1.1 项目背景

冲压钣金行业是机械制造业的基础行业，是金属成形加工业中重要的分行业之一，它的发展程度反映了一个国家的制造工艺技术水平。冲压钣金加工是汽车工业发展的基础，其中，轿车中冲压钣金零件数占其零件总数的75%以上。在汽车工业比较发达的日本，钣金零件的销售额占冲压钣金行业总销售额的68%以上。其次，钣金零件也是构成航空航天产品外形、结构和内装的主要零件，以飞机为例，钣金零件约占其零件总数的50%以上。我国已经被公认正在成为世界制造大国与跨国企业的全球采购中心。航空航天、汽车、装备制造、仪器仪表、家用电器、通信电子等行业的迅速发展，特别是航空航天及汽车行业的快速发展，带动了冲压钣金行业的快速增长，年均增长率达到了 20-30％，钣金零件的消耗量不断增加，市场总量巨大。

随着航空航天业、汽车制造业、装备制造业等行业的发展，对钣金零件的表面质量、成形后性能、产品合格率等的要求日益提高。然而，钣金零件成形过程中的变形较为复杂，使得工艺参数设计和成形过程的精确控制十分困难，钣金零件的形状、性能与设计的零件形状、性能等往往存在一定偏差。因此，需要对钣金件成形过程中的变形进行精确的测量。然而，传统测量手段的测量效率低、测量范围小。其次，由于钣金件缺乏清晰的参考基准，型面点与整体的设计基准没有明确的对应关系，使得基于设计尺寸与加工尺寸直接度量的传统评价方法在钣金件变形测量中难以实行，迫切需要新的测量方法。

对于由塑性变形引起的钣金件变形，经历了机械测量、二维图像测量、三维光学测量等几个阶段。

[1] 机械测量法

机械测量方法是板料成形领域中传统的应变测量方法，该方法使用工程应变比例软尺或者工具显微镜等器械以手工方式测量出变形后的网格尺寸，然后通过与变形前的网格尺寸进行对比，从而确定钣件表面的应变大小。采用工具显微镜的手测法需要将被测量钣金零件放置在工作台上，然后调节工具显微镜的旋钮，使得被测量钣金零件表面网格的特征点与镜头里面的十字交叉线中心互相对准，通过前后两次对准过程中旋钮的读数，可测出两个网格特征点之间的距离，即获得一组变形后的网格尺寸，重复上述过程，获得足够多的网格尺寸后，即可根据相关公式计算得到钣金件表面的应变值。

机械测量方法（手动测量法）的优点是原理简单、操作方便。不足之处主要有以下几点：（1）不管是使用工程应变比例软尺还是使用工具显微镜，在人工采集和处理大量离散数据的过程中，不可避免地会产生各种随机误差或者错误，从而对进一步的应变计算产生很大的影响，导致测量精度低，可重复性差；（2）测量范围有限：使用工具显微镜的测量方法受工作台大小的限制，所以要求被测钣金零件的尺寸不能太大，无法实现诸如汽车覆盖件、航空航天产品等较大零件的应变测量；（3）手工测量非常繁琐，属重复性劳动，特别对于大面积的测量和分析而言，工作量很大。

[2] 二维光学测量法

二维光学法采用一个 CCD相机进行图像的捕捉,此过程中单目CCD将在零件表面移动,以找到最清晰的网格进行测量；每个测量过程只能选定一个网格。国内己研发出了二维光学应变测量系统：通过测量金属板料上印制的圆形网格在成形前后尺寸的变化，计算出应变值并绘制相应的成形极限图。这在一定程度上简化了计算分析过程并提高测量精度。但该系统只采用一个CCD相机进行图像的采集，在捕捉图像的过程中，由于光线、环境等因素的影响，捕捉图像的时间可能会比较长，因此会降低测量效率。华中科技大学的戴晓光采用拉伸试验来测量样件在拉伸前后长度的变化量，实现样件的应变的测量。国外也有此类测量系统，比如美国的ASAME公司的GPA网格应变测量系统等。

[3] 三维光学测量法

三维光学测量法以数码相机或者工业CCD相机摄取的两幅或者两幅以上的若干幅网格图像为输入数据，首先对钣件表面的网格进行三维重建，然后根据变形前后网格的尺寸变化，进而计算得到钣金件表面的应变值。由于这种方法可以实现三维网格尺寸测量，因此测量结果更加精确。国外在此技术方面的研究起步较早，而且经过多年的不断研究和改进，已经取得了很好的成绩，研制出了一系列实用化的产品。例如，美国的 ASAME公司，它是全世界第一家钣金件网格应变测试系统制造商，在板材成形领域享有盛誉。ASAME公司的网格应变测试系统以精确、易操作和功能强大而著称。目前全世界有许多知名的企业和研究所正在使用由 ASAME公司提供的Target网格应变测试系统，如通用、福特、波音、丰田等，应用领域包括钢铁、汽车制造、飞机制造、模具开发、塑性成形等。该系统将网格法和光学测量法有机结合，利用数码照相机获取板料变形后的多幅网格图像，输入计算机内以后经过图像处理、匹配、三维重建、应变计算等流程，从而计算得到钣金件表面各种应变数据。

在XTSM中，编码标志点用来定向图片并自动计算相机的位置。当拍摄图片时，应该尽量拍摄到更多的均匀散布在物体上的标志点，从而获得更高的测量精度。一般来说，编码标志点不会被用来确定所测物体的三维坐标。XTSM可以处理10位（100个），12位（300），15位（420个）标志点。例如，一个10位的标志点系，意味着由从0到99的数字来识别的100个标志点。

在板料变形测量过程中，标尺为工程提供标准的尺寸比例，因此在每个摄影测量计算过程中必须指定标尺。如果之前用过该标尺，则可以从下拉列表中选择该标尺，如果没有用过则需要重新输入该标尺的值，如果输入的标尺的标定长度或者是膨胀系数有误，会导致计算结果的错误，因此必须正确填写标尺的标定长度和膨胀系数，XTSM系统的每根标尺上面都带有该标尺的标定长度及膨胀系数等参数。

(1)获得金属板料表面三维应变数据(2)测量结果用色温图三维显示

(3)自主研发的工业近景摄影测量核心技术 (4)可对大尺寸金属板料成形制件的应变进行测量 (5)快速、简单、高精度的相机标定 (6)操作简单、携带方便

(7) 自动计算成形极限图

(8)测量结果精度高，测量信息丰富

2.4 应用范围 板料应变测量、成形极限计算

测量临界变形部位，解决复杂的成形问题，优化冲压工艺，冲压模具检验，对仿真模拟计算的结果进行验证和优化

增强用户对产品开发阶段板料成形过程的了解,验证现有的成形彷真软件的计算结果,以及优化和监控生产过程.

3 XTSM一般测量步骤 第一步，在试件周围放置一些编码标志点及比例尺，然后用数码相机，从不同的站位拍摄了23张像片，如所示。这些数据是后期计算的原始数据。

第四步，应变计算，根据同一网格在变形前后网格尺寸的变化，套用应变计算公式计算出网格节点的各种应变值及表面厚度减薄率。