亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        基于雙全站儀的中子譜儀樣品臺位姿標(biāo)定方法

        2019-09-20 00:39:22李群明韓志強(qiáng)張緒燁
        測控技術(shù) 2019年5期
        關(guān)鍵詞:測量點(diǎn)中子全站儀

        李群明,2,3, 韓志強(qiáng), 張緒燁

        (1.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,湖南 長沙 410083; 2.中南大學(xué) 輕合金研究院,湖南 長沙 410083;3.中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410083)

        殘余應(yīng)力是影響材料和構(gòu)件疲勞強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)剛度、抵抗應(yīng)力腐蝕等性能的重要因素,因此研究復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下的工程部件材料的工作狀態(tài)和使用壽命具有重要的意義。殘余應(yīng)力的測量分為有損測量和無損測量兩類主要方法[1]。有損測量主要包括鉆孔法[2]、環(huán)芯法[3]等。無損測量法即物理檢測法,主要有X射線法[4-5]、中子衍射法[6]、超聲法[7]和磁性法[8]等。其對被測件無損害,但是成本較高、所需設(shè)備昂貴,其中X射線法和超聲法發(fā)展較為成熟,而中子衍射法是近30年來新興的一種無損探測方法。中子具有以下優(yōu)點(diǎn):對輕原子敏感,便于對輕原子辨識;具有寬廣的波長范圍和能量范圍;能區(qū)分同位素;具有強(qiáng)穿透性,可探測材料深度應(yīng)力場;擁有非破壞性和磁散射性;高動量轉(zhuǎn)移的散射強(qiáng)度明顯;成本相對較低。中子這些優(yōu)點(diǎn)使得中子散射技術(shù)能夠完成其他常規(guī)手段難以實(shí)現(xiàn)的表征工作,在材料及關(guān)鍵工程部件的殘余應(yīng)力測量、織構(gòu)測量、相分析以及中子照相成像分析等領(lǐng)域發(fā)揮了不可替代的作用,而且相比其他方法操作更為簡便,由此可見中子衍射法比傳統(tǒng)的測量方法優(yōu)勢明顯。我國在該領(lǐng)域還比較薄弱,因此迫切需要建造一臺以材料及深部應(yīng)力場無損檢測為主的中子譜儀,而標(biāo)定是實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力測量的重要一環(huán),本文將對中子譜儀樣品臺位姿標(biāo)定方法展開研究。圖1為中子譜儀樣品臺殘余應(yīng)力測量系統(tǒng),中子殘余應(yīng)力測量是根據(jù)布拉格衍射原理[9]實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜樣品進(jìn)行無損測量,具有非破壞性、穿透能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。樣品臺功能是實(shí)現(xiàn)兩個對齊,即把樣品上待測量點(diǎn)與衍射點(diǎn)對齊,待測量矢量與Q散射矢量的對齊,從而進(jìn)行中子殘余應(yīng)力測量,衍射測量應(yīng)力原理如圖2所示。

        圖1 中子譜儀樣品臺殘余應(yīng)力測量系統(tǒng)

        圖2 衍射測量應(yīng)力原理圖

        根據(jù)中子衍射原理,設(shè)計(jì)了基于標(biāo)準(zhǔn)探針的標(biāo)定方法,該方法只需樣品裝夾好后,對探針頂點(diǎn)進(jìn)行一次衍射測量以確定衍射點(diǎn),其余實(shí)際待測量點(diǎn)的位置和姿態(tài)都是以該衍射點(diǎn)所在位置為基準(zhǔn),通過移動和旋轉(zhuǎn)樣品臺,使待測量點(diǎn)移動到衍射點(diǎn)進(jìn)行衍射測量。此標(biāo)定方法采用激光掃描臂和兩臺全站儀,成本相對較低,同時便于攜帶測量,且比傳統(tǒng)的邊界掃描定位法測量精度和測量效率高。

        1 標(biāo)定原理

        1.1 前方交會原理和精確互瞄法

        這里用雙全站儀測量系統(tǒng)進(jìn)行坐標(biāo)標(biāo)定[10],其測量原理為前方交會原理,如圖3所示,兩臺全站儀分別為T1和T2,坐標(biāo)系建立在T1上。兩臺全站儀光學(xué)中心連線的水平投影表示為基線長度L,E為高差。測量點(diǎn)為P(x,y,z)時,T1站測量出水平角α1和垂直角β1;副站T2測得水平角α2和垂直角β2。

        圖3 前方交會原理

        前方交會原理可得測點(diǎn)坐標(biāo)為[10]:

        (1)

        圖4為精確互瞄法原理,以T1站為主站,T2站為副站建立坐標(biāo)系,T1站原點(diǎn)為雙全站儀坐標(biāo)系原點(diǎn)D,兩臺全站儀水平連線為X軸,豎直向上為Z軸,利用右手坐標(biāo)系確定Y軸。

        圖4 精確互瞄法

        精確互瞄法計(jì)算如式(2):

        (2)

        根據(jù)式(2)可以計(jì)算出基線長度L和高度差E:

        (3)

        式中:

        (4)

        解出基線長度L和高度差E后,即可按照式(4)通過Matlab編程計(jì)算空間中測量點(diǎn)的坐標(biāo)值。

        1.2 基準(zhǔn)球測量原理

        由雙全站儀測量系統(tǒng)測得放在負(fù)載托板上樣品基準(zhǔn)球空間坐標(biāo)。因基準(zhǔn)球是一個球面,所以測量時可以根據(jù)測量基準(zhǔn)球的上下左右切點(diǎn)最終取各自平均數(shù)確定基準(zhǔn)球球心的俯仰角和水平角[11]。

        通過Matlab編程計(jì)算出球心水平角和俯仰角后,由前方交會原理確定球心在空間內(nèi)的坐標(biāo)。

        1.3 剛體變換法

        在空間內(nèi)不同坐標(biāo)系內(nèi)存在公共點(diǎn),這些公共點(diǎn)可以用來求得不同坐標(biāo)系之間的位姿轉(zhuǎn)換矩陣。這里用到剛體變換法[12]。

        2 坐標(biāo)系標(biāo)定

        2.1 樣品建模

        這里采用??怂箍礡OAMER激光掃描臂進(jìn)行探測(如圖6所示),通過打點(diǎn)建立樣品坐標(biāo)系{S}如圖5(a)所示。樣品上粘貼有6個基準(zhǔn)球是為了后續(xù)求坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣所用,基準(zhǔn)球的位置選擇對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度有較大影響,這里參照牛琳[13]等提出的公共點(diǎn)選擇方法。圖5(b)為樣品上選取兩個待測量點(diǎn)和待測量矢量。掃描臂探測基準(zhǔn)球后,通過Polyworks軟件利用最小二乘法擬合出基準(zhǔn)球球心在樣品坐標(biāo)系中的坐標(biāo)?;鶞?zhǔn)球在樣品坐標(biāo)系中的坐標(biāo)如表1所示。

        把樣品安裝在裝有探針的夾具上,再把裝有樣品的夾具放在樣品臺負(fù)載托板上,為后續(xù)全站儀標(biāo)定做準(zhǔn)備,如圖7所示。

        圖5 樣品坐標(biāo)系及待測量元素

        圖6 激光掃描臂

        圖7 探針樣品夾具固定在托板上

        2.2 標(biāo)定樣品臺坐標(biāo)系{N}

        標(biāo)定樣品臺坐標(biāo)系的意義在于將空間中樣品內(nèi)部待測量點(diǎn)、待測量矢量轉(zhuǎn)換成相對于樣品臺坐標(biāo)系的位置和姿態(tài),將中子衍射點(diǎn)、Q散射矢量同樣轉(zhuǎn)換成相對樣品臺坐標(biāo)系的位置和姿態(tài),則可移動和旋轉(zhuǎn)樣品臺實(shí)現(xiàn)將樣品中待測量點(diǎn)移動到中子衍射點(diǎn),并將待測量矢量對齊Q散射矢量。所有點(diǎn)采用雙全站儀測量系統(tǒng)測量,如圖8所示,各個測點(diǎn)坐標(biāo)為雙全站儀坐標(biāo)系內(nèi)坐標(biāo)。

        圖8 雙全站儀測量系統(tǒng)

        樣品臺的標(biāo)定可以通過3-2-1法,即空間平面上選取3個點(diǎn)擬合一個平面,獲取其法向量并單位化作為Z軸。選取兩個點(diǎn)確定X軸方向,并投影到擬合平面上單位化后作為X軸,通過圓心擬合公式(5)確定坐標(biāo)原點(diǎn)[14]。圓心點(diǎn)的選擇一般建立在樣品臺的旋轉(zhuǎn)軸中心,這里通過標(biāo)定樣品臺上長方體角點(diǎn),每旋轉(zhuǎn)45°用雙全站儀測量系統(tǒng)標(biāo)定一次,記錄9組角點(diǎn)坐標(biāo)值如表2所示,由最小二乘法[15]可擬合出空間圓圓心,圓心則為樣品臺坐標(biāo)系原點(diǎn),如圖9所示。右手法則可建立樣品臺坐標(biāo)系如圖10所示。

        表2 長方體角點(diǎn)坐標(biāo)

        (5)

        圖9 擬合樣品臺圓心

        圖10 樣品臺坐標(biāo)系

        計(jì)算的圓心在全站儀坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為:

        (xN0,yN0,zN0)=(1766.274,5209.55,-350.004)

        (6)

        2.3 標(biāo)定中子衍射坐標(biāo)系{M}

        中子衍射坐標(biāo)系{M}是由中子入射激光和衍射激光組成,設(shè)豎直向上單位向量(0,0,1)為Z軸,入射束方向?yàn)閄軸,Y軸由右手法則確定,原點(diǎn)則由探針頂點(diǎn)確定。

        圖11 中子衍射坐標(biāo)系

        如圖11所示,模擬中子衍射測量環(huán)境,用放置的激光筆模擬中子束,當(dāng)入射束照射到探針頂點(diǎn)時認(rèn)為探針頂點(diǎn)PM位于中子衍射點(diǎn)處,通過全站儀標(biāo)定探針頂點(diǎn)的位置,由前方交會原理可得探針頂點(diǎn)在全站儀坐標(biāo)系中的坐標(biāo):

        PM=(1766.154,5209.107,-46.411)T

        (7)

        左側(cè)激光筆圓心PI(xI,yI,zI)定為入射中子束中心位置。右側(cè)激光筆圓心PJ(xJ,yJ,zJ)定為衍射中子束的中心位置。中子入射束方向PIPM、中子衍射束方向PMPJ分別為:

        PIPM=(xM-xI,yM-yI,zM-zI)T

        (8)

        PMPJ=(xM-xJ,yM-yJ,zM-zJ)T

        (9)

        將PIPM投影到水平面作為X軸,右手法則確定Y軸即可建立中子衍射坐標(biāo)系。

        散射矢量Q是樣品中待測量點(diǎn)上的待測量矢量對齊的目標(biāo),是中子入射束和中子衍射束的角平分線,也是入射狹縫中心和衍射狹縫中心的角平分線,故Q散射矢量在全站儀坐標(biāo)系{D}中的向量為:

        (10)

        3 坐標(biāo)變換及運(yùn)動指令求解

        標(biāo)定的最終目的是求解出樣品臺的各個軸的運(yùn)動量,實(shí)現(xiàn)待測量點(diǎn)和待測量矢量與衍射點(diǎn)和Q散射矢量分別對齊。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)樣品臺的殘余應(yīng)力測量的功能。

        3.1 樣品坐標(biāo)系與全站儀坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換矩陣

        用全站儀標(biāo)定負(fù)載托板上樣品的基準(zhǔn)球坐標(biāo)和樣品坐標(biāo)系中的基準(zhǔn)球坐標(biāo),采用剛體變化法可計(jì)算得到樣品坐標(biāo)系在全站儀坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)換矩陣。

        (11)

        3.2 樣品臺坐標(biāo)系與全站儀坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣

        (12)

        3.3 中子衍射坐標(biāo)系{M}在全站儀坐標(biāo)系{D}中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣

        由式(7)~式(9)可得中子衍射坐標(biāo)系位姿矩陣:

        (13)

        3.4 樣品臺坐標(biāo)系{N}在中子衍射坐標(biāo)系{M}中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣

        (14)

        由式(15)計(jì)算可得到矢量DQ在中子衍射坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)為:

        (15)

        3.5 將待測量點(diǎn)平移到中子衍射點(diǎn)

        已知全站儀坐標(biāo)系為{D},中子衍射坐標(biāo)系為{M},樣品臺坐標(biāo)系為{N},樣品坐標(biāo)系為{S}。設(shè)待測量點(diǎn)PS在樣品坐標(biāo)系{S}中齊次坐標(biāo)為(xs,ys,zs,1)T,則其在樣品臺坐標(biāo)系{N}中的齊次坐標(biāo)為:

        (16)

        衍射點(diǎn)PM為中子衍射坐標(biāo)系{M}的原點(diǎn),故其齊次坐標(biāo)PM為(0,0,0,1)T,其在樣品臺坐標(biāo)系{N}中齊次坐標(biāo)為:

        (17)

        設(shè)樣品臺的平移量表示為(ΔX,ΔY,ΔZ),則可得:

        [ΔX,ΔY,ΔZ,0]T=NPM-NPS

        (18)

        3.6 待測量矢量對齊Q散射矢量

        設(shè)散射矢量在中子衍射坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)為(Qx,Qy,Qz,0)T,則散射矢量方向MQ在樣品臺坐標(biāo)系中的矢量方向?yàn)镹Q:

        (19)

        設(shè)樣品坐標(biāo)系中的待測量矢量SV的齊次坐標(biāo)為(Vx,Vy,Vz,1)T,則其在樣品臺坐標(biāo)系中V齊次坐標(biāo)為:

        (20)

        當(dāng)移動樣品臺使得待測量點(diǎn)到達(dá)衍射點(diǎn)后,需要旋轉(zhuǎn)樣品臺使待測量矢量對齊散射矢量,那么旋轉(zhuǎn)角度θ為NQ和NV的夾角:

        (21)

        由反余弦函數(shù)可知,所求θ∈[0,π],不能確定θ的旋轉(zhuǎn)方向。實(shí)際樣品臺旋轉(zhuǎn)時還要區(qū)分左旋或右旋θ,才能將待測量矢量對齊散射矢量。如圖12所示這可以由待測量矢量NV與散射矢量NQ的向量積計(jì)算確定樣品臺旋轉(zhuǎn)方向:

        U=NV×NQ=(ux,uy,uz)

        (22)

        若uz大于0,樣品臺則左旋θ使待測量矢量NV對齊散射矢量NQ;若uz小于0,樣品臺右旋θ使待測量矢量NV對齊散射矢量NQ。

        圖12 旋轉(zhuǎn)θ角使兩矢量對齊

        3.7 輸出運(yùn)動指令

        給定樣品中兩個待測量點(diǎn),以及兩個待測量矢量具體數(shù)值,如表3所示。

        表3 樣品坐標(biāo)系中的兩個待測量矢量方向

        由Matlab編程可輸出樣品臺運(yùn)動指令如圖13所示。其中運(yùn)動指令文件中第1行為探針頂點(diǎn)移動到衍射點(diǎn)運(yùn)動量,第2行、第3行為點(diǎn)1、點(diǎn)2到衍射點(diǎn)的運(yùn)動量,每一列從左到右分別代表X軸、Y軸、Z軸的移動量,以及繞Z軸旋轉(zhuǎn)量。

        圖13 樣品臺運(yùn)動指令

        4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        由于中子反應(yīng)堆沒有開堆,這里用激光筆模擬中子束,入射激光束與衍射激光束交點(diǎn)為模擬的中子殘余應(yīng)力測量衍射點(diǎn),中子波長一經(jīng)確定,衍射點(diǎn)和散射矢量都為空間內(nèi)固定量。實(shí)現(xiàn)待測量點(diǎn)與衍射點(diǎn)的對齊以及待測量矢量與Q散射矢量的對齊是該標(biāo)定方案的最終目的。

        通過求解出運(yùn)動指令分別調(diào)整中子譜儀樣品臺的X、Y、Z軸的移動距離和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,從圖14中可以看出待測量點(diǎn)能夠準(zhǔn)確的移動到衍射點(diǎn),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)樣品的殘余應(yīng)力測量。

        圖14 點(diǎn)1、2分別實(shí)現(xiàn)與衍射點(diǎn)對齊

        為了更加準(zhǔn)確反應(yīng)誤差,驗(yàn)證標(biāo)定方法的準(zhǔn)確性。采用雙全站儀測量系統(tǒng)對移動后的待測量點(diǎn)進(jìn)行空間標(biāo)定,并用前方交會原理(式(1))和Matlab編程計(jì)算出其在全站儀坐標(biāo)系中的坐標(biāo),與衍射點(diǎn)在全站儀坐標(biāo)系中的坐標(biāo)對比后得出待測量點(diǎn)與衍射點(diǎn)的誤差如表4所示,其中ΔR為待測量點(diǎn)與衍射點(diǎn)坐標(biāo)綜合誤差,計(jì)算方法如式(23)所示。

        (23)

        同時對移動后的待測量矢量進(jìn)行標(biāo)定,在樣品坐標(biāo)系待測量矢量方向上選取兩點(diǎn),用雙全站儀標(biāo)定其空間坐標(biāo),兩點(diǎn)連線為移動后的待測量矢量,將其歸一化處理并計(jì)算其在衍射坐標(biāo)系中的矢量,以及其與Q散射矢量的夾角,如表5所示,其中Δθ為測量矢量與Q散射矢量的夾角誤差。

        cosθ=Q·L/(|Q||L|)

        (24)

        式中,Q為散射矢量;L為待測量矢量。

        計(jì)算可得運(yùn)動后的待測量點(diǎn)誤差在30 μm以內(nèi),待測量矢量誤差在0.1°以內(nèi),滿足中子譜儀殘余應(yīng)力測量精度要求。

        表5 待測量矢量驗(yàn)證

        5 結(jié)論

        本文通過雙全站儀測量系統(tǒng)和激光掃描臂對雙全站儀坐標(biāo)系,中子譜儀樣品臺坐標(biāo)系,衍射坐標(biāo)系的標(biāo)定方法進(jìn)行了分析研究,并建立了精確的標(biāo)定方案,通過Matlab編程計(jì)算得到各個坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣,并計(jì)算輸出樣品臺的運(yùn)動控制指令,從而實(shí)現(xiàn)樣品上待測量點(diǎn)移動到中子衍射點(diǎn)的功能,進(jìn)而進(jìn)行樣品殘余應(yīng)力測量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該標(biāo)定方案精確高效。同時該標(biāo)定方案也為其他平臺的標(biāo)定提供了借鑒。

        猜你喜歡
        測量點(diǎn)中子全站儀
        飛機(jī)部件數(shù)字化調(diào)姿定位測量點(diǎn)的優(yōu)選與構(gòu)造算法
        NTS-382R12/15/20超長測程彩屏全站儀
        北京測繪(2020年12期)2020-12-29 01:37:18
        淺析沖壓件測量點(diǎn)的規(guī)劃
        模具制造(2019年10期)2020-01-06 09:13:08
        基于快牙平臺實(shí)現(xiàn)全站儀與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信
        3D打印抗中子輻照鋼研究取得新進(jìn)展
        基于CAD模型的三坐標(biāo)測量機(jī)測量點(diǎn)分布規(guī)劃
        PM2.5空中探測器的設(shè)計(jì)
        基于PLC控制的中子束窗更換維護(hù)系統(tǒng)開發(fā)與研究
        基于全站儀二次開發(fā)的覆冰厚度測量與實(shí)現(xiàn)
        電測與儀表(2016年9期)2016-04-12 00:29:52
        DORT 程序進(jìn)行RPV 中子注量率計(jì)算的可靠性驗(yàn)證
        久久久av精品波多野结衣| 丝袜美腿亚洲综合第一页| 精品久久有码中文字幕| 伊在人天堂亚洲香蕉精品区| 欧美日韩人妻| 中文字幕一区二区三区.| 成人自拍小视频在线看| 狠狠精品久久久无码中文字幕| 国产精品久久久久久麻豆一区| 亚洲AV秘 无码一区二区久久| av网页免费在线观看| 亚洲精品动漫免费二区| 久久精品国产亚洲av高清色欲| 亚洲 美腿 欧美 偷拍| 中文字幕一区二区三区四区| 日本特黄特色特爽大片| 国产精美视频| 免费啪啪av人妻一区二区| 国产精品一区二区三区在线免费| 国产国拍亚洲精品mv在线观看| 亚洲AV日韩AV无码A一区| 男的和女的打扑克的视频| 国产精品一区二区三区女同| 国产成人AV无码精品无毒| 久久久9色精品国产一区二区三区| 日产国产精品亚洲高清| 中文字幕人妻丝袜成熟乱| 精产国品一二三产区m553麻豆 | 亚洲精品成人片在线观看精品字幕| 无码少妇一级AV便在线观看| 女优免费中文字幕在线| 国产一区二区视频免费在线观看| 97久久人人超碰超碰窝窝| 国产精品视频免费的| 亚洲午夜经典一区二区日韩| 国产精品久久久久久一区二区三区| 免费人成毛片乱码| 亚洲av一二三四又爽又色又色| 综合亚洲伊人午夜网| 伊人久久无码中文字幕| 亚洲乱色视频在线观看|