大型工件成形快速应变测量技术_王永信

模具工业 2013 年第 39 卷第 7 期
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Rapid strain measurement technique for large-scale stamping parts
1 引 言
变形应变检测设备存在技术局限， 检测速度慢， 多 存在繁琐的移站问题， 只能测量工件关键区域的应 变， 无法满足全场力学性能检测。而已有的某些板 料成形光学应变测量方法受摄像机景深 （在摄影机 镜头或其他成像器前沿能够取得清晰图象的成像 机器轴线所测的物体距离范围） 的影响， 难以完成 大幅面图像采集， 不能满足大型工件的应变测量要 求。 现基于工业摄影测量和坐标网格分析方法， 利 用工业像机拍摄的多幅二维序列图像， 快速解算被 测工件上网格点的三维坐标、 变形和应变数据， 在 此基础上结合基于公共点的三维拼接方法， 可有效 解决大型工件三维全场应变测量难题。
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表面应变测量、 分析。坐标网格分析法首先假设板 料成形过程中厚向应变保持与板面垂直， 为主应变 之一， 而另外 2 个主应变均在板面上。当薄板发生 变形时， 制备在薄板表面的小直径网格圆变为具有 2 个主应变方向的椭圆。椭圆的长轴应变代表了所 变形的薄板表面的最大应变方向和应变量， 短轴方 向则垂直于长轴， 表示薄板表面的最小应变方向和 应变量。通过测量长短轴的尺寸变化， 然后经过计 算就可以获得网格圆的主应变值 。 目前在传统坐标网格分析方法的基础上， 通过 引入立体视觉的方法进行光学应变分析成为板料 成形应变测量领域的研究热点， 该测量方法以数码 相机摄取的若干幅网格图像为输入数据， 首先对板 料表面的网格点进行三维重建， 这样就将传统的手 工测量网格点尺寸替换为更加精确、 效率更高的光 学测量， 然后根据变形前后网格的三维坐标变化， 求得板料表面的应变数值。目前国外已经拥有了 可以应用实际工业生产的测量系统包括 GOM 公司 的 ARGUS 和 CamSys 公司的 ASAME， 而国内主要有 分析系统。 测量技术方案通过利用 XJTUSM 板料成形应变 4
开发， 提出的大型工件应变测量的技术方案中， 由
于受到相机景深的限制， 很难通过一次完成大型工 件的测量， 首先需要根据工件的几何特征， 将待测 工件划分成若干个测量区域， 作为不同的分块， 在 分块之间布置标尺和多个编码点作为公共参考点； 同时也可以采用不同的点间距对一个测量工件或 者仅仅对关注的相关区域进行局部测量。 考虑到实际测量需要， 提出局部公共点拼接测 量和全局点拼接测量 2 种三维拼接测量方案。局部 积误差， 同时可以实现拼接单元的自动拼接， 如果 2 公共点拼接主要针对拼接单元较少或是精度要求 不高的测量工程， 拼接次数少以避免产生较大的累 个分块之间有 5 个或者 5 个以上的公共编码点， 那 拼接。
WANG Yong-xin1, LIANG Jin1, SHI Bao-quan1, LI Lei-gang1, LI Yu2 (1.School of Mechanical Engineering, Xi’ an Jiaotong University, Xi’ an, Shaanxi 710049, China; 2.School of Material Science and Engineering, Xi’ an Jiaotong University, Xi’ an, Shaanxi 710049, China) Abstract: In order to solve the problem of measuring the strain of large-scale stamping parts, a rapid vision measurement method, using 3D connection technology based on com⁃ mon points to implement the rapid surface strain measurement for large-scale stamping parts, was proposed based on the close-range industrial photogrammetry and coordinate grid method. The measurement result of an automobile roof stamping parts showed that the method was feasible and effective. Key words: close-range industrial photogrammetry; analysis on coordinate grid strain; stamp⁃ ing; 3-D connection

但由于其中的旋转矩阵 R 为正交矩阵， 满足正交条
件， 转换矩阵只含有 6 个相互独立的未知量， 可以根
据 3 个公共点在 2 个坐标系下的空间坐标就可以确 误差， 为了提高拼接的精度， 充分利用公共点的坐
定出转换矩阵 MBA。但由于在实际测量过程中存在 标信息， 通常考虑通过最小二乘拟合尽可能多的使 用公共点参与三维拼接计算， 减小转换矩阵的误 差， 同时为了进一步提高计算精度， 在通过最小二 乘拟合算法求变换矩阵时采用了奇异值分解法 （SVD） 求解。 测量实例验证 为了验证上述测量方法的可行性和有效性， 对
————————————— 收稿日期： 2013-01-09。 基金项目： 国家科学自然基金资助项目 （51275378） ； 国家科学自 然 基 金 资 助 项 目（51275389）；江 苏 省 科 技 创 新 项 目 (SBC201210069)。 作者简介： 王永信 （1966-） ， 男 （汉族） ， 陕西澄城人， 高级工程师， 主要从事快速成形系统开发与三维光学测量技术研究。
70 2 测量方案设计 2.1 测量方案硬件构成
模具工业 2013 年第 39 卷第 7 期 架， 测量步骤相对于局部公共点拼接复杂一些， 但 可以明显提高测量精度。图 1 所示为三维拼接方案 的流程示意图。 确定合适的三维拼接方案后， 就可以利用板料 成形应变测量分析系统 XJTUSM 进行各个测量区域 的应变测量， 依次进行图像采集、 图像识别， 得到每 个测量区域内的编码点和网格点三维数据。再利 用基于公共点三维拼接的方法对各个测量区域内 的测量数据进行拼接， 将所有网格点的三维数据置 于同一个空间坐标系下， 随后通过引入变形梯度张 量对识别出的网格点完成应变计算， 最终实现大型 工件的应变测量。 3 关键技术研究与实现 近景工业摄影测量 近景工业摄影测量技术是大地摄影测量、 机器
随着中国制造业的快速发展， 汽车、 飞机、 船
舶、 军工等行业中大量采用大型冲压工件或钣金工 件 （几米～几十米） ， 大型工件变形和应变的检测难 度更高， 需求更为迫切， 与材料力学性能相关的变 形和应变数据决定了大型工件的产品质量。目前 对于中小型工件 （≤1 m） 的表面应变测量， 现有测量 方法和设备已基本满足要求。而对大型工件， 传统
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模具制造技术
大型工件成形快速应变测量技术
王永信 1，梁 晋 1，史宝全 1，李磊刚 1，李 钰 2 (1.西安交通大学 机械工程学院，陕西 西安 710049； 2.西安交通大学 材料科学与工程学院， 陕西 西安 710049)
摘要： 针对目前大型工件在成形过程中应变测量的实际问题， 提出了一种快速视觉测量方案， 在采用近 景工业摄影测量与坐标网格相结合的基础上， 进行基于公共点的三维测量数据拼接可以高效地实现大 型工件成形后表面全场应变的快速测量， 通过对某汽车顶盖冲压零件表面应变的测量， 验证了该方法 的可行性和有效性。 关键词： 近景工业摄影测量； 坐标网格应变分析； 冲压； 三维拼接 中图分类号： TG76； TP391.77 文献标识码： A 文章编号： 1001-2168 （2013） 07-0069-04
作。国内从事此项研究的高校和研究机构有武汉
测量系统可以完成全局点三维坐标的精确定位， 进 而为后续的三维拼接提供良好的数据基础。
图1
三维拼接方案流程
模具工业 2013 年第 39 卷第 7 期 3.2 坐标网格应变分析 坐标网格分析法主要应用于薄板成形过程中
éX Bù éX Aù éR1 ê ê ê Y Bú Y Aú ê ú ê ú êR 4 R T ù ê ú=é ê úê ú= ê ê êR 7 êZ Bú ú ë0 1û ê êZ Aú ú ê ê ú ê ú ê 1 û 1 û ë0 ë ë éR 其中转换矩阵 MBA= ê ë0 R2 R5 R8 0 R3 R6 R9 0 T1ù éX Aù ê T 2ú Yú ú úê ê Aú ú T3ú úê êZ Aú ú úê ú 1 û 1û ë
么这 2 个分块可以通过公共编码点完成分块的自动 全局点拼接主要针对拼接单元较多， 同时对测 量精度较高， 通过全局点将各个测量单元置于全局 点坐标系下， 避免多次拼接引起的累积误差， 相比 局部公共点拼接测量， 该方案需要对所有的编码点 完成一次摄影测量全局点计算， 通过 XJTUDP 系统 完成全局点的定位， 为三维测量数据拼接提供框
和板料成形应变测量分析系统 XJTUSM。 2 个系统 拍摄的测量对象多角度照片组作为原始数据。测
测量方案利用三维光学摄影测量系统 XJTUDP
均基于近景摄影测量和立体视觉技术， 以数码相机 量技术方案中所使用硬件由定焦单反数码相机 CANON400D， 测量头 （工业相机、 LED 光源、 激光指 化学打标机组成。 2.2 测量软件界面及流程设计 相关测量软件是在 Visual Studio 2010 基础上 示器等） ， 磁性环形编码标志点， 高精度比例尺和电