文/郭翔，梁晉，李磊剛，任茂棟，孫濤，李鈺·西安交通大學機械工程學院

鍛壓制件的三維全場尺寸與應變的快速檢測技術

文/郭翔，梁晉，李磊剛，任茂棟，孫濤，李鈺·西安交通大學機械工程學院

隨著中國制造業(yè)的快速發(fā)展，汽車、飛機、船舶、軍工等行業(yè)中大量采用大型鍛壓制件或沖壓鈑金工件，大小從幾米到幾十米，迫切需要適合生產現(xiàn)場使用、快速方便的三維外形尺寸檢測方法。相對于大型工件的輪廓尺寸測量，變形和應變的檢測難度更高，需求也更為迫切，與材料力學性能相關的變形和應變數(shù)據(jù)決定了大型工件的產品質量。目前對于中小型工件（長度小于1m）的三維檢測，現(xiàn)有檢測方法和設備已基本滿足要求。而對于大型工件，傳統(tǒng)三維坐標和變形應變檢測設備存在技術局限，檢測速度慢且多存在繁瑣的移站問題，無法進行全尺寸檢測，只能測量工件關鍵點三維坐標，無法滿足全場力學性能檢測。

本文基于工業(yè)攝影測量和數(shù)字圖像相關法，通過多種工業(yè)像機拍攝的多幅二維序列圖像，快速解算出被測物體的三維坐標、變形和應變數(shù)據(jù)，解決了三維全場全尺寸的外形、變形、應變檢測難題。

理論研究

圖1 攝影測量原理

工業(yè)近景攝影測量

工業(yè)攝影測量（Photogrammetry）技術是大地攝影測量、機器視覺、機械測量的綜合學科。該技術在國外發(fā)展較早，德國Oldenburg應用科技大學的Thomas Luhmann等對該技術做了很多開拓性工作。國外推出的成熟商品化系統(tǒng)也比較多，典型的有美國GSI公司的V-STARS系統(tǒng)、德國AICON 3D公司DPA-Pro系統(tǒng)、德國GOM公司的Tritop系統(tǒng)。國內高校和研究機構從事此項研究的有武漢大學和天津大學等，主要應用于建筑、航拍、大地量測等，基本停留在理論研究階段，沒有開發(fā)相應的商用系統(tǒng)。

工業(yè)近景攝影測量的原理是利用三角交匯法的基本原理，如圖1a所示，通過在不同的位置和方向獲取同一物體的2幅以上的數(shù)字圖像，經捆綁調整，如圖1b所示，經過圖像處理匹配相關數(shù)學計算后得到待測點精確的三維坐標。

數(shù)字圖像相關法

數(shù)字圖像相關法（Digital image correlation-DIC）由M.A.Sutton等人在20世紀80年代初提出，通過跟蹤和匹配變形前后所采集圖像的灰度信息，來測量物體在各種載荷作用下表面整體的瞬時位移場和應變場。2000年以來，DIC技術出現(xiàn)了爆炸性的研究和發(fā)展，其工作過程為：采用兩個高速CCD攝像機，實時采集物體各個變形階段的散斑圖像，利用圖像相關算法進行物體表面變形點的立體匹配，并重建出匹配點的三維空間坐標，見圖2。對位移場數(shù)據(jù)進行平滑處理和變形信息的可視化分析，從而實現(xiàn)快速、高精度、實時、非接觸式的三維應變測量。

技術創(chuàng)新

基于工業(yè)近景攝影測量和數(shù)字圖像相關法的三維全場變形與應變快速檢測，主要研究內容包括：工業(yè)三維攝影測量、數(shù)字圖像相關法三維全場應變分析、相機自標定技術、復雜曲面輪廓點云獲取、海量點云處理、點云與CAD數(shù)模比對檢測、大尺寸靜態(tài)變形測量、動態(tài)變形測量、板料成形網格應變檢測。

圖2 數(shù)字圖像相關法原理

圖3 系列化三維變形檢測裝置

主要創(chuàng)新有以下幾方面：

⑴針對攝影測量不同視場的三維重建和現(xiàn)場使用的難題，提出了一種內外參數(shù)整體捆綁調整的自標定方法，建立了具有十個參數(shù)的畸變校正模型，全面補償各種誤差，實現(xiàn)了成像系統(tǒng)不同測量視場的高精度標定和快捷方便使用。

⑵針對大型復雜曲面輪廓全尺寸快速檢測難題，提出了全部關鍵點坐標一次解算、整體與局部測量自動拼接的方法，建立了全局坐標和局部點云數(shù)據(jù)精確匹配的算法和模型，實現(xiàn)了全局測量精度的控制。

⑶針對靜態(tài)和動態(tài)變形的三維測量難題，提出了變形點三維重建、坐標拼合的方法，建立了相同變形點自動匹配和跟蹤算法及模型，實現(xiàn)了大到幾十米工件的三維全尺寸靜態(tài)變形測量，以及大視場關鍵點三維動態(tài)變形的高速測量。

⑷針對各向異性材料全場應變檢測難題，提出了一種數(shù)字散斑相關性快速計算和大變形跟蹤的方法，建立了三維全場應變的計算分析模型，實現(xiàn)了應變快速檢測及模態(tài)分析。

應用研究

系列化檢測裝置

研制了系列化三維變形檢測裝置如圖3所示，其技術原理、性能及應用如表1所示，并在機械、材料、力學等多學科進行了應用研究，主要用于三維全場應變測量分析、動態(tài)和靜態(tài)變形測量、板料網格應變測量、三維面掃描、反求設計與逆向工程、三維全尺寸檢測。

■表1 系列化三維變形檢測裝置技術原理、性能及應用

汽車整車和零部件的逆向設計

傳統(tǒng)汽車開發(fā)設計方法主要是正向開發(fā)設計，隨著三坐標測量儀、激光掃描設備和各種新型3D軟件的飛速發(fā)展，整車的逆向反求設計方法則逐漸成為了目前國內外新興起的一種高效率、少投入、快產出的汽車開發(fā)設計方法。進行逆向設計時，通過三維光學面掃描系統(tǒng)XJTUOM和三維光學點測量系統(tǒng)XJTUDP結合使用，通過點云數(shù)據(jù)的精確采集，快速獲取汽車整車和零部件的曲面點云數(shù)據(jù)，再利用逆向建模軟件經曲線曲面重構、精度分析，最終建立三維數(shù)模，達到快速設計產品目的。

圖4 汽車整車和零部件逆向設計實例

圖5 汽車和模具行業(yè)三維光學檢測實例

汽車模具檢測

目前，對于小于1m長度工件的三維尺寸檢測，多采用三坐標測量機、關節(jié)臂、激光掃描等完成。而對于1～30m的工件，如風力發(fā)電葉片、汽車模具、汽車覆蓋件、飛機部件等，傳統(tǒng)測量設備存在繁瑣的移站問題，且只能測量關鍵點尺寸，無法實現(xiàn)三維全尺寸檢測。通過與天汽模、陜汽集團、長城汽車等合作，將三維光學測量技術廣泛應用到汽車企業(yè)的設計、生產、測試等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了汽車及模具的泡沫實型（圖5a、b）、鑄件、夾具、檢具、裝焊（圖5c、d）等生產環(huán)節(jié)關鍵尺寸的快速測量。基于在大型復雜產品三維快速檢測方面積累的雄厚實力，課題組被國家標準委授權主持制訂國家標準“鍛壓制件及其模具光學三維幾何量檢測規(guī)范”（GB/T251342010）。

覆蓋件板料成形全場應變檢測

覆蓋件在成形過程中經常會由于應力集中、材料變薄出現(xiàn)板料撕裂、起皺等現(xiàn)象，傳統(tǒng)解決方法為多次試驗試錯法，導致生產成本大增，同時也拖延了新模具產品的開發(fā)。與天汽模合作提出了采用近景工業(yè)攝影測量與坐標網格分析法相結合的應變檢測方法，并開發(fā)出相應的板料成形三維全場應變攝影測量快速檢測系統(tǒng)XJTUSM（圖3b），實現(xiàn)了板料表面應變的快速精確測量（圖6）。

板料成形極限FLC快速檢測

板料成形極限曲線FLC是板料成形的重要指標數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)試驗方法獲取FLC極其麻煩，如在板料腐蝕網格，成形后再采用工具顯微鏡進行測量，存在定位各種應變曲線難、數(shù)據(jù)處理過程繁雜等缺點。研制的XJTUFLC杯凸和板料成形試驗系統(tǒng)（圖3c）自動采集杯突試驗時板料變形的序列視頻圖像，基于數(shù)字圖像相關法，自動計算板料成形的三維全場應變，從而生成成形極限曲線FLC，精度高、測量快速。

圖6 應用XJTUSM系統(tǒng)測量某汽車零部件應變計算結果

結束語

基于工業(yè)攝影測量和數(shù)字圖像相關法的三維全場變形與應變快速檢測方法在航空航天、軍工、汽車、模具等行業(yè)的100多家單位得到推廣應用，為大型鍛壓制件和沖壓鈑金件提供了快速方便的三維全尺寸測量方法和材料力學性能評價手段，取得了顯著的經濟、社會效益。在檢測系統(tǒng)的系列化、專用化、可定制性等方面取得了多項創(chuàng)新成果，具有重要的理論意義和實際應用價值。研制的系列化檢測裝置填補國內空白，達到國際先進水平。在多視場三維快速重建和全場測量集成控制技術的研究取得了突破性進展，測量幅面和測量精度等部分指標優(yōu)于國外系統(tǒng)，處于國際領先水平，獲得了2011年度陜西省科技進步一等獎。

梁晉，教授。2006年10月陜西省科學技術二等獎第一完成人，負責項目：基于北斗衛(wèi)星的廣域空間遠程設備監(jiān)控技術和設備技術；2011年度陜西高等學?？茖W技術獎一等獎第一完成人，負責項目：基于工業(yè)近景攝影測量的系列三維輪廓坐標與變形應變快速檢測系統(tǒng)；2012年度陜西省科學技術獎一等獎第一完成人，負責項目：基于工業(yè)近景攝影測量的系列三維輪廓坐標與變形應變快速檢測系統(tǒng)。