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板料成形三维全场应变摄影测量快速检测系统研究



摘要:本文针对目前板料成形过程中应变测量的实际问题,提出了一种新的测量方案,通过采用近景工业摄影测量与坐标网格分析法相结合的方法, 可以高效地实现板料成形后表面全场应变的精确测量。基于以上方法设计并开发出了可以应用于实际的板料应变检测系统XJTUSM。通过对某些型号的钣金零件表面应变的测量,验证了本文方法的有效性。
关键词:板料成形;应变;摄影测量;网格分析

The research on sheet metal forming 3D-full field strain fast detection system based on photogrammetry

Abstract: Aimed to resolve the practical problems about the strain measurement in the process of sheet metal forming, a new measurement method based on the theory of photogrammetry and coordinate grid method was proposed. The surface strain size and distributions can be quickly and accurately calculated by this method. Meanwhile a strain measurement system XJTUSM which is available in the practical production is designed and developed according to the new method. The effectiveness of this method was measured by testing the surface strain of some types of sheet metal parts surface strain.
Keywords: sheet metal forming; strain; photogrammetry ; coordinate grid method

    汽车船舶、装备制造、航空航天等行业的不断发展,其产品成形工艺复杂度逐渐加大,对板料成形技术的要求也日益提高。板料成形过程中经常会由于应力集中、材料变薄出现板料撕裂、起皱等现象。通常这些问题要经过多次试验才能解决,但由于模具成本昂贵,多次试验会大大增加生产的成本,同时也拖延了新模具产品的开发。因此实现对板料变形全场应变进行准确快速地检测,对板料变形过程中的变形细节进行更加全面地分析研究,从而有助于检测极限变形部位、评价产品的成形性能、优化成形工艺以及检验模具设计等[1]。
    西安交通大学模具与先进成形技跹芯克胩旖蚱的>吖煞萦邢薰驹谘芯苛斯谕庖延械陌辶嫌Ρ浼觳饧际鮗2,3,4]的基础上,提出了采用近景工业摄影测量与坐标网格分析法相结合的应变检测方法,并开发出相应的板料成形三维全场应变摄影测量快速检测系统XJTUSM,实现板料表面应变的快速精确检测。
1 XJTUSM系统的测量方案
    近景工业摄影测量通过在被测物体的表面及其四周布置一定数量的标志点,包括编码点和非编码点,然后从不同的角度、距离和位置利用相机对被测物体进行拍摄,得到相片作为原始数据,经过图像处理、标志点定位、编码点识别,得到被测物体上编码点的编码和标志点中心的三维坐标,然后经过相对定向、绝对定向、三维重建、以及光束平差,最后加入标尺约束及温度补偿,可以快速得到标志点准确的三维坐标[5]。
    坐标网格分析法是金属薄板成形过程中表面应变测量、分析的主要手段[6]。网格分析法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,而另外两个主应变均在板面内。当金属产生变形后,材料表面的网格圆变为椭圆,测量其长短轴的尺寸变化,经计算就可以获得网格圆的应变值[7,8,9]。
    本文开发出一套了可用于板料成形应变和实际工程检测的三维全场应变测量分析系统(图1)。系统基于自主研发的摄影测量技术,结合网格分析技术,采用高性能数码单反相机在被测物体周围多个方位拍摄图像,利用改进的摄影测量算法进行物体表面网格点的三维坐标重建,接着重建出四边形网格,然后进行应变数据的计算处理和变形信息的可视化分析,并利用Visual C++软件开发平台,开发出具有友好软件界面能用于板料成形应变测量的分析系统XJTUSM。
 


图1  XJTUSM系统的软件界面
Fig.1  The software interface of XJTUSM system


2 XJTUSM系统的实现过程
2.1 网格的制备
    在整个测量过程中,网格的图案选取和制作方法直接关系到最终的检测结果。本文选择采用圆形网格图案,其优点在于对板料成形进行分析时两个主应变方向可以由变形后的椭圆长短轴方向直接确定,适用于对局部大应变进行测量和分析。网格制作采用电化学腐蚀法,在待腐蚀的板料与浸有电解液的毡垫之间放置带圆形孔眼的模板,板料与毡垫之间通以低压电流,电流仅在模板上有孔眼的地方通过,使带着电流的电解液流将孔眼形状的印痕腐蚀在板料上。电化学腐蚀深度一般为0.005—0.03 mm,腐蚀得到的网格点比较均匀,板料表面没有毛刺,不会对材料成形性能造成太大影响。图2 显示的是某汽车钣金零件制备网格后的效果图。
 
图2  某汽车钣金零件制备网格后的部分截图
Fig.2  The pattern of matrix-array circle grids (left fig) and schematic diagram of electrochemical corrosion (right fig)


2.2 图像数据的采集
    完成板料表面的网格制作后,对板料进行成形,将得到的待测件与标志点和标尺按照近景工业摄影测量的要求布置,此时待测件上腐蚀的得到的网格点相当于摄影测量中的标识点。进行图像的采集如图3所示,采集到的相片即为系统原始的计算数据。XJTUSM系统可以与各种不同型号、不同分辨率的高性能单反相机(辅以高性能定焦镜头和闪光灯)配合使用。同时XJTUSM系统也可以通过数据接口直接控制CCD工业相机采集图像数据,目前本系统使用的CCD相机为Imaging 500D工业相机。图3显示的是对某汽车钣金零件进行图像采集的结果。


图3  对某汽车钣金零件进行图像的采集
Fig3.  The image collection of cupping test


2.3 图像处理及网格重建
    将采集完成的图像导入XJTUSM系统,设置好相机和测量参数后就可以开始数据的处理。首先XJTUSM系统要对采集的图像进行后期处理与检测,其关键技术包括:基于Canny算法的边缘检测,利用梯度均值法的亚像素边缘提取和椭圆中心拟合。完成上述过程后,结合摄影测量原理对检测出的网格点进行计算:经过预定向,绑定调整,计算相片拍摄相机的位置和角度,重建出标识点的三维坐标和网格,如图4所示。此外XJTUSM系统会对生成的网格做进一步的捆绑调整,对一些计算偏差较大的网格点进行校正,优化计算结果。    
 


图4 图像后期处理及网格重建
Fig.4  The final processing of images and grid reconstruction


2.4  网格应变计算
在XJTUSM系统中,创建四边形网格后可以对网格进行应变计算和分析。首先在二维应变计算中引入了引出了变形梯度张量F的概念,变形梯度张量联系起了同一坐标系内的变形前后线单元。根据变形梯度张量的物理意义,变形梯度张量F的矩阵可以表示为拉伸张量矩阵U与旋转矩阵R的乘积。其中应变εx,εy和εxy的值可以直接通过拉伸张量矩阵U 求出,而旋转矩阵R描述了点的旋转和方向,将对称矩阵U转换成主对角矩阵,该主对角矩阵的两个特征值中较大值和较小值就分别作为该点的主应变和次应变大小,其特征向量则分别代表其应变方向。对于三维应变计算,定义局部二维坐标系,以便于将三维数据转换,利用二维应变计算模型实现三维应变的计算。
3 XJTUSM系统的测量性能与实例
XJTUSM系统目前具有XJTUSM-1M、 XJTUSM-5M和XJTUSM-12M三种规格型号,以满足不同工况下的实际测量需要,其相关测量参数如表1所示:
表1 XJTUSM系统测量性能指标  Table 1 Measurement properties indexes of XJTUSM system

 系统  XJTUSM-1M  XJTUSM-5M  XJTUSM-12M
 相机分辨率/pixels   >100万 500万 > 1200万
 测量范围  几十~几百毫米长度  几百毫米长度  几米长度
 应变测量范围/%          0.5~300               0.5~300              0.5~300


本系统已应用于汽车模具的实际生产,图5是天津汽车模具厂冲压成形的某汽车零部件运用XJTUSM系统进行三维全场应变测量的结果。通过计算得到的应变值及厚度分布色温图可以直观看出该成形零部件危险区域的具体位置,结合FLC曲线,则可以判定材料的性能是否满足冲压的要求,可以指导冲压工艺流程的调整、模具的调试等,从而缩短新产品的开发周期。
 


图5  应用XJTUSM系统测量某汽车零部件应变计算结果
(a) 最大主应变 (b) 最小主应变 (c) 成形极限图FLD (d) 厚度减薄率
Fig. 5  The strain results of one automobile component by XJTUSM system
(a)Maximum principal strain  (b) Minimum principal strain  (c) Forming limit diagram (FLD)  (d) Thickness thinning

4 结论
    本文所提出的板料成形应变测量方法,操作简单,能够方便、无接触地获取板料变形的全场应变数据,可以广泛运用于冲压工艺优化,冲压模具检验,仿真模拟计算结果验证和优化。板料成形三维全场应变快速检测提高模具CAE系统的效率和准确性,使传统的开环CAE系统,变为闭环CAE系统,实现了模具CAE的重大变革。


 

 
Web www.xjtudic.com
 

西安交通大学 机械工程学院 模具与先进成形技术研究所 信息机电研究所
电子邮件: xjtops@163.com  网站: www.xjtudic.com  www.xjtops.com  www.3dthink.cn

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