基于電子散斑原理的毛坯內應力測量系統設計

張超，李建勛，蔡云芳

（1.上海交通大學 自動化系，上海200030;2.上海飛機制造有限公司，上海 200436）

0 引言

隨著科技的不斷發展，整體薄壁結構件在航空航天和民用工業中的應用越來越多。但是，由于整體結構件具有尺寸大、壁薄、剛性差、加工精度要求高等特點，使得它的廣泛應用對航空制造技術和工藝裝備提出了更高的要求，對傳統的切削加工工藝提出了新的挑戰［1］。航空整體結構件通常采用高強度變形鋁合金厚板通過銑削加工而成［2］，大型鋁合金預拉伸板和模鍛件是制造各種航空結構件的主要毛坯或半成品。在航空整體結構件的加工過程中，約90%以上的材料被去除掉［3］。隨著材料的不斷去除，鋁合金材料毛坯初始內力的釋放與重新分布將引起工件的加工變形。此外，毛坯內應力的存在還影響著材料的疲勞性能和動態使用性能。為了分析與預測毛坯初始殘余應力對加工變形的影響，在后續加工過程中對變形進行有效控制，就必須準確分析鋁合金厚板殘余內應力的分布規律。

1 內應力測量常用方法

測量內應力有數十種方法，傳統的測量方法主要可分為機械法和物理法兩大類。機械法主要包括:剝層法、取條法、切槽法和鉆孔法等。物理方法主要包括:X射線法、超聲法和磁測法等。鉆孔法又被稱為盲孔法或小孔法，現己成為一種比較成熟的測量工件殘余應力的方法。其基本思想是，在具有殘余應力的工件上鉆一個小孔，孔的臨域內由于部分應力釋放而產生相應的應變和位移，由此可計算得到鉆孔處的殘余應力值［4，5］。

經過多年發展，鉆孔法已成為一種理論完善、技術成熟的測量方法，是目前最通用的測量殘余應力的方法。但是隨著工業現代化的發展和自動化要求的提高，小孔法測量殘余應力也暴露出很多的問題。最主要的表現就是鉆孔法測量效率很低，鉆孔法測量過程中采用了應變片，需要貼片、焊線等，花費大量的時間。

2 電子散斑測量內應力的基本原理

當有一束激光照射到粗糙表面或者不均勻介質時，會在粗糙表面前方的空間內產生隨機分布的光強場，它所產生的雜亂的亮、暗斑點就稱之為散斑［6］。在有殘余應力的構件上面鉆一小孔，孔的周圍臨域內因為部分應力釋放會產生位移，即工件表面會產生面內位移。電子散斑干涉術可用于測量工件表面的面內位移。因此，若采用電子散斑干涉法來代替原有的貼片法能測量出殘余應力釋放后所產生的位移，經過換算得到鉆孔處原有的應力，就能夠計算出工件內部原有的殘余應力。

如圖1所示，兩束相干激光束A、B，以相同的入射角α在表面法線的兩側入射到粗糙的工件表面上。經工件表面散射的光由透鏡成像到CCD平面上，CCD把散斑圖像轉換為標準的視頻信號，再通過圖像采集卡采集到計算機，然后進行圖像處理以獲得條紋。若物體沿x方向的位移是Δx，沿y方向的位移是Δy，沿z方向的位移是Δz，那么變形前后A、B兩光束的光程差的改變分別為:

圖1 電子散斑干涉原理

因A、B相干光的光程差變化不同所引起的兩束光相對位相改變是:

由上式看出，因為A、B光束相對于yz平面是完全對稱的，z向或者y向平移引起光程的任何變化，相對于兩條光束來說都相等，所以，z向和y向的位移并不會引起光程差變化。只有物體沿x向產生面內位移Δx時，光程差才會變化。所以可通過分析散斑干涉條紋的變化情況來計算工件沿x向位移變化Δx。

其中當Δφ=2nπ時，會出現暗條紋，當Δφ=（2n+1）π時，會出現亮條紋。這樣就可根據散斑條紋圖像計算出內應力釋放后所產生的位移，經過換算得到鉆孔處原有的應力。

3 系統硬件設計

這種基于電子散斑干涉術的內應力測量系統的結構簡圖如圖2所示，主要是由正交光路系統、鉆孔系統、觸發系統、CCD圖像采集系統、軟件系統以及工控機等幾個部分組成。正交光路系統是由正交分布的兩路光路組成，分別用來測量正交兩個方向的位移變化。觸發系統即行程開關，圖像采集系統是由工業相機和圖像采集卡組成。光路系統、工業相機、觸發系統組成應力測量儀。軟件系統主要包括圖像處理和測量控制，可通過工控機與數據庫來實現。

圖2 內應力在線測量系統結構圖

系統工作原理:由計算機控制電子散斑的光路系統，產生相干光并在工件表面發生干涉，形成了散斑。試件在鉆孔前后的散斑圖樣由CCD采集，經圖像采集卡模數轉換后在計算機上顯示并存入內存，再經圖像處理軟件處理，可得到散斑干涉的條紋圖，可以根據條紋圖定性分析測試點的殘余應力，并定量計算此處殘余應力值，最后由各點處的殘余應力值來計算工件的內應力場分布。

4 系統軟件設計

本文是在VC6.0的平臺下，與MICROVIEW VER5.0開發包基礎上，用OpenCV開發庫進行圖像處理工作。

4.1 軟件工作流程

工業相機拍攝工件表面的散斑，拍得的圖像將經多路切換器、解碼器和A/D變換器，把數字化的圖像數據傳送到數據緩沖器，再經裁剪或者比例壓縮以及數據格式轉換，經內部RISC控制圖形覆蓋和數據傳送，數據傳送目標位置是由軟件確定的，可以是顯存，也可以是計算機的內存。由顯存將圖像顯示到顯示器上，存到計算機內存的同時對散斑圖像進行處理，并獲得相應數據。

在Microsoft Windows的操作系統中，由圖像采集卡通用標準接口可直接操作圖像卡，給用戶提供一個簡單明確的接口。通過調用庫函數來實現需要的功能。使用OpenCV中的圖像處理函數來對采集到的圖像進一步的處理與分析，整個軟件系統的工作流程見圖3。

圖3 圖像采集卡采集圖片的流程

4.2 軟件控制界面

圖4是該軟件系統的控制界面，該軟件在工作中有多條線程，其具體內容有:

1）散斑圖像顯示窗口

在打開散斑圖像采集和處理軟件之后，系統會控制相機拍照，顯示在窗口中，此線程從軟件開始運行時就已經開始，直到點擊退出按鈕后該線程結束。

圖4 測量系統圖像采集界面

2）獲取中心點

該按鈕功能是獲取電子散斑的干涉中心，以便于后續計算。試驗前，把光路系統中的膠合透鏡取掉，使兩束點激光源直接射在待測工件上，然后調整光路使兩激光點重合，再點擊‘獲取中心點’按鈕系統會計算重合光點中心，在圖像采集窗口用十字形標出。

3）設置采集區域

按下此按鈕時就會出現如圖4所示的選擇框，可根據顯示窗口中的顯示圖像選擇有用部分并進行存儲一旦裝置的位置固定好，相機拍攝到的圖像和實物就是一一對應的，因此可在程序開始前用此選擇框將相機所能拍到的圖像中的有用部分選中，該系統規定選擇框所選擇的點要關于散斑圖像中心對稱，所以系統會根據用戶的選擇進行自動調整。在后續采集和處理中，后臺只會處理選中部分的圖像，這樣做可以節省內存，以節約圖像處理時間。

4）設置存儲地址

按需要，選擇圖片的存儲位置。

5）連續采集

首先要進行初始設定，如采集時間間隔t與圖像相減間隔n。點下連續采集中的開始按鈕，開始按鈕就自動變為結束按鈕，見圖4。這時系統同時會有三個線程工作，一個是圖像持續采集并且在圖像采集窗口當中顯示;第二個是每隔采集時間間隔t，把采集到的圖片存入到內存;第三個是按照設定的相減間隔，把存入到內存的圖片實施相減運算，得到條紋圖，再彈出條紋圖顯示窗口如圖5所示，并且將條紋圖存入到初始設定的存儲路徑中。測量結束時，點擊結束按鈕，就會線程二三結束，但是線程一還在繼續。

6）單張采集

手動來采集鉆孔前后的兩張圖片，相減。要先后點擊采集第一張圖片與采集第二張圖片，并將采集到的兩張圖片存入到內存，點擊相減按鈕，系統就會將兩幅圖片的灰度值相減并且彈出條紋圖窗口如圖5所示。

圖5 條紋圖窗口

7）條紋處理

條紋采集在結束之后，就會對相減獲得的條紋圖處理，包括條紋去噪與條紋校正等。

5 內應力測量試驗

對工件施加單向載荷如圖6所示，采用虎鉗對工件的兩側施加載荷，并且在工件的兩側分別貼應變片，采用YB-10型靜態電阻應變儀測量加載的單方向的壓應力。單方向應力的特點是σ1=Eε，σ1=0，φ=0°，并且測量工件在加載前后的應變。假設施加載荷的應力為σ，則工件上各點處產生的應變相等且為:

設在離固定邊x處的位移為:

工件上的位移隨著x的變化表現為線性變化，所以測得的散斑條紋應為沿x軸的等間距條紋，且隨加載應力的變大條紋數量逐漸變多。

由式6可得:

因此得散斑亮條紋級數n和x坐標之間的關系為:

圖6 單向加載原理圖

擬對工件加載應力10MPa進行試驗，將此時產生的條紋圖校正后如圖7所示，從圖中可以看出條紋是近似等間距分布。

圖7 單向加載試驗圖

根據圖7所示，計算亮條紋級數n和x軸坐標之間的關系，得到圖8所示的n-x關系圖，曲線近似為線性分布。

由式（8）可得:

從圖8上取相應的點所對應的值代入式（9），能夠求出所加載的應力值。

再另取多點求它們平均值，從而計算出所加載的應力:σ測量值=10.51MPa;

圖8 條紋P沿x軸分布圖

然而由應變儀所測得的實際加載應力:σ實際值=9.92MPa;

6 結語

通過兩束對稱的激光束在試件的粗糙表面干涉形成散斑，由CCD拍攝散斑圖后，經一系列處理，得到反映位移的散斑條紋圖。利用該條紋圖可以定量地計算內應力值的大小。該測量系統具有簡單、體積小、易實現等優點。試驗結果表明，所述方法測得的內應力值與實際值基本吻合，證明了該方法的可行性，具有很大的工程應用價值。

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