小尺寸零件的无标志点扫描测量方法

小尺寸零件的表面积小、结构复杂,传统标志点拼接方法需要在零件表面人工粘贴标志点,导致表面的测量数据缺失出现孔洞。基于特征的点云拼接方法要求零件表面具有易区分的几何或距离特征,不适用于包含重复性特征的回转体零件。本文提出一种基于机械拼接的无标志点扫描测量方法,不需要粘贴标志点,不依赖于零件表面特征。首先,采用基于摄影测量的相机标定方法得到相机的高精度内外参数,重建标定板上靶点的高精度三维坐标,接着通过跟踪编码靶点的位置建立转台不同转角对应的旋转矩阵,进而解算出转轴方向向量和轴上定点坐标,实现转轴和相机的同步标定。在完成两个转轴位姿精确标定的基础上,利用转台转角构建旋转拼接矩阵,实现多视角点云粗配准。最后,基于法向迭代最近点算法(Normal Iterative Closest Point,NICP)完成点云的精配准。实验结果表明:使用靶点跟踪法标定后的两转轴夹角误差较传统的标准球拟合法低0.023°,标定后测量标准球的整体平均尺寸误差小于0.012 mm;在小尺寸零件自动化测量时,机械拼接方法在精配准后的点云拼接效果与标志点拼接方法相近,且拼接稳定性更高。机械拼接方法适用于无法粘贴标记点的小尺寸零件三维形貌测量场景。

数字图像相关法中的优化插值滤波器

针对数字图像相关方法中的亚像素插值误差,在复频域内利用滤波器的传递函数分析了亚像素位置和图像频率对插值误差的影响,在此基础上设计了一种基于B样条插值核的优化插值滤波器。为使该滤波器能自适应于不同散斑图像,提出了一种利用图像的频谱分析获取滤波器中权值函数的方法,以B样条滤波器系数为非线性优化插值滤波器的迭代初值,解算出图像的最优滤波系数。在不考虑数字图像相关法中其他位移测量误差影响的情况下,通过平移和单向拉伸两个数值实验,证实所提滤波器可以明显减小亚像素插值误差,更好地满足了实验力学中对利用数字图像相关法进行高精度位移测量的需求。

显微立体视觉小尺度测量系统的标定

结合透视投影模型、非参数化的光学畸变模型以及光束平差算法,提出并实现了一种标定显微立体视觉系统光路的方法。首先,通过光刻方法制作了用于显微立体视觉系统标定的标定参考物,并利用待标定系统采集标定参考物不同方位的图像。然后,基于非参数化的光学畸变模型,采用样条曲面计算得到显微立体视觉系统的畸变校正场,并结合透视投影模型建立显微立体视觉系统的完整成像模型。最后,利用光束平差算法对所建立的成像模型进行标定计算和优化调整。搭建了显微立体视觉小尺度测量装置,验证了提出的标定方法的可行性。通过标定获得了测量装置两个光路的焦距和相对方位等参数,并借助于高精度四轴位移台对标定结果进行了精度验证。结果表明,采用本文方法标定后位移测量的精度优于1%,能够满足微胀形实验中三维变形测量的要求。该标定方法也可用于其他显微视觉检测领域。

基于DIC的预应变下铜/铝复层板各向异性性能检测与研究

基于数字图像相关法(DIC)与双目视觉技术,提出并实现了一种用于爆炸焊接制备的铜/铝复层板全场三维应变测量的方法。为了验证该方法的可行性,进行了Q235钢拉伸实验,将DIC法与引伸计变形测量结果进行了对比。应用DIC法对预应变下的复层板各向异性进行了性能检测与研究。结果表明:数字图像相关法的应变测量精度高于0.5%,与引伸计所测结果基本相当;随着预应变量的增加,复层板料力学参数的各向异性先增强后减弱;塑性应变比、应变硬化率的变化与预应变量和加载方向密切相关;板料轴向应变与宽向应变间的线性关系也受预应变与加载方向的影响。

铜/铝复层板成形极限视觉测量方法及成形性能

基于数字图像相关法(DIC)与双目视觉技术,提出并实现了一种用于爆炸焊接制备的铜/铝复层板成形极限应变的视觉测量方法,利用有限元模拟结果对该方法进行验证。根据DIC方法获得的板料成形极限应变,分析热处理工艺及接触状态对铜/铝复层板成形极限的影响,使用扫描电子显微镜对界面与断口形貌进行观察分析。结果表明:DIC方法测得的铜/铝复层板失稳破裂时的最大主应变与有限元模拟结果的相对误差为0.1%,且应变值分布与有限元模拟吻合也较好;铝在内层时复层板成形极限大于铜在内层时的成形极限;经过退火处理的铜/铝复层板成形性能优于未退火时的性能;铜/铝复层板发生失稳断裂时,界面产生脱离。

基于双目视觉和散斑投射的快速形貌测量

针对现有三维扫描设备存在的体积较大,测量速度较慢以及对环境光照敏感等问题,利用双目立体视觉和散斑结构光,开发了一种小型的形貌测量装置。首先对该装置的投射模块,硬件结构进行了设计,其次对涉及到的主要算法,采用数字图像相关法进行像点坐标匹配进行了研究,最后对系统的测量效果和精度进行了初步验证。实验表明,对于单幅点云,该扫描装置测量过程迅速,数据采集可在2 ms内完成。并且在保证生成点的数目较多的同时,精度可达到0.1 mm。因此,本文提出的小型散斑投射装置可在确保测量精度的前提下,实现工件的快速测量。

柔性复合薄膜成形极限曲线的视觉测定方法

针对柔性复合薄膜成形试验中极限应变难以测量的问题,提出一种基于双目立体视觉结合数字图像相关法的测量方法。首先对于薄膜材料成形过程中产生大变形或裂纹时图像难以匹配的问题,根据系列图像相邻状态变形的连续性,提出了一种图像匹配基准自适应更新的弱相关分步匹配方法;然后根据薄膜材料表面应变分布不同于钢制件的特性,提出了一种构建应变场截线来拟合薄膜材料的极限应变曲线的方法。专门组建视觉测定的软、硬件系统,通过Q235钢试件进行极限应变曲线测量并与坐标网格方法进行对比,材料极限应变精度能够提高0.02%,证明了本文方法的可行性和精确性。用7组PET/Nylon/Al foil/PP材料制备成的柔性复合薄膜试件进行实测,此方法及系统成功地完成了柔性复合薄膜材料的成形极限曲线测定。对比实验和实际测试证明,本文方法能够快速、准确地测量柔性复合薄膜材料在整个成形过程中的表面应变分布,与传统的坐标网格方法相比具有明显的优势,为测定薄膜材料的成形极限应变曲线提供了一种高可靠性、高精度的手段。

斜视场弱相关散斑图像的离散化匹配

为了解决由视场倾斜造成的弱相关散斑图像难以匹配的问题,提出一种大倾角数字散斑图像的离散化匹配方法。基于小尺寸子区匹配受倾斜影响相对较小的规律,首先将大尺寸种子点离散化为小尺寸种子点群进行匹配;然后整合小尺寸种子群匹配结果从而获得大尺寸种子点的匹配初始值;经过精确调整该值后即可获得准确的大尺寸种子点匹配坐标;最后利用种子点扩散算法即可实现倾斜图像的完整匹配。通过模拟生成0~42°倾斜角图像序列并在子区半径7~30pixel范围内进行匹配测试,确定了倾斜角度和子区尺寸是影响图像匹配的主要因素,给出了成功匹配倾斜图像过程中关键参数的选择依据,验证了离散化匹配方法的有效性,并对比了其综合性能。数值模拟和实验结果表明,本文所提离散化匹配方法的精度在±0.03 pixel内,有效提高了斜视场下散斑图像的匹配成功率,能够满足倾斜40°以下视场的散斑图像的稳定匹配和变形测量需求。

微尺度三维变形测量的显微数字图像相关系统

基于体式显微镜和数字图像相关法,提出并实现了一种用于对微小尺度材料进行全场三维变形测量的显微数字图像相关系统。针对体式显微镜标定,提出一种高精度的基于B样条曲面重构的成像系统畸变模型,该模型通过采集自主设计的高精度平面标定板图像,来构建无畸变图像平面和标定板平面之间关系,并以此确定空间B样条曲面形式。利用一种高效的对称亚像素细分法来实现数字图像的高精度匹配,并介绍了所提系统进行三维测量和分析的过程。实验结果表明,标定结果的平均重投影误差为0.03pixel,位移测量精度优于0.2μm,应变测量误差的标准差不超过100με。同时,实验结果也证实了该系统可以准确、全面地实现对微小尺寸材料表面的全场三维变形测量。

大型上单翼飞机机翼三维全场变形测量方案

针对大型上单翼飞机在飞行过程中机翼大挠度变形检测难题,提出了大倾角相机视场下机翼的非接触三维全场变形测量方案。根据上单翼飞机结构特点,将预先标定内参数和相机外参数的共轭相机组安装于飞机垂直尾翼上,采集飞行中的机翼变形图像。首先,提出了大倾角弱相关散斑匹配方法,解决了相机在大倾斜角度状态下采集到的机翼变形弱相关图像相关性差,难以相关匹配的问题。其次,由于测量相机安装于垂直尾翼,飞行测量过程中相机会受到气流扰动产生振动,本文提出了一种相机动态校正方法,通过在机背布置预拉伸刚性不动编码标志点,实时解算基准相机的绝对外参数,进而确定共轭相机的绝对外参数,实现所有测量相机外参数的动态校正。最后,开发了机翼变形全场测量软硬件系统,搭建了缩小比例机翼模型试验台并进行了仿真测量,对系统测量精度进行了比对分析。测量结果验证了本方案的有效性、可行性,对实机测量有一定的指导意义。

锻压制件的三维全场尺寸与应变的快速检测技术

随着中国制造业的快速发展．汽车、飞机、船舶、军工等行业中大量采用大型锻压制件或；中压钣金工件，大小从几米到几十米．迫切需要适合生产现场使用、快速方便的三维外形尺寸检测方法。相对于大型工件的轮廓尺寸测量．变形和应变的检测难度更高，需求也更为迫切．与材料力学性能相关的变形和应变数据决定了大型工件的产品质量。