雙光源昆蟲翼面三維掃描與力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于掃描與力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，具體涉及一種使用激光和白光雙光源的昆蟲翼面掃描與力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]昆蟲翼面的剛度和飛行過程中所受的氣動(dòng)力一直是人們感興趣的問題。直接測(cè)量真實(shí)昆蟲飛行中受到的氣動(dòng)力難度大，常見的做法是測(cè)量大比例昆蟲運(yùn)動(dòng)模型受到的氣動(dòng)力，由相似性原理求得真實(shí)翼面所受到的力。昆蟲翅膀?qū)儆诖笞冃紊锬そY(jié)構(gòu)材料，不能使用傳統(tǒng)的材料實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)量其剛度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的就是為了克服上述【背景技術(shù)】的不足，提供一種既可以掃描測(cè)量翼面三維形貌，又可以精確施加載荷進(jìn)行力學(xué)測(cè)量的系統(tǒng)。
[0004]本發(fā)明所涉及的雙光源昆蟲翼面三維掃描與力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，由光學(xué)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、外力加載系統(tǒng)和支撐結(jié)構(gòu)組成，其中:
[0005]光學(xué)系統(tǒng)包括線激光器、激光器支架、工業(yè)相機(jī)、相機(jī)支架、激光反射鏡、反射鏡底板、鏡頭和同軸光源，其特征在于，相機(jī)和同軸光源及鏡頭相連，相機(jī)安裝在相機(jī)支架上，激光器架在激光器支架之上，激光反射鏡有兩塊，一塊以30-60°的角度安裝在激光器支架內(nèi)部，另一塊以30-60°的角度安裝在反射鏡底板上；
[0006]運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括直線電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、直線電機(jī)座、旋轉(zhuǎn)電機(jī)座、滑塊、滑臺(tái)、操作臺(tái)底板、夾頭和蓋板，其特征在于，滑臺(tái)固定在主底板上，蓋板固頂在滑臺(tái)上，滑塊與操作臺(tái)底板相固定并安裝在滑臺(tái)軌道上，直線電機(jī)通過直線電機(jī)座與操作臺(tái)底板相連，旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)座與操作臺(tái)底板相固定，夾頭固定在旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸上；
[0007]外力加載系統(tǒng)包括力探針和探針座，其特征在于，探針固定于探針座上，探針做安裝在操作臺(tái)底板上并隨操作臺(tái)底板運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)；
[0008]支撐結(jié)構(gòu)包括主底板和外殼，其特征在于，主底板和外殼通過螺絲和連接塊相固定。
[0009]本發(fā)明所述的雙光源昆蟲翼面三維掃描與力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，使用白光/激光雙光源對(duì)翼面進(jìn)行掃描。其中，白光選用同軸光源，激光選用波長(zhǎng)為405±10mm的紫色線激光。
[0010]本發(fā)明所述的雙光源昆蟲翼面三維掃描與力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，激光器發(fā)出線激光，經(jīng)激光反射板反射，以30-60°的角度投射在待測(cè)翼面上，在翼面表面呈現(xiàn)出一光條，該光條由另一塊激光反射板以30-60°的角度反射到鏡頭和相機(jī)上并為之接收。
[0011]本發(fā)明所述的雙光源昆蟲翼面三維掃描與力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，利用白光/激光雙光源雙光源掃描翼面，利用力探針對(duì)翼面施加載荷，可以同時(shí)得到翼面的形狀和剛度。
[0012]本發(fā)明的雙光源三維掃描與力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，既可以掃描測(cè)量翼面三維形貌，又可以精確施加載荷進(jìn)行力學(xué)測(cè)量。為實(shí)現(xiàn)掃描測(cè)量翼面三維形貌的功能，線激光器投射一個(gè)很窄的激光平面到待測(cè)翼面上，該激光平面與翼面表面相交，在物體表面上呈現(xiàn)出一條明亮的激光光條。光條受到被測(cè)物體表面深度變化和可能存在的間斷的影響，會(huì)有明顯的變形或間斷。光條的變形程度取決于物體表面形狀(高度)和相機(jī)與激光投射器之間的相對(duì)位置。一般來說，光條的變形與被測(cè)物體表面凹凸高度成比例，其中不連續(xù)反映了物體表面的物理間隙，扭曲反映了平面的變化。工業(yè)相機(jī)拍攝圖像，攝取這些畸變條紋信息和特征點(diǎn)，通過圖像處理得到需要的二維信息，根據(jù)光學(xué)三角法測(cè)量原理和攝像機(jī)的標(biāo)定參數(shù)，就可計(jì)算出對(duì)應(yīng)二維信息的三維形貌。為實(shí)現(xiàn)力學(xué)測(cè)量的功能，本系統(tǒng)首先掃描得到加載前翼面的三維形貌，之后，力探針精確地對(duì)翼面施加集中載荷，在經(jīng)過掃描得到加載后翼面的三維形貌。由加載前后的翼面形貌對(duì)比，可得到翼面的變形情況。由集中載荷的大小和施加位置以及翼面變形，可以得到翼面的剛度分布。
[0013]本發(fā)明的雙光源昆蟲翼面三維掃描與力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了線激光/白光雙光源掃描，掃描速度快，可以精確地得到昆蟲翼面三維形貌；可以完成精確的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，并能測(cè)量昆蟲翼面的剛度分布；本發(fā)明可以同時(shí)對(duì)試件進(jìn)行形狀掃描和力學(xué)實(shí)驗(yàn)，且精度高，易操控，因此可以廣泛應(yīng)用于仿生飛行器的開發(fā)和大變形材料剛度的測(cè)量。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明裝配圖，重點(diǎn)展示其光學(xué)系統(tǒng)。
[0015]其中:1，線激光器；2，激光器支架；3，反射板支架；4，鏡頭支架；5，鏡頭支架底板；6，鏡頭；7，相機(jī)底座；8，工業(yè)相機(jī)；9，相機(jī)支架；10，千分尺螺桿；11，同軸光源。
[0016]圖2為本發(fā)明裝配圖，重點(diǎn)展示其運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。
[0017]其中:12，旋轉(zhuǎn)電機(jī)；13，電機(jī)座；14，直線電機(jī)；15，力探針座；16，操作臺(tái)底板；17，滑塊；18，滑臺(tái)基座；19，蓋板；20，夾頭；21，主底板；22，鏡片壓板；23，激光反射板。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面通過實(shí)例和附圖進(jìn)一步說明
[0019]本發(fā)明的雙光源的昆蟲翼面掃描與力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。
[0020]實(shí)例一，本實(shí)施例為激光掃描待測(cè)翼面的過程
[0021]1)，固定試件；將待測(cè)翼面粘貼在一根筆直的金屬棒上，用旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸上的夾頭20將金屬棒夾緊；
[0022]2)，掃描翼面的一面；啟動(dòng)程序，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)一拍照一運(yùn)動(dòng)的掃描功能，直至掃完翅膀的一面；具體執(zhí)行過程為，線激光器1發(fā)出激光打在待測(cè)翼面上，系統(tǒng)施加給直線電機(jī)14脈沖以控制其運(yùn)動(dòng)，每秒平均施加100個(gè)脈沖，直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)0.01mm,工業(yè)相機(jī)8拍攝一次試樣形狀；在一秒鐘內(nèi)，脈沖施加的速度，由零開始以恒定的加速度地增加到某個(gè)值，之后保持勻速，爾后定加速度地減至零，直線電機(jī)控制系統(tǒng)收到脈沖，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)；由于電機(jī)屬于機(jī)械元件，在時(shí)間響應(yīng)上存在慣性引起的滯后，故而在每個(gè)運(yùn)動(dòng)信號(hào)輸入后，電機(jī)控制系統(tǒng)停止后，預(yù)留出一定的時(shí)間，使得電機(jī)可以達(dá)到靜止；此時(shí)，工業(yè)相機(jī)8拍攝翼面在線激光照射下的形貌圖片；
[0023]3)翻轉(zhuǎn)翼面；拍完一面之后，通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)19控制翼面繞旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸線旋轉(zhuǎn)180。；
[0024]4)掃描翼面另一面；其過程與掃描翼面的一面的過程相同。
[0025]實(shí)例二白光掃描待測(cè)翼面過程
[0026]I)固定試件；將待測(cè)翼面粘貼在一根筆直的金屬棒上，用旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸上的夾頭20將金屬棒夾緊；
[0027]2)掃描翼面的一面；啟動(dòng)程序，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)一拍照一運(yùn)動(dòng)的掃描功能，直至掃完翅膀的一面；具體執(zhí)行過程為，同軸光源11發(fā)出白光打在待測(cè)翼面上，系統(tǒng)施加給直線電機(jī)14脈沖以控制其運(yùn)動(dòng)，每秒平均施加100個(gè)脈沖，直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)0.0lmm,工業(yè)相機(jī)8拍攝一次試樣形狀；在一秒鐘內(nèi)，脈沖施加的速度，由零開始以恒定的加速度地增加到某個(gè)值，之后保持勻速，爾后定加速度地減至零，直線電機(jī)控制系統(tǒng)收到脈沖，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)；由于電機(jī)屬于機(jī)械元件，在時(shí)間響應(yīng)上存在慣性引起的滯后，故而在每個(gè)運(yùn)動(dòng)信號(hào)輸入后，電機(jī)控制系統(tǒng)停止后，預(yù)留出一定的時(shí)間，使得電機(jī)可以達(dá)到靜止；此時(shí)，工業(yè)相機(jī)8拍攝翼面在白光照射下的形貌圖片；
[0028]3)翻轉(zhuǎn)翼面；拍完一面之后，通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)19控制翼面繞旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸線旋轉(zhuǎn)180。；
[0029]4)掃描翼面另一面；其過程與掃描翼面的一面的過程相同。
[0030]實(shí)例三，激光-白光掃描過程
[0031]I)固定試件；將待測(cè)翼面粘貼在一根筆直的金屬棒上，用旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸上的夾頭20將金屬棒夾緊；
[0032]2)掃描翼面的一面；啟動(dòng)程序，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)一拍照一運(yùn)動(dòng)的掃描功能，直至掃完翅膀的一面；具體執(zhí)行過程為，線激光器I和同軸光源11分別發(fā)出激光和白光打在待測(cè)翼面上，系統(tǒng)施加給直線電機(jī)14脈沖以控制其運(yùn)動(dòng)，每秒平均施加100個(gè)脈沖，直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)0.01_，工業(yè)相機(jī)8拍攝一次試樣形狀；在一秒鐘內(nèi)，脈沖施加的速度，由零開始以恒定的加速度地增加到某個(gè)值，之后保持勻速，爾后定加速度地減至零，直線電機(jī)控制系統(tǒng)收到脈沖，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)；由于電機(jī)屬于機(jī)械元件，在時(shí)間響應(yīng)上存在慣性引起的滯后，故而在每個(gè)運(yùn)動(dòng)信號(hào)輸入后，電機(jī)控制系統(tǒng)停止后，預(yù)留出一定的時(shí)間，使得電機(jī)可以達(dá)到靜止；此時(shí)，工業(yè)相機(jī)8拍攝翼面在線激光和白光照射下的形貌圖片；
[0033]3)翻轉(zhuǎn)翼面；拍完一面之后，通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)19控制翼面繞旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸線旋轉(zhuǎn)180。；
[0034]4)掃描翼面另一面；其過程與掃描翼面的一面的過程相同；
[0035]4)拼接照片；通過同軸白光，拼接照片，得到翼面正反兩面完整的形貌圖。
[0036]實(shí)例四，剛度測(cè)量
[0037]I)夾持試件；將待測(cè)翼面一端粘貼在一根筆直的金屬棒上，用旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸上的夾頭20將金屬棒夾緊；
[0038]2)掃描加載前的翼面；啟動(dòng)程序，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)一拍照一運(yùn)動(dòng)的掃描功能，直至掃完翅膀的一面，得到加載前的翼面形貌圖；
[0039]3)施加載荷；力探針在翼面上某處施加一定的集中力，并在施加后保持同翼面的位置關(guān)系不變；
[0040]4)掃描加載后的翼面；啟動(dòng)程序，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)一拍照一運(yùn)動(dòng)的掃描功能，直至掃完翅膀的一面，得到加載后的翼面形貌圖；對(duì)比兩張形貌圖，可以得到翼面的撓度；由翼面受載大小、受載位置和撓度分布，可以得到翼面的剛度分布。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.雙光源昆蟲翼面三維掃描與力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，由光學(xué)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、外力加載系統(tǒng)和支撐結(jié)構(gòu)組成，其特征在于: 所述光學(xué)系統(tǒng)包括線激光器、激光器支架、工業(yè)相機(jī)、相機(jī)支架、激光反射鏡、反射鏡底板、鏡頭和同軸光源，工業(yè)相機(jī)和同軸光源與鏡頭相連，相機(jī)安裝在相機(jī)支架上，激光器架在激光器支架之上，激光反射鏡有兩塊，一塊以30-60°的角度安裝在激光器支架內(nèi)部，另一塊以30-60°的角度安裝在反射鏡底板上； 所述運(yùn)動(dòng)系包括直線電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、直線電機(jī)座、旋轉(zhuǎn)電機(jī)座、滑塊、滑臺(tái)、操作臺(tái)底板、夾頭和蓋板，滑臺(tái)固定在主底板上，蓋板固頂在滑臺(tái)上，滑塊與操作臺(tái)底板相固定并安裝在滑臺(tái)軌道上，直線電機(jī)通過直線電機(jī)座與操作臺(tái)底板相連，旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)座與操作臺(tái)底板相固定，夾頭固定在旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸上； 所述外力加載系統(tǒng)包括力探針和探針座，探針固定于探針座上，探針做安裝在操作臺(tái)底板上并隨操作臺(tái)底板運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)； 所述支撐結(jié)構(gòu)包括主底板和外殼，主底板和外殼通過螺絲和連接塊相固定。
【專利摘要】雙光源昆蟲翼面三維掃描與力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，由光學(xué)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、外力加載系統(tǒng)和支撐結(jié)構(gòu)組成，光學(xué)系統(tǒng)包括線激光器、激光器支架、工業(yè)相機(jī)、相機(jī)支架、激光反射鏡、反射鏡底板、鏡頭和同軸光源；運(yùn)動(dòng)系包括直線電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、直線電機(jī)座、旋轉(zhuǎn)電機(jī)座、滑塊、滑臺(tái)、操作臺(tái)底板、夾頭和蓋板，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了線激光/白光雙光源掃描，掃描速度快，可以精確地得到昆蟲翼面三維形貌；可以完成精確的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，并能測(cè)量昆蟲翼面的剛度分布；本發(fā)明可以同時(shí)對(duì)試件進(jìn)行形狀掃描和力學(xué)實(shí)驗(yàn)，且精度高，易操控，因此可以廣泛應(yīng)用于仿生飛行器的開發(fā)和大變形材料剛度的測(cè)量。
【IPC分類】G01M5/00, G01B11/25
【公開號(hào)】CN105300318
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510759995
【發(fā)明人】魏榛, 尹鐸
【申請(qǐng)人】重慶大學(xué)
【公開日】2016年2月3日
【申請(qǐng)日】2015年11月10日