多尺度板料成形應(yīng)變場(chǎng)三維檢測(cè)研究

1、博士學(xué)位論文多尺度板料成形應(yīng)變場(chǎng)三維檢測(cè)研究Research on Three-dimensional Full-field Strain Measurement for Sheet Metal Forming A dissertation submitted toXian Jiaotong Universityin partial fulfillment of the requirementfor the degree ofDoctor of Engineering ScienceByHao Hu(Mechanical Engineering)Supervisor: Prof. Jin Li

2、angJune 2014論文題目：多尺度板料成形應(yīng)變場(chǎng)三維檢測(cè)研究學(xué)科專業(yè)：機(jī)械工程申請(qǐng)人：胡浩指導(dǎo)教師：梁晉教授摘 要板料成形過程中和成形后的應(yīng)變分布是對(duì)板料成形性能進(jìn)行有效評(píng)估的前提和基礎(chǔ)。為克服傳統(tǒng)手工檢測(cè)等應(yīng)變測(cè)量方法在板料成形分析中暴露出的效率低、精度差等缺陷，并滿足大變形、大尺寸、小尺度三種情況下板料成形應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量的要求，提出并實(shí)現(xiàn)多尺度板料成形應(yīng)變場(chǎng)的三維檢測(cè)方法。圍繞數(shù)字圖像相關(guān)法、工業(yè)近景攝影測(cè)量技術(shù)以及體式顯微視覺測(cè)量技術(shù)展開研究，擬解決的主要問題包括大變形弱相關(guān)圖像匹配、多相機(jī)全局標(biāo)定、顯微立體視覺光路標(biāo)定、大尺寸變形測(cè)量整體精度控制、三維全場(chǎng)應(yīng)變重建以及板料成形性能分析

3、等。研究成果對(duì)于板料成形性能的評(píng)測(cè)及分析具有重要的理論和實(shí)際意義。本文的主要研究?jī)?nèi)容和所獲成果總結(jié)如下：（1）提出板料成形三維應(yīng)變場(chǎng)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法。針對(duì)板料成形大撓度塑性變形情況下圖像相似程度低，難以進(jìn)行相關(guān)匹配的問題，根據(jù)系列變形圖像相鄰狀態(tài)變形的連續(xù)性，提出一種大變形分步匹配算法；同時(shí)為了提高圖像匹配的速度，提出一種基于種子點(diǎn)的圖像快速、穩(wěn)定匹配算法。為實(shí)現(xiàn)三維應(yīng)變的準(zhǔn)確重建，提出一種基于10參數(shù)非線性成像模型的高精度相機(jī)自標(biāo)定方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所提出的匹配算法能夠有效測(cè)量高達(dá)649%的變形；所提出的標(biāo)定方法能夠?qū)崿F(xiàn)多相機(jī)內(nèi)外參數(shù)的整體一次性解算，標(biāo)定結(jié)果的重投影誤差小于0.05個(gè)像素；

4、利用標(biāo)定結(jié)果測(cè)量高精度標(biāo)準(zhǔn)尺長(zhǎng)度，相對(duì)誤差小于1/4000，能夠滿足三維應(yīng)變測(cè)量對(duì)相機(jī)標(biāo)定精度的要求。（2）提出大尺寸板料網(wǎng)格應(yīng)變的自動(dòng)檢測(cè)方法。針對(duì)大尺寸板料變形分塊測(cè)量累計(jì)誤差較大的難題，提出全局關(guān)鍵點(diǎn)與局部細(xì)節(jié)變形整體解算的大尺寸多分辨率三維網(wǎng)格應(yīng)變檢測(cè)方法。為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的快速識(shí)別，提出一種閥值自適應(yīng)局部二值化算法；為保證自由拍攝的各幅圖像之間同名網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)健匹配，引入一種基于鄰域約束的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)快速匹配算法；為克服多視三維重建時(shí)多條極線不嚴(yán)格相交的問題，通過在多極線約束下尋求多簇空間射線最佳準(zhǔn)交點(diǎn)的方法進(jìn)行高精度三維重建；為建立大量網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系，提出一種快速四邊形網(wǎng)格生成方

5、法；最后利用全局控制點(diǎn)將多個(gè)分塊區(qū)域的局部測(cè)量結(jié)果統(tǒng)一到全局坐標(biāo)系下，以消除傳統(tǒng)大尺寸分塊測(cè)量過程中產(chǎn)生的拼接累積誤差。（3）提出一種用于微小尺度變形、應(yīng)變檢測(cè)的顯微立體視覺測(cè)量方法。針對(duì)顯微立體視覺測(cè)量中光路難以準(zhǔn)確標(biāo)定的問題，將透視投影模型、非參數(shù)化的光學(xué)畸變模型以及光束平差算法相結(jié)合，提出一種高精度的顯微視覺光路標(biāo)定方法。深入分析了體式顯微視覺的光路結(jié)構(gòu)及成像模型，設(shè)計(jì)并通過光刻方法制作了顯微標(biāo)定參考物，提出并詳細(xì)說(shuō)明了標(biāo)定的具體步驟。對(duì)影響測(cè)量精度的主要因素進(jìn)行分析，提出一種散斑圖像光照不均勻的校正方法和一種基于平均灰度梯度的散斑質(zhì)量評(píng)價(jià)算法。最后借助于體式顯微鏡，搭建顯微立體視覺小尺

6、度測(cè)量裝置，并利用高精度四軸位移臺(tái)對(duì)所提出的標(biāo)定方法進(jìn)行精度驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的方法能夠有效用于顯微視覺復(fù)雜光路的標(biāo)定，標(biāo)定后位移測(cè)量的相對(duì)精度優(yōu)于1%。（4）研究并實(shí)現(xiàn)板料成形性能參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定。重點(diǎn)研究了板料成形性能評(píng)估時(shí)最為常用的成形極限圖（FLD）和塑性應(yīng)變比（）的測(cè)定方法。針對(duì)板料成形實(shí)驗(yàn)中極限狀態(tài)難以判斷的問題，引入一種利用應(yīng)變歷史曲線來(lái)判定極限狀態(tài)的方法，即利用應(yīng)變場(chǎng)截面線在頸縮區(qū)域內(nèi)外等間距的建立若干節(jié)點(diǎn)，通過分析這些節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變變化趨勢(shì)來(lái)判斷板料成形的極限狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，借助于自研的圖像采集裝置和板料成形試驗(yàn)機(jī)，研制一套穩(wěn)定、高效的板料成形極限曲線測(cè)定系統(tǒng)。另外，基于本

7、文提出的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量技術(shù)，研究實(shí)現(xiàn)一種較為實(shí)用的塑性應(yīng)變比測(cè)定方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和分析。在上述理論技術(shù)和算法的基礎(chǔ)上，通過系列精度實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了本文方法對(duì)于大變形、大尺寸以及小尺度三種情況下三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量的可行性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。所提出的板料成形應(yīng)變檢測(cè)方法，為不同工況下板料成形性能的研究和分析提供一種準(zhǔn)確、快速的解決方案。關(guān) 鍵 詞：板料成形；應(yīng)變檢測(cè)；圖像相關(guān)法；攝影測(cè)量；顯微視覺論文類型：應(yīng)用研究Title: Research on Three-dimensional Full-field Strain Measurement for Sheet Metal FormingS

8、peciality: Mechanical EngineeringApplicant: Hao HuSupervisor: Prof. Jin LiangABSTRACTStrain distribution during and after the sheet metal forming processes plays a principal role in the estimation of its formability. To overcome the various limitations of the traditional strain measurement methods a

9、nd to meet the strain measurement requirements at the harsh conditions of sheet metal stamping, theory and application researches on three-dimensional (3-D) full-fields strain measurement based on digital image correlation, industrial photogrammetry and stereo microscope are deeply and systematicall

10、y carried out in this thesis. The applied key issues which include image matching for large deformation, multi-camera global calibration, stereo microscope calibration, establishment of precise 3-D coordinate control network for large-space measurement and evaluation of sheet metal formability are i

11、nvestigated. Research work and achievements has important theoretical and practical significance for sheet metal deformation measurement. The main research contents and achievements are as belows:(1) A dynamic 3-D full-fields optical method based on digital image correlation is proposed for deformat

12、ion and strain measurement during sheet metal forming. To solve the problem of “weak correlation matching” for the strain measurement of sheet metal at the large deformation situation, a fractionized matching algorithm based on deformation continuity of adjacent image sequences is proposed to provid

13、e a better image matching results. A seed-point based image match method is developed for robust and fast image matching. To improve the accuracy of 3-D strain reconstruction, an accurate camera calibration algorithm is developed based on the 10-parameter distortion model. Experimental results demon

14、strate that the proposed matching strategies can be effectively used to measure the large tensile deformation up to 649%, the proposed calibration algorithm has a considerable accuracy with a re-projection error less than 0.05pixels and the calibrated four-camera videogrammetric system can achieve a

15、 relative accuracy of 1/4000 on length measurement, which can satisfy the precision requirement of the vision measurement within large field-of-view.(2) A circular grid pattern based 3-D strain measurement method is proposed for strain determination of the large-scale sheet metal forming. In order t

16、o improve the overall spatial measurement accuracy and efficiency, a multi-block strain measurement with the conception of multi-resolution grid is presented to establish a high-precision measuring control network for eliminating the error accumulation of the multi-block strain measurement. A circul

17、ar grid pattern that can be detected automatically is designed and an adaptive local binarization algorithm is proposed to detect the grid quickly and efficiently. A fast matching algorithm under neighborhood constraint is introduced to reliably pick out the homologous image grids. Then accuracy 3D

18、reconstruction based on multi-view constraint is implemented. After the topology of the grid nodes is built with a quadrilateral mesh generation algorithm, the strain can be caculated according to the changes of the grid sizes. Finally, all the local measuring results are transformed to global coord

19、inate system and the error accumulation can be eliminated effectively.(3) A stereo microscope vision method is developed for deformation and strain measurement at the micro scale. An accurate calibration method for stereo microscope measurement is proposed by combining the projection model, the non-

20、parametric distortion model and the bundle adjustment algorithm. A calibration target is designed and made using the lithography method. The distortion correction fields is obtained based on the non-parametric distortion model, resulting in a complete micro imaging model. Then, the calibration calcu

21、lation is performed by using the bundle adjustment algorithm. Finally, the factors that affect the measurement accuracy are analysed and the two methods for image brightness correction and quality evaluation are presented and verified separately. To validate the performance of the proposed method, a

22、 stereo microscope setup is developed. By using an electronically controlled displacement setup, experiments for microscopic calibration and displacement measurement are conducted. Experimental results show that the focal length and the relative orientation parameters of the internal optics of the s

23、etup can be obtained, and the displacement measurement accuracy is better than 1%.(4) Determination of sheet metal forming parameters is discussed and implemented using experimental method. In contrast to the standardized evaluation method described in the standard ISO 12004-2, a time dependent meth

24、od for forming limit diagram (FLD) determination is used by creating sections in the measured strain fields and detecting the critical deformation stage (the onset of necking) according to the strain history. With our self-developed image acquisition instrument and a sheet metal bulging setup, a FLD

25、 experimental determination system is developed. And a practical method to determine plastic strain ratio (value) of sheet metal is proposed based on the above-mentioned dynamic strain measurement and the test for plastic strain ratio determination is conducted to validate the performance of this me

26、thod.(5) A series of experiments are carried out to confirm the accuracy, effectiveness and reliability of the proposed methods and systems. Experimental results indicate that the algorithm and system developed in this paper is effective and reliable at large-deformation, large-scale, micro-scale an

27、d high-temperature welding situations, and provides an accurate and fast solution for evaluation and analysis of the sheet metal formability.KEY WORDS: Sheet metal forming; Strain measurement; DIC; Photogrammetry; Stereo microscopeTYPE OF DISSERTATION: Applied Research目 錄1 緒論11.1 課題背景與項(xiàng)目來(lái)源11.1.1 課題背

28、景11.1.2 項(xiàng)目來(lái)源11.2 板料成形應(yīng)變測(cè)量方法的研究現(xiàn)狀21.2.1 常用應(yīng)變測(cè)量方法概述21.2.2 網(wǎng)格應(yīng)變分析方法31.2.3 基于數(shù)字圖像相關(guān)法的應(yīng)變測(cè)量方法51.3 現(xiàn)有研究的主要問題及本文擬解決的關(guān)鍵問題81.3.1 現(xiàn)有研究的主要問題81.3.2 本文擬解決的關(guān)鍵問題91.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容、目的意義及技術(shù)路線91.4.1 主要研究?jī)?nèi)容91.4.2 研究目的及意義91.4.3 研究技術(shù)路線101.5 章節(jié)安排112 大變形三維全場(chǎng)應(yīng)變動(dòng)態(tài)檢測(cè)122.1 引言122.2 三維全場(chǎng)應(yīng)變動(dòng)態(tài)檢測(cè)122.2.1 檢測(cè)流程122.2.2 雙目視覺技術(shù)132.2.3 數(shù)字圖像相關(guān)

29、法142.2.4 三維全場(chǎng)變形應(yīng)變重建162.3 大變形弱相關(guān)圖像的匹配172.3.1 種子點(diǎn)快速匹配182.3.2 弱相關(guān)圖像分步匹配192.3.3 快速迭代計(jì)算192.4 高精度雙/多目相機(jī)標(biāo)定212.4.1 相機(jī)成像模型212.4.2 鏡頭畸變模型222.4.3 基于攝影測(cè)量的相機(jī)自標(biāo)定232.4.4 大視場(chǎng)多相機(jī)全局標(biāo)定252.5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)272.5.1 大變形匹配實(shí)驗(yàn)272.5.2 雙目相機(jī)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)302.5.3 四目相機(jī)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)322.6 本章小結(jié)353 大尺寸板料成形三維應(yīng)變場(chǎng)檢測(cè)363.1 引言363.2 大尺寸三維網(wǎng)格應(yīng)變檢測(cè)363.2.1 攝影測(cè)量的基本原理363.2.2

30、攝影測(cè)量三維網(wǎng)格應(yīng)變檢測(cè)373.2.3 大尺寸多分辨率三維網(wǎng)格應(yīng)變檢測(cè)383.3 網(wǎng)格制備及編碼點(diǎn)布置393.3.1 網(wǎng)格制備393.3.2 編碼點(diǎn)布置及圖像采集413.4 網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的高精度三維重建423.4.1 網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和編碼標(biāo)志點(diǎn)的自動(dòng)檢測(cè)423.4.2 網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的快速、穩(wěn)健匹配473.4.3 多極線高精度三維重建503.5 密集網(wǎng)格拓?fù)潢P(guān)系建立543.6 多塊局部數(shù)據(jù)拼接553.7 本章小結(jié)564 微小尺度三維變形場(chǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)574.1 引言574.2 顯微立體視覺系統(tǒng)的成像模型574.2.1 體式顯微視覺結(jié)構(gòu)574.2.2 針孔成像模型584.2.3 畸變校正和完整成像模型584.3 高

31、精度顯微立體視覺光路標(biāo)定604.4 DIC應(yīng)變測(cè)量的誤差分析634.4.1 主要影響因素634.4.2 散斑圖像光照不均勻校正654.4.3 散斑圖像的質(zhì)量評(píng)價(jià)664.5 顯微立體視覺光路標(biāo)定實(shí)驗(yàn)704.6 本章小結(jié)765 板料成形性能參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定775.1 引言775.2 板料成形性能參數(shù)775.2.1 成形性能參數(shù)分類775.2.2 成形極限圖785.2.3 塑性應(yīng)變比785.3 成形極限圖的測(cè)定795.3.1 極限狀態(tài)的判定795.3.2 應(yīng)變路徑的獲取方式815.3.3 FLD實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)825.4 塑性應(yīng)變比的計(jì)算845.4.1 計(jì)算方程推導(dǎo)845.4.2 塑性應(yīng)變比測(cè)定實(shí)驗(yàn)85

32、5.5 本章小結(jié)876 板料成形三維變形應(yīng)變測(cè)量實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用886.1 引言886.2 精度測(cè)試及驗(yàn)證分析886.2.1 雙目三維動(dòng)態(tài)應(yīng)變檢測(cè)實(shí)驗(yàn)886.2.2 網(wǎng)格應(yīng)變測(cè)量精度對(duì)比實(shí)驗(yàn)906.2.3 顯微應(yīng)變檢測(cè)試驗(yàn)926.3 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)與分析946.3.1 板料FLD測(cè)定實(shí)驗(yàn)946.3.2 汽車覆蓋件全方位應(yīng)變檢測(cè)986.3.3 微脹形實(shí)驗(yàn)1006.4 薄板焊接高溫變形測(cè)量1026.4.1 實(shí)驗(yàn)方案1026.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果1036.5 本章小結(jié)1047 結(jié)論與展望1057.1 結(jié)論1057.2 創(chuàng)新點(diǎn)1067.3 展望106參考文獻(xiàn)108致 謝115攻讀學(xué)位期間取得的研究成果116聲明CON

33、TENTS1 Preface11.1 Research Background and Project Source11.1.1 Research Background11.1.2 Project Source11.2 Review of Recent Development at Home and Abroad2 1.2.1 Review of Strain Measurement Method21.2.2 Circular Grid based Strain Measurement31.2.3 Digital speckle based Strain Measurement51.3 The

34、Main Problems of Existing Research and the Key Problems to be Solved81.3.1 The Main Problems of Existing Research81.3.2 The Key Problems to be Solved91.4 The Main Research Contents, Purpose, Significance and Technology Flow91.4.1 The Main Research Contents91.4.2 The Purpose and Significance91.4.3 Th

35、e Technology Flow101.5 The Chapter Arrangement112 Dynamic Strain Measurement for Sheet Metal Large-deformation122.1 Preface122.2 Dynamic Strain Fields Measurement Scheme122.2.1 Measurement Processes and Principles122.2.2 Principle of Binocular Stereovision132.2.3 Principle of DIC142.2.4 Reconstructi

36、on of 3D Displacement and Strain162.3 Weak Correlation Image Matching Scheme172.3.1 Seed Point Matching182.3.2 Fractionized Matching192.3.3 Fast Iterative Calculation192.4 Accurate Muti-camera Calibration212.4.1 Camera Imaging Model212.4.2 Lens Distortions222.4.3 Photogrammetry based Camera Calibrat

37、ion232.4.4 Global Calibration for Muti-camera System252.5 Experiments272.5.1 Large deformation testing272.5.2 Binocular Vision System Calibration Experiment302.5.3 The Four-camera Videogrammetric System Calibration Experiment322.6 Brief Summary353 Grid based Strain Measurement for Large-scale Sheet

38、Metal Forming363.1 Preface363.2 The Measuring Principle and Process363.2.1 The Principle of Photogrammetry363.2.2 Circular Grid Strain Measurement Based on Photogrammetry373.2.3 Multi-resolution Strain Measurement for Large-scale Sheet Metal Forming383.3 Circular Grid Preparation and Coded Target Ar

39、rangement393.3.1 Circular Grid Preparation393.3.2 Coded Target Arrangement413.4 The 3D Reconstruction of the Grid Nodes423.4.1 Detection of Grid Nodes and Targets423.4.2 Grid Nodes Robust Matching473.4.3 Muti-epipolar Reconstruction503.5 Establishment of the Topological Relation among the Grid Nodes

40、543.6 Global Registration for Multi-block Measuring Area553.7 Brief Summary564 Small-scale Strain Measurement based on Stereo Microscope574.1 Preface574.2 The Imaging Model of the Stereo Microscope574.2.1 The Optical Structure of the Stereo Microscope574.2.2 Projection Model584.2.3 Distortion and Co

41、mplete Imaging Model584.3 Microscopic Imaging System Calibration604.4 The Factors Affecting the Measurement Accuracy634.4.1 The Main Factors634.4.2 The Uneven Illumination Correction654.4.3 The Optimal Subset Size Selection664.5 Calibration Experiment704.6 Brief Summary765 Experimental Determination

42、 of the Formability Parameters of Sheet Metal775.1 Preface775.2 The Formability Parameters775.2.1 Review of the Testing Methods775.2.2 Forming Limit Diagram785.2.3 Plastic Strain Ratio785.3 Forming Limit Diagram Measurement795.3.1 Forming Limit Determination795.3.2 The Forming Methods815.3.3 Develop

43、ment of the FLD Experimental System825.4 Plastic Strain Ratio Calculation845.4.1 The Calculation Process845.4.2 Validation Experiment855.5 Brief Summary876 Experiment and Application886.1 Preface886.2 The Accuracy Verification Experiments886.2.1 The Speckle based Strain Measurement886.2.2 The Grid b

44、ased Strain Measurement906.2.3 The Microscopic Strain Measurement926.3 Application and Analysis946.3.1 The FLD Measurement Experiment946.3.2 The Automotive Panel Deformation Measurement Experiment986.3.3 The Microscopic Bulging Experiment1006.4 Deformation Measurement during Sheet Metal Welding Proc

45、esses1026.4.1 Experimental Procedure1026.4.2 Experimental Results1036.5 Brief Summary1047 Conclusions and Suggestions1057.1 Conclusions1057.2 Innovation Points1067.3 Suggestions106References108Acknowledgements115Achievements116Declaration1 緒論1.1 課題背景與項(xiàng)目來(lái)源1.1.1 課題背景板料成形是一種非常重要的材料加工技術(shù)，在航空、航天、汽車、船舶等國(guó)民經(jīng)

46、濟(jì)部門被廣泛應(yīng)用。其中，汽車制造業(yè)是板料制件最大的需求行業(yè)，汽車中沖壓鈑金件占其零件總數(shù)的75%以上。另外，鈑金件也是構(gòu)成航空航天產(chǎn)品外形、結(jié)構(gòu)和內(nèi)裝的主要零件，以飛機(jī)為例，鈑金零件約占其零件總數(shù)的50%以上1。并伴隨著汽車、航空、航天等制造行業(yè)的快速發(fā)展，板料制件的市場(chǎng)需求會(huì)不斷增長(zhǎng)。最初的板料制件形狀相對(duì)簡(jiǎn)單，能工巧匠通過反復(fù)實(shí)踐掌握板料的成形性能，并不斷修正模具即可獲得合適的成形工藝。然而，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)生產(chǎn)效率的要求越來(lái)越高，各種復(fù)雜的新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中，使得基于人工經(jīng)驗(yàn)的沖壓成形工藝無(wú)法滿足生產(chǎn)的需要，迫切需要科學(xué)的研究方法來(lái)獲知和評(píng)估板料的成形性能，以便制定措

47、施修正模具、優(yōu)化成形工藝、提高板料制件的生產(chǎn)效率和成功率等。成形性能是板料對(duì)各種成形工藝的適應(yīng)能力或難易程度，是板料制件從設(shè)計(jì)之初到?jīng)_壓成形，再到成形后的質(zhì)量檢測(cè)，始終要考慮的一項(xiàng)重要參考依據(jù)。評(píng)定板料成形性能的參數(shù)中多數(shù)都與應(yīng)變密切相關(guān)，如塑性應(yīng)變比和以極限應(yīng)變構(gòu)成的成形極限圖2,3( Forming Limit Diagram, FLD)等。然而，無(wú)論要獲得板料的塑性應(yīng)變比、FLD，還是對(duì)板料成形性能進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估和有效分析，其前提和基礎(chǔ)都要準(zhǔn)確測(cè)量板料成形過程中或成形后的應(yīng)變。1.1.2 項(xiàng)目來(lái)源應(yīng)變測(cè)量是板料成形性能分析和評(píng)估的基礎(chǔ)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 12004-1(2):2008和國(guó)標(biāo)G

48、B/T 24171中給出的板料成形極限曲線的測(cè)定方法，就是直接根據(jù)應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行計(jì)算的。然而，目前國(guó)內(nèi)很多科研單位及企業(yè)由于缺乏新技術(shù)的支撐，現(xiàn)有的應(yīng)變測(cè)量手段和設(shè)備還不能滿足標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定和實(shí)際測(cè)量的要求。國(guó)外已出現(xiàn)了商業(yè)化的三維光學(xué)應(yīng)變測(cè)量設(shè)備，但價(jià)格昂貴且技術(shù)保密，國(guó)內(nèi)的很多高校、研究所及企業(yè)無(wú)法承擔(dān)如此高昂的費(fèi)用。而國(guó)內(nèi)在這方面的研究與國(guó)外差距較大，多數(shù)研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段或者是面向某個(gè)具體問題的專門研究，成型的產(chǎn)品未見報(bào)道。近幾年，隨著攝影測(cè)量技術(shù)、圖像處理技術(shù)、軟件算法、計(jì)算機(jī)硬件及圖像采集設(shè)備的快速發(fā)展，新方法、新技術(shù)及新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)。在此背景下，針對(duì)板料成形三維應(yīng)變場(chǎng)的測(cè)量急需，十

49、分有必要深入開展三維視覺檢測(cè)理論和方法的研究，并在關(guān)鍵技術(shù)、測(cè)量精度、測(cè)量效率以及穩(wěn)定性等方面實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)和發(fā)展，最終形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的板料成形應(yīng)變測(cè)量及分析系統(tǒng)，以滿足國(guó)內(nèi)日益增加的應(yīng)用需求，打破國(guó)外對(duì)先進(jìn)變形、應(yīng)變檢測(cè)技術(shù)的封鎖和壟斷。本課題來(lái)自國(guó)家自然科學(xué)基金（大型飛機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)的三維視頻動(dòng)態(tài)變形測(cè)量方法和實(shí)驗(yàn)研究，50975219），國(guó)家自然科學(xué)基金（微觀尺度材料三維位移場(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)的快速精密測(cè)量方法的研究，51275389），并得到蘇州應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃的資助（全場(chǎng)三維變形光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)開發(fā)與研制，SYG201014）。1.2 板料成形應(yīng)變測(cè)量方法的研究現(xiàn)狀1.2.1 常用應(yīng)變測(cè)量方

50、法概述常用的應(yīng)變測(cè)量方法按照測(cè)量方式的不同可分為兩類：接觸式和非接觸式。接觸式應(yīng)變測(cè)量方法主要有引伸計(jì)、電阻應(yīng)變片以及機(jī)械式網(wǎng)格法等。非接觸式應(yīng)變測(cè)量方法指各種光學(xué)測(cè)量方法，包括：數(shù)字全息技術(shù)、電子散斑干涉術(shù)、云紋干涉法、數(shù)字圖像相關(guān)法和三維光學(xué)網(wǎng)格法等，根據(jù)測(cè)量原理進(jìn)行劃分，數(shù)字全息技術(shù)、電子散斑干涉術(shù)、云紋干涉法又屬于光學(xué)干涉法；而三維光學(xué)網(wǎng)格法和數(shù)字圖像相關(guān)法則屬于光學(xué)非干涉法。1) 引伸計(jì)和應(yīng)變片引伸計(jì)、電阻應(yīng)變片技術(shù)上比較成熟，具有測(cè)量精度高、結(jié)果穩(wěn)定、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，但是這類方法有很大的局限性，如不能用于微小試件、柔軟物件的測(cè)量以及大變形情況下的應(yīng)變測(cè)量；對(duì)于大型結(jié)構(gòu)件需要多點(diǎn)測(cè)量

51、的情況，引伸計(jì)不能使用，而粘貼應(yīng)變片又非常的復(fù)雜費(fèi)時(shí)。另外，由于引伸計(jì)、應(yīng)變片測(cè)量時(shí)需與被測(cè)物接觸，因此不可避免的會(huì)在一定程度上影響被測(cè)件的性能。2) 機(jī)械式網(wǎng)格法網(wǎng)格分析法是一種在板料表面印制規(guī)則的方形網(wǎng)格或圓形陣列，通過測(cè)量對(duì)比這些圖案在變形前后形狀參數(shù)來(lái)確定板料表面的應(yīng)變的方法。機(jī)械式網(wǎng)格分析法就是使用工業(yè)軟尺或工具顯微鏡等器械以手工方式測(cè)量出變形后的網(wǎng)格尺寸，通過與變形前的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行對(duì)比來(lái)確定鈑件表面的應(yīng)變大小4。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、操作方便，不足之處是精度和效率均較低、測(cè)量范圍有限，被測(cè)件尺寸不能太大。3) 數(shù)字全息技術(shù)數(shù)字全息技術(shù)是1967年由Goodman5提出的，該技術(shù)

52、利用CCD等數(shù)字光學(xué)元器件來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光學(xué)全息干板來(lái)獲取全息圖像6,7。與傳統(tǒng)的光學(xué)全息方法相比，數(shù)字全息技術(shù)不僅有傳統(tǒng)全息技術(shù)的特點(diǎn)，而且具有自動(dòng)化程度高、圖像獲取迅速、測(cè)量精度高以及不受光學(xué)系統(tǒng)非線性特征的影響等優(yōu)點(diǎn)。但是由于目前數(shù)字全息技術(shù)所采用的光電元器件的尺寸為厘米級(jí)，分辨率為每毫米幾百線，與傳統(tǒng)的光學(xué)全息干板每毫米幾千線的高分辨率相比相差甚遠(yuǎn)，限制了數(shù)字全息法測(cè)量對(duì)象的尺寸大小。4) 電子散斑技術(shù)電子散斑技術(shù)8-12也是一種發(fā)展較早的光學(xué)測(cè)量方法，該方法是在全息技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它使用電視攝像管代替全息照相干板獲取散斑圖像，與全息技術(shù)相比的優(yōu)勢(shì)在于：它不需要高分辨率底片，能夠

53、直接反應(yīng)物面變形和位移信息。電子散斑技術(shù)可以采用單光束或者雙光束，其中單光束照明的電子散斑技術(shù)對(duì)離面位移比較敏感卻對(duì)面內(nèi)位移不敏感，與全息干涉類似。為了測(cè)量面內(nèi)位移，則必須采用雙平行光束照明光路。5) 云紋干涉法云紋干涉法是1979年由Weissman等13發(fā)明的，這種方法將云紋法和全息干涉法進(jìn)行結(jié)合，在保留了云紋法優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上提高了測(cè)量靈敏度。與云紋法不同的是，云紋干涉法使用光波干涉與光柵衍射代替了低頻柵線的結(jié)合疊加。因?yàn)椴捎昧烁呙芏妊苌涔鈻抛鳛樵嚰?，使得這種方法的測(cè)量靈敏度與全息干涉法和散斑干涉法相同，可以達(dá)到光波波長(zhǎng)量級(jí)。6) 數(shù)字圖像相關(guān)法數(shù)字圖像相關(guān)法14-16（Digital I

54、mage Correlation Method, DIC）是一種通過對(duì)變形前后采集的兩幅物體表面的散斑圖像進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，來(lái)求取物體表面變形場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)的測(cè)量方法。與其它的光學(xué)測(cè)量方法相比，數(shù)字圖像相關(guān)法具有光路簡(jiǎn)單、對(duì)測(cè)量環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)。所使用的光源可以是激光也可以是白光，物體表面的散斑可以是人工散亂斑點(diǎn)，也可以是被測(cè)量物的天然紋理。二維DIC 使用一個(gè)相機(jī)，可以測(cè)量平面物體的面內(nèi)位移及應(yīng)變，三維 DIC將立體視覺技術(shù)與DIC相結(jié)合，可以測(cè)量任意形狀物體的三維位移及表面應(yīng)變。7) 三維網(wǎng)格應(yīng)變分析法三維網(wǎng)格應(yīng)變分析法17以單個(gè)數(shù)碼相機(jī)或者工業(yè)CCD相機(jī)從不同方位拍攝被測(cè)物的兩幅或多幅網(wǎng)格圖像，

55、首先利用網(wǎng)格點(diǎn)的特征進(jìn)行多幅圖像間的同名網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的匹配，然后采用攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)被測(cè)物表面的網(wǎng)格進(jìn)行三維重建，最后根據(jù)變形前后網(wǎng)格的尺寸變化，計(jì)算得到被測(cè)物表面的應(yīng)變。由于這種方法可以實(shí)現(xiàn)三維網(wǎng)格尺寸測(cè)量，因此測(cè)量結(jié)果更加精確，并可用于大尺寸板件成形的變形和應(yīng)變檢測(cè)。綜上所述，由于板料成形是一個(gè)大撓度、大變形的復(fù)雜塑性變形過程，效率不高、量程有限的應(yīng)變片等接觸式測(cè)量方法在這種情況下顯然無(wú)法實(shí)施。而數(shù)字全息技術(shù)、電子散斑技術(shù)、云紋干涉法三種光學(xué)干涉技術(shù)對(duì)測(cè)量環(huán)境要求較高，且光路復(fù)雜，通常被用在條件良好的實(shí)驗(yàn)室里。因此，本文對(duì)板料成形三維應(yīng)變場(chǎng)檢測(cè)的研究將重點(diǎn)圍繞數(shù)字圖像相關(guān)法和三維網(wǎng)格應(yīng)變分析法展

56、開。1.2.2 網(wǎng)格應(yīng)變分析方法網(wǎng)格應(yīng)變分析方法是研究板料成形表面應(yīng)變的常用方法，基本原理是在板料表面印制規(guī)則的方形網(wǎng)格或圓形陣列，通過測(cè)量對(duì)比這些圖案在變形前后形狀尺寸，來(lái)測(cè)定板料表面的應(yīng)變。因此，如何快速準(zhǔn)確獲得網(wǎng)格變形前后的形狀參數(shù)是網(wǎng)格應(yīng)變測(cè)量方法的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法通常采用工業(yè)軟尺或工具顯微鏡（見圖 11）直接對(duì)變形前后網(wǎng)格的參數(shù)進(jìn)行讀數(shù)和對(duì)比來(lái)獲得應(yīng)變，但這種方法由于依賴于人眼觀測(cè)，因此測(cè)量精度較低、且效率不高。隨著圖像采集技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)二維網(wǎng)格應(yīng)變測(cè)量方法被提出，其原理是采用一個(gè)數(shù)碼相機(jī)（CCD 相機(jī)）進(jìn)行圖像的捕捉，通過機(jī)械平臺(tái)或手持操作的方式找到最清晰的網(wǎng)格圖像，再利用數(shù)字圖像識(shí)別技術(shù)自動(dòng)處理計(jì)算單個(gè)圓形的變形參數(shù)從而獲取應(yīng)變數(shù)據(jù)。如美國(guó)ASAME公司研制的GPA網(wǎng)格應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)18（圖 12）。這種方法克服了人工讀數(shù)的操作，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，但每次只能檢測(cè)一個(gè)網(wǎng)格，因此效率不高，并且不能表達(dá)三維空間和全場(chǎng)應(yīng)變分布信息。1989年，J.H. Vogel和D. Lee19首先將三維視覺測(cè)量技術(shù)引入到板料成形應(yīng)變測(cè)量中，初步實(shí)現(xiàn)了板料成形應(yīng)變檢測(cè)的三維化和全場(chǎng)化技術(shù)，即三維網(wǎng)格應(yīng)變分析法。國(guó)外在這方面的研究起步較早，各種三維網(wǎng)格應(yīng)變分析技術(shù)被提出并迅速發(fā)展20-25，概括起來(lái)可分為基于三維標(biāo)定塊的網(wǎng)格應(yīng)變測(cè)量技