【優(yōu)秀士博士論文】汽車覆蓋件成形的應(yīng)變測量技術(shù)研究 畢業(yè)答辯PPT

1、姓名：李鈺姓名：李鈺 學(xué)號：學(xué)號：31100040163110004016專業(yè)：材料加工工程專業(yè)：材料加工工程導(dǎo)師：郭成教授，梁晉教授導(dǎo)師：郭成教授，梁晉教授報告內(nèi)容模具與先進(jìn)成形技術(shù)研究所模具與先進(jìn)成形技術(shù)研究所21. 課題意義與研究現(xiàn)狀n 為實(shí)現(xiàn)汽車覆蓋件的快速全場應(yīng)變檢測分析，并應(yīng)用于為實(shí)現(xiàn)汽車覆蓋件的快速全場應(yīng)變檢測分析，并應(yīng)用于工程實(shí)踐，模具與先進(jìn)成形技術(shù)研究所與天津汽車模具工程實(shí)踐，模具與先進(jìn)成形技術(shù)研究所與天津汽車模具股份有限公司合作開發(fā)股份有限公司合作開發(fā)“汽車模具專用三維光學(xué)測量檢汽車模具專用三維光學(xué)測量檢測系統(tǒng)測系統(tǒng)”課題來源 開裂3在板料表面印制圓形網(wǎng)格點(diǎn)，在成形后利用從

2、多在板料表面印制圓形網(wǎng)格點(diǎn)，在成形后利用從多個角度拍攝的圖像序列，經(jīng)過圖像識別，可以快個角度拍攝的圖像序列，經(jīng)過圖像識別，可以快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格點(diǎn)的三維重建，從而計算得到速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格點(diǎn)的三維重建，從而計算得到板料表面的應(yīng)變分布。板料表面的應(yīng)變分布。坐標(biāo)網(wǎng)格技術(shù)坐標(biāo)網(wǎng)格技術(shù)近景工業(yè)攝影測量近景工業(yè)攝影測量1. 課題意義與研究現(xiàn)狀4n國內(nèi)：北京航空航天大學(xué)最早展開了相關(guān)研究，2005年開發(fā)出網(wǎng)格應(yīng)變測量和分析系統(tǒng)gmas；上海交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)和北方工業(yè)大學(xué)近年也取得了進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了簡單試件的視覺應(yīng)變測量。1. 課題意義與研究現(xiàn)狀5研究現(xiàn)狀n國外：在光學(xué)應(yīng)變測量領(lǐng)域研究比較

3、早，目前已有成熟的產(chǎn)品：德國：gom公司argus網(wǎng)格應(yīng)變分析系統(tǒng)和aramis三維變形測量系統(tǒng)美國：comsys公司asame自動應(yīng)變測量和分析系統(tǒng)aramisargus1. 課題意義與研究現(xiàn)狀6研究現(xiàn)狀1. 課題意義與研究現(xiàn)狀汽車覆蓋件的快速全場應(yīng)變檢測分析檢測尺寸小，大部分1m以內(nèi)實(shí)驗對象簡單，多為拉伸試件單狀態(tài)檢測難以難以滿足滿足檢測尺寸大，多為2m以上覆蓋件曲面復(fù)雜，多為拉深脹形成形沖壓加工工序復(fù)雜，需要多狀態(tài)檢測72. 關(guān)鍵問題與技術(shù)路線84.4.提出汽車覆蓋件提出汽車覆蓋件的應(yīng)變測量技術(shù)方案的應(yīng)變測量技術(shù)方案2.關(guān)鍵問題與技術(shù)路線技術(shù)路線93.主要研究內(nèi)容1.大尺寸覆蓋件的三維拼

4、接技術(shù)研究 是在測量對象不同單元的重合區(qū)域內(nèi)布置靜止公共點(diǎn)，在各單元內(nèi)分別得到公共點(diǎn)空間坐標(biāo)，將各單元的三維數(shù)據(jù)通過公共點(diǎn)配準(zhǔn)融臺轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一坐標(biāo)系的完整數(shù)據(jù)。111111112111222100000000000010000000000001100000000000010000000000001abbbabbbabbbaaabnbnbnanbnbnbnanbnbnbnanxxyzyxyzzxyzxyzxxxxxxxyxxxz123456789xyzrrrtrrrtrrrt10(1) 分別計算測量單元點(diǎn)云的質(zhì)心1111nqiinpiiqnpn(2) 測量單元點(diǎn)云相對于各自質(zhì)心平移,得到新點(diǎn)云（3

5、）構(gòu)造矩陣 nnqnnpqqpp()tnnmqpm（4）奇異值分解矩陣mtm = uv（5）判斷奇異值分解是否有效tpqrz = vutr（6）計算旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣1.大尺寸覆蓋件的三維拼接技術(shù)研究113.主要研究內(nèi)容在待測工件上劃分測量單元布置編碼點(diǎn)和標(biāo)尺圖像采集圖像識別單元數(shù)目較少單元數(shù)目較多局部點(diǎn)云匹配攝影測量計算測量單元拼接1.大尺寸覆蓋件的三維拼接技術(shù)研究123.主要研究內(nèi)容測量單元11mm網(wǎng)格測量單元2測量單元33mm網(wǎng)格2mm網(wǎng)格標(biāo)尺編碼點(diǎn)1.大尺寸覆蓋件的三維拼接技術(shù)研究133.主要研究內(nèi)容1.大尺寸覆蓋件的三維拼接技術(shù)研究n-1nkkkpp表示三維偏差； n 表示有n個公共

6、編碼點(diǎn)；pk表示第k個公共編碼點(diǎn)在拼接參考單元中三維坐標(biāo)；pk表示第k個公共編碼點(diǎn)在待拼接單元轉(zhuǎn)換后的三維坐標(biāo)。143.主要研究內(nèi)容三維拼接偏差=0.011mm三維拼接偏差=0.015mm測量單元測量單元2與測量單元與測量單元1局部公共點(diǎn)拼接局部公共點(diǎn)拼接測量單元測量單元3與測量單元與測量單元2局部公共點(diǎn)拼接局部公共點(diǎn)拼接1.大尺寸覆蓋件的三維拼接技術(shù)研究153.主要研究內(nèi)容2.2.基于大量網(wǎng)格點(diǎn)的光束平差優(yōu)化 是將控制點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)、待定點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)以及其他內(nèi)業(yè)、外業(yè)量測數(shù)據(jù)的一部分或全部視作觀測值，以整體地同時求解它們的或然值和待定點(diǎn)空間坐標(biāo)的解算方法。123xxxvabcltv pv163

7、.主要研究內(nèi)容2.2.基于大量網(wǎng)格點(diǎn)的光束平差優(yōu)化未知數(shù)：（1）攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)（2）攝像機(jī)外參數(shù)（3）標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)第一次光束平差優(yōu)化對象：編碼點(diǎn)和隨機(jī)選取的部分非編碼點(diǎn)優(yōu)化目的：求出攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)和所有圖像的外參數(shù)，以及編碼點(diǎn)的三維坐標(biāo)。第二次光束平差優(yōu)化對象：剩余的非編碼點(diǎn)優(yōu)化目的：分塊求出所有非編碼點(diǎn)的三維坐標(biāo)173.主要研究內(nèi)容2.2.基于大量網(wǎng)格點(diǎn)的光束平差優(yōu)化光束平差優(yōu)化前光束平差優(yōu)化前光束平差優(yōu)化后光束平差優(yōu)化后183.主要研究內(nèi)容2.2.基于大量網(wǎng)格點(diǎn)的光束平差優(yōu)化截線編號12345678910平均值光束平差優(yōu)化前應(yīng)變平均值（%）0.3800.7720.6770.7520.624

8、0.7180.5640.5920.6770.6960.645應(yīng)變均方差0.2750.3850.4010.3540.2810.2110.3150.3730.4080.2730.328光束平差優(yōu)化后應(yīng)變平均值（%）0.034 0.019 0.037 0.027 0.018 0.028 0.032 0.038 0.021 0.028 0.028 應(yīng)變均方差0.0190.0070.0170.0090.0060.0130.0180.0220.0100.0150.014表3-1 光束平差優(yōu)化優(yōu)化前后截線網(wǎng)格點(diǎn)應(yīng)變結(jié)果niin121m=0.328光束平差優(yōu)化前光束平差優(yōu)化前m=0.014光束平差優(yōu)化后光束平

9、差優(yōu)化后193.主要研究內(nèi)容2.2.基于大量網(wǎng)格點(diǎn)的光束平差優(yōu)化網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)目(個)10002000300040005000600070008000900010000本文改進(jìn)光束平差優(yōu)化算法計算時間(s)9.8151.196108.646110.837311.909311.82283.599376.381411.321398.722內(nèi)存消耗(mb)159.008391.416913.553711.3561006.476932.084974.8681137.6441211.3321240.365計算誤差(pixel)0.04090.04850.04760.05910.05640.05320.0625

10、0.06540.07070.0724未改進(jìn)光束平差優(yōu)化算法計算時間(s)25.709169.098524.9191302.364020.07-內(nèi)存消耗(mb)332.081199.5363591.9424751.8766431.892-計算誤差(pixel)0.04170.04810.04740.05570.0532-203.主要研究內(nèi)容2.2.基于大量網(wǎng)格點(diǎn)的光束平差優(yōu)化mijminjijijnqqi111平均反投影誤差平均反投影誤差213.主要研究內(nèi)容 將不同狀態(tài)下的相同測量單元的行列信息對應(yīng)起來, 隨后在各測量單元中選擇相同的種子點(diǎn), 作為單元網(wǎng)格重建的初始位置, 并且保證網(wǎng)格按照相同的

11、拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行三維重建。3. 3. 多狀態(tài)下網(wǎng)格點(diǎn)匹配重建的研究223.主要研究內(nèi)容3. 3. 多狀態(tài)下網(wǎng)格點(diǎn)匹配重建的研究確定網(wǎng)格坐標(biāo)系單點(diǎn)型種子四邊形生成方式單點(diǎn)型種子四邊形生成方式4 4點(diǎn)型種子四邊形生成方式點(diǎn)型種子四邊形生成方式233.主要研究內(nèi)容3. 3. 多狀態(tài)下網(wǎng)格點(diǎn)匹配重建的研究12fff1/acif acfcaif ac2/bdif bdfdbif bd( )/( )iiminmax243.主要研究內(nèi)容cbasiccbcolkcolrbasicrbrowkrow3. 3. 多狀態(tài)下網(wǎng)格點(diǎn)匹配重建的研究網(wǎng)格坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換253.主要研究內(nèi)容3. 3. 多狀態(tài)下網(wǎng)格點(diǎn)匹配重建的研究網(wǎng)

12、格點(diǎn)網(wǎng)格點(diǎn)1 1網(wǎng)格點(diǎn)網(wǎng)格點(diǎn)2 2 是否交換是否交換a ab b+1+1+1+1否否a ad d+1+1+1+1是是b ba a-1-1+1+1否否b bc c-1-1+1+1是是c cd d-1-1-1-1否否c cb b-1-1-1-1是是d dc c+1+1-1-1否否d da a+1+1-1-1是是basiccolbasicrow表表4-1 4-1 網(wǎng)格轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)系數(shù)列表網(wǎng)格轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)系數(shù)列表263.主要研究內(nèi)容3. 3. 多狀態(tài)下網(wǎng)格點(diǎn)匹配重建的研究種子網(wǎng)格模板匹配網(wǎng)格的自動匹配（1）判斷網(wǎng)格點(diǎn)鄰近網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)目）判斷網(wǎng)格點(diǎn)鄰近網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)目（2）判斷）判斷b類位置是否有且只有一個空缺網(wǎng)格點(diǎn)

13、類位置是否有且只有一個空缺網(wǎng)格點(diǎn)（3）判斷）判斷a類位置兩點(diǎn)是否處于對角線位置類位置兩點(diǎn)是否處于對角線位置273.主要研究內(nèi)容3. 3. 多狀態(tài)下網(wǎng)格點(diǎn)匹配重建的研究種子網(wǎng)格模板匹配網(wǎng)格的自動匹配（1）確定種子四邊形）確定種子四邊形（2）區(qū)分）區(qū)分b類位置網(wǎng)格點(diǎn)，確定類位置網(wǎng)格點(diǎn)，確定b1和和b2點(diǎn)點(diǎn)（3）確定網(wǎng)格坐標(biāo)系）確定網(wǎng)格坐標(biāo)系x軸和軸和y軸方向軸方向283.主要研究內(nèi)容3. 3. 多狀態(tài)下網(wǎng)格點(diǎn)匹配重建的研究 （a a） 試件初始狀態(tài)試件初始狀態(tài) （b b） 試件進(jìn)行第一次脹形后試件進(jìn)行第一次脹形后（c c） 試件進(jìn)行第二次脹形后試件進(jìn)行第二次脹形后 （d d） 試件進(jìn)行第三次脹形后

14、試件進(jìn)行第三次脹形后 本實(shí)驗通過對一個杯突試件在多個狀態(tài)下進(jìn)行脹形成形，對多個狀態(tài)的應(yīng)變變化進(jìn)行分析計算以驗證多狀態(tài)下網(wǎng)格重建匹配的有效性。293.主要研究內(nèi)容狀態(tài)狀態(tài)1 1狀態(tài)狀態(tài)2 2狀態(tài)狀態(tài)4 4狀態(tài)狀態(tài)3 33. 3. 多狀態(tài)下網(wǎng)格點(diǎn)匹配重建的研究303.主要研究內(nèi)容 采用多狀態(tài)應(yīng)變檢測后, 選取成形前的板料進(jìn)行圖像采集, 將該狀態(tài)的三維網(wǎng)格作為基準(zhǔn)參考, 根據(jù)網(wǎng)格拓?fù)潢P(guān)系重新設(shè)置網(wǎng)格應(yīng)變計算的初值。 狀態(tài)狀態(tài)1 1狀態(tài)狀態(tài)3 3狀態(tài)狀態(tài)4 4狀態(tài)狀態(tài)2 23. 3. 多狀態(tài)下網(wǎng)格點(diǎn)匹配重建的研究313.主要研究內(nèi)容 同時由于檢測計算出印制網(wǎng)格的真實(shí)大小, 將該網(wǎng)格代替理想虛擬網(wǎng)格作為

15、網(wǎng)格應(yīng)變計算參考狀態(tài)可以有效降低網(wǎng)格印制對整個檢測精度的影響。 3. 3. 多狀態(tài)下網(wǎng)格點(diǎn)匹配重建的研究323.主要研究內(nèi)容杯突實(shí)驗試件逆向工程獲取cad模型dynaform軟件有限元模擬系統(tǒng)應(yīng)變檢測結(jié)果對比分析3. 3. 多狀態(tài)下網(wǎng)格點(diǎn)匹配重建的研究333.主要研究內(nèi)容4.4.汽車覆蓋件成形應(yīng)變測量技術(shù)方案與驗證分析343.主要研究內(nèi)容4.4.汽車覆蓋件成形應(yīng)變測量技術(shù)方案與驗證分析三維拼接技術(shù)汽車頂蓋零件的三維網(wǎng)格汽車頂蓋零件的三維網(wǎng)格353.主要研究內(nèi)容4.4.汽車覆蓋件成形應(yīng)變測量技術(shù)方案與驗證分析三維拼接技術(shù)汽車頂蓋零件的最大主應(yīng)變分布汽車頂蓋零件的最大主應(yīng)變分布汽車頂蓋零件的厚向應(yīng)

16、變分布汽車頂蓋零件的厚向應(yīng)變分布363.主要研究內(nèi)容4.4.汽車覆蓋件成形應(yīng)變測量技術(shù)方案與驗證分析光束平差優(yōu)化算法汽車門板零件的三維網(wǎng)格重建效果汽車門板零件的三維網(wǎng)格重建效果373.主要研究內(nèi)容4.4.汽車覆蓋件成形應(yīng)變測量技術(shù)方案與驗證分析光束平差優(yōu)化算法光束平差優(yōu)化前的網(wǎng)格效果光束平差優(yōu)化前的網(wǎng)格效果 光束平差優(yōu)化后的網(wǎng)格效果光束平差優(yōu)化后的網(wǎng)格效果383.主要研究內(nèi)容4.4.汽車覆蓋件成形應(yīng)變測量技術(shù)方案與驗證分析光束平差優(yōu)化算法光束平差優(yōu)化前的應(yīng)變結(jié)果光束平差優(yōu)化前的應(yīng)變結(jié)果 光束平差優(yōu)化后的應(yīng)變結(jié)果光束平差優(yōu)化后的應(yīng)變結(jié)果393.主要研究內(nèi)容4. 結(jié)論與展望已獲得主要結(jié)論與成果已獲

17、得主要結(jié)論與成果n設(shè)計出可以應(yīng)用于實(shí)際測量的基于公共點(diǎn)的三維拼接方案。主要包括三維點(diǎn)匹配和空間坐標(biāo)系的變換相關(guān)研究，實(shí)現(xiàn)局部公共點(diǎn)拼接和全局公共點(diǎn)拼接。40n提出了多次分塊進(jìn)行光束平差優(yōu)化的改進(jìn)算法。對攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)和三維點(diǎn)坐標(biāo)分開進(jìn)行計算，然后對網(wǎng)格點(diǎn)分塊優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了大量網(wǎng)格點(diǎn)的光束平差優(yōu)化。4. 結(jié)論與展望已獲得主要結(jié)論與成果已獲得主要結(jié)論與成果n提出了網(wǎng)格坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換匹配公式和種子網(wǎng)格模板概念?？梢詫?shí)現(xiàn)不同狀態(tài)下網(wǎng)格點(diǎn)的快速匹配。并且通過引入基準(zhǔn)狀態(tài)參與應(yīng)變計算可以明顯提高應(yīng)變測量精度。41n提出了汽車覆蓋件成形的應(yīng)變測量技術(shù)方案，并結(jié)合實(shí)際汽車覆蓋件頂蓋和門板實(shí)例對提出的技術(shù)方案進(jìn)行實(shí)

18、驗驗證，實(shí)驗結(jié)果表明該技術(shù)方案可以有效應(yīng)用于汽車覆蓋件的測量。4. 結(jié)論與展望已獲得主要結(jié)論與成果已獲得主要結(jié)論與成果n已發(fā)表論文：王金葵，李鈺等：板料成形三維全場應(yīng)變攝影測量快速檢測系統(tǒng)研究 鍛壓技術(shù)j,2012,37(3)424. 結(jié)論與展望論文展望論文展望n改進(jìn)圖像采集及后期處理相關(guān)技術(shù)。n通過與逆向技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)回彈變形的比對分析。n實(shí)現(xiàn)有限元分析結(jié)果與測量結(jié)果對比分析。43對于蘇文斌老師提問的回答問題：論文圖問題：論文圖5-12及表及表5-2中的四個非編碼點(diǎn)，經(jīng)光束平差優(yōu)化中的四個非編碼點(diǎn)，經(jīng)光束平差優(yōu)化后的應(yīng)變均變小，為什么說明更接近實(shí)際工況？請分析說明。后的應(yīng)變均變小，為什么說

19、明更接近實(shí)際工況？請分析說明。44網(wǎng)格點(diǎn)id1826207020642338平均值光束平差優(yōu)化前的應(yīng)變/%21.23612.7855.78712.30813.039光束平差優(yōu)化后的應(yīng)變/%6.5562.5911.2292.1393.129表5 2部分網(wǎng)格點(diǎn)的光束平差優(yōu)化前后的應(yīng)變值（工程應(yīng)變）圖5 12 光束平差優(yōu)化前后的汽車門板零件應(yīng)變分布對比回答：通過觀察具體的實(shí)際工況圖像，可以看到所選擇的的回答：通過觀察具體的實(shí)際工況圖像，可以看到所選擇的的4 4個非編碼點(diǎn)位于均勻變個非編碼點(diǎn)位于均勻變形的區(qū)域，該區(qū)域的應(yīng)變值主要分布在形的區(qū)域，該區(qū)域的應(yīng)變值主要分布在5%5%以內(nèi)，不可能在該區(qū)域某個位

20、置上出現(xiàn)應(yīng)以內(nèi)，不可能在該區(qū)域某個位置上出現(xiàn)應(yīng)變的突增。并且觀察網(wǎng)格點(diǎn)的圖像，所選的變的突增。并且觀察網(wǎng)格點(diǎn)的圖像，所選的4 4個網(wǎng)格點(diǎn)在若干幅圖像中并沒有識別出個網(wǎng)格點(diǎn)在若干幅圖像中并沒有識別出來，因此應(yīng)變計算結(jié)果偏大的主要原因是圖像質(zhì)量問題導(dǎo)致的，通過光束平差優(yōu)化來，因此應(yīng)變計算結(jié)果偏大的主要原因是圖像質(zhì)量問題導(dǎo)致的，通過光束平差優(yōu)化有效消除了這類的偏差，而最終應(yīng)變優(yōu)化后變小驗證了光束平差的有效性。有效消除了這類的偏差，而最終應(yīng)變優(yōu)化后變小驗證了光束平差的有效性。對于殷咸青老師提問的回答問題問題1：在局部公共點(diǎn)拼接中，為什么兩個分塊之間有：在局部公共點(diǎn)拼接中，為什么兩個分塊之間有5個或個或

21、5個以上的公共編碼點(diǎn)，兩個分塊可以自動拼接？如果小于個以上的公共編碼點(diǎn)，兩個分塊可以自動拼接？如果小于5個會個會怎么樣？怎么樣？45回答：公共點(diǎn)拼接的實(shí)質(zhì)是將兩個坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到一個坐標(biāo)系內(nèi)，確定一個回答：公共點(diǎn)拼接的實(shí)質(zhì)是將兩個坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到一個坐標(biāo)系內(nèi)，確定一個坐標(biāo)系至少需要三個空間點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)。因此理論上三個公共編碼點(diǎn)便可以進(jìn)行拼接，坐標(biāo)系至少需要三個空間點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)。因此理論上三個公共編碼點(diǎn)便可以進(jìn)行拼接，但是在實(shí)際的轉(zhuǎn)換矩陣求解時，通過三個公共編碼點(diǎn)求解線性方程組所得結(jié)果很不但是在實(shí)際的轉(zhuǎn)換矩陣求解時，通過三個公共編碼點(diǎn)求解線性方程組所得結(jié)果很不穩(wěn)定，計算得到的旋轉(zhuǎn)矩陣往往不滿足正交條件，導(dǎo)致計算偏差較大。而選擇穩(wěn)定，計算得到的旋轉(zhuǎn)矩陣往往不滿足正交條件，導(dǎo)致計算偏差較大。而選擇5 5個點(diǎn)個點(diǎn)可以通過最小二乘擬合的方法，采用奇異值分解可以減小計算偏差。而之所以