连接，所述单片机控制系统将生成的散斑图案转化为控制所述第一电机(14)驱动所述打点机(3)随着所述横向滑台(2)在两个所述竖向滑台(1)上滑动实现Y向运动的控制信号、所述第二电机(24)驱动所述打点机(3)在所述横向滑台(2)上滑动实现X向运动的控制信号和所述第三电机(35)驱动所述打点笔(31)做Z向上下打点运动的控制信号。
6.根据权利要求5所述的样品表面散斑制作装置，其特征在于，所述竖向滑台(1)包括第一导轨(11)，所述第一导轨(11)上固定有第一联轴器(12)，所述竖向滑台(1)两端均设置有第一挡板(13)，所述第一电机(14)固定于其中一个所述第一挡板(13)外侧，所述第一电机(14)的输出端穿设于所述第一挡板(13)与所述第一挡板(13)内侧的所述第一联轴器(12)连接，所述第一联轴器(12)与另一个所述第一挡板(13)之间固定有第一丝杆(15)，所述第一丝杆(15)上穿设有第一滑块(16)，所述第一滑块(16)与所述第一导轨(11)配合，所述第一滑块(16)能够在所述第一导轨(11)上滑动；
所述第一电机(14)驱动所述第一丝杆(15)旋转以带动所述第一滑块(16)在所述第一导轨(11)上滑动；
两个所述竖向滑台(1)的所述第一滑块(16)同步运动。
7.根据权利要求6所述的样品表面散斑制作装置，其特征在于，所述横向滑台(2)包括第二导轨(21)，所述第二导轨(21)上固定有第二联轴器(22)，所述横向滑台(2)两端均设置有弯挡板(23),所述第二电机(24)固定于其中一个所述弯挡板(23)外侧，所述第二电机(24)的输出端穿设于所述弯挡板(23)与所述弯挡板(23)内侧的所述第二联轴器(22)连接，所述第二联轴器(22)与另一个所述弯挡板(23)之间固定有第二丝杆(25)，所述第二丝杆(25)上穿设有第二滑块(26)，所述第二滑块(26)与所述第二导轨(21)配合，所述第二滑块(26)能够在所述第二导轨(21)上滑动；
所述第二电机(24)驱动所述第二丝杆(25)旋转以带动所述第二滑块(26)在所述第二导轨(21)上滑动而实现在X方向的运动；
两个所述弯挡板(23)分别与两个所述第一滑块(16)固定使所述横向滑台(2)架设于两个所述竖向滑台(1)之间，所述横向滑台(2)能够随着两个所述第一滑块(16)在所述第一导轨(11)上滑动而实现在Y方向的运动。
8.根据权利要求7所述的样品表面散斑制作装置，其特征在于，所述第二导轨(21)下表面开设有燕尾槽(211)，所述第二滑块(26)与所述燕尾槽(211)配合处设置有适配的形状使所述第二滑块(26)与所述第二导轨(21)卡合。
9.根据权利要求7所述的样品表面散斑制作装置，其特征在于，所述第一导轨(11)和所述第二导轨(21)是可伸缩的。
10.根据权利要求7所述的样品表面散斑制作装置，其特征在于，所述打点机(3)下端包括伸缩杆(33)，所述打点笔(31)通过固定卡扣(32)固定在所述伸缩杆(33)上，所述伸缩杆(33)上连接有传动箱(34)，所述第三电机(35)连接于所述传动箱(34)，所述传动箱(34)改变所述第三电机(35)运动输出方向驱动所述伸缩杆(33)带动所述打点笔(31)上下运动以实现Z方向的运动。
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