空间最优投影平面的斜口圆截面管路端头位姿测量

船舶、飞机等发动机为减小体积,采用斜口管路焊接代替弯头连接,管路系统中端头位姿是焊接对齐的前提。针对斜口管路端头位姿的高效高精度测量难题,提出了一种通过重建管路轴线以及管路端面进行端头位姿精确测量的方法。通过获取种子圆柱并设计非线性寻优算法提高圆柱拟合精度,通过高精度种子圆柱扩散重建得到管路轴线。通过双曲率阈值搜索方法对管路边缘进行搜索,得到管路端面边缘点整像素坐标。通过对端面提取得到的整像素坐标进行椭圆拟合结合射线求交方法求解端面边缘亚像素坐标,从而避免插值方法计算亚像素坐标受环境光源影响大的问题。最后,使用逐点最小二乘法重建空间投影平面并在平面上得到残差最小空间椭圆,空间椭圆中心即为管路端点,该投影平面即为端面所在平面,实现了对端头位姿的精确测量。实验结果表明,该方法的测量精度达到0.05 mm,角度测量误差小于0.1°,基本满足斜口管路端头的位姿测量精度要求,对管路的装配具有良好的指导意义。

模型自适应的扫描视点自动规划

当进行扫描重建时,示教扫描繁琐且通用性差,目前视点规划的重点依然是自动获取覆盖模型的最少视点集。为了实现对不同复杂程度零部件的自动化三维扫描重建,本文对视点规划过程中可能发生的视点冗余、视点遮挡、双目重建约束等问题进行研究。首先,针对现有视点规划难以对模型进行完整扫描的问题,通过分析面结构光扫描特性,对Lloyd’s算法进行改进,提出使用欧式距离和法向量偏差的能量函数对模型进行Voronoi划分,生成初始扫描视点。接着,针对视点冗余问题,提出了对初始扫描视点进行分裂的迭代算法。最后,针对生成的视点容易产生遮挡的问题,提出了一种视线去遮挡策略,并以提高模型覆盖率为目的,提出了使用追扫视点的方法。实验结果表明:在最佳视点数量下,对于汽车铸件和壳体的覆盖率达到了94%以上,对于简单曲面汽车钣金的覆盖率达到了99.5%以上,并实现了汽车转向节的自动规划扫描,满足视点自动规划的覆盖率和效率以及对不同复杂程度零件的适应性要求。

基于数据映射优化的航空机匣变形测量偏差比对

为了解决航空发动机机匣性能试验中双目DIC变形测量偏差难以全场、精确量化的问题,提出了一种系统、全面的DIC测量数据与有限元仿真数据之间的映射方法。首先,采用FPFH特征和ICP算法精确配准两类点云数据,完成了数据坐标系的精确对齐;然后使用遗传算法优化的拟合神经网络调整有限元节点位置,从而消除两类数据间节点位置不一致的问题,完成仿真网格向DIC网格的高精度映射;最后,使用逐点最小二乘应变估计算法统一了有限元仿真和DIC测量的应变计算模式,得到与DIC属性一致的有限元比对数据,从而实现被测面全场变形的偏差估计。机匣刚度实验中肋板处的变形比对结果显示,网格节点的映射精度优于1×10-6mm,仿真变形和DIC变形的偏差云图与偏差曲线具有良好的一致性,且能够显示DIC测量偏差存在的具体位置,在未来航空发动机机匣及类匣体的研制和测试领域具有良好的应用前景。

复杂曲面零件面结构光扫描视点规划

为了实现复杂曲面零件高效自动化测量,本文提出了一种基于改进栅格法的面结构光扫描视点规划方法,并将其应用在汽车复杂曲面零件自动化测量中。首先,针对人工示教视点冗余严重,扫描完整性差的问题,提出了一种基于改进栅格法的面结构光扫描视点规划算法,根据面结构光扫描仪的有效测量范围,确定栅格尺寸,改进候选视点生成策略,并通过扫描仪的测量约束条件得到候选视点的有效测量范围,利用视点质量评价函数确定最优视点。其次,针对视点规划过程中算法耗时长,特征重建精度低的问题,采用体素网格法简化模型,通过八叉树算法分割复杂曲面模型,根据法向量一致性误差确定体素网格尺寸,并且对于几何特征不同的模型,分析权重系数对扫描质量的影响,给出最佳权重系数。最后,进行了汽车钣金件和减速器壳体扫描视点规划和测量实验。结果表明,汽车钣金件视点规划耗时21.93 s,扫描完整性为99.124%,扫描精度为0.025 mm;汽车减速器壳体视点规划耗时158.29 s,扫描完整性为93.231%,扫描精度为0.032 mm。本方法能快速完成复杂曲面视点规划,并且采用规划视点扫描的模型完整性好,精度高,能够满足复杂曲面零件自动测量的要求。

材料力学性能参数的动态视觉测量研究

为了对材料在拉伸变形状态下弹性模量、泊松比等力学性能参数进行动态的视觉测量,基于数字图像相关技术和随机采样一致性原理,提出了一种针对材料在拉伸变形状态下的应变、弹性模量和泊松比等多种力学性能参数的动态测量和计算方法。首先,利用数字图像相关技术,测量出了材料变形试件点对间的位移、应力及线应变值;其次,基于随机采样一致性原理,自动确定了材料的弹性区间;在变形试件的弹性区间内,运用最小二乘拟合法准确获取了材料的弹性模量和泊松比;最后,常温环境下,对两种金属材料进行拉伸实验,实时计算和显示了试件的变形情况以及试验机拉伸过程中的参数变化量。实验结果表明:采用该方法可以准确地对材料弹性模量和泊松比进行动态视觉测量,且弹性模量测量精度平均可达0.86%,泊松比测量精度平均可达0.97%。研究结果表明:该力学性能参数的动态测量和计算方法基本可以满足工业检测行业材料性能参数的测量精度标准。

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。

单相机立体数字图像相关系统优化设计

针对四镜适配器辅助的单目立体数字图像相关(DIC)系统结构参数在实际应用中难以准确设计的问题,提出了一种四镜适配器最优结构参数非线性优化的方法。首先根据四镜适配器光路的数学关系建立了结构最小化的优化模型;然后通过分支定界法完成优化模型的求解,进一步分析了相机固有参数对结构参数的影响;最后通过实验验证了预测结构参数与实际参数误差在1%左右,单目立体DIC系统和常规双目DIC系统点距重建误差均为0.02 mm。并且对散斑测量件进行了平移和旋转实验,平移实验的相对误差为0.7%,旋转实验的位移变化趋势与预期相符。结果表明,该方法可以设计出最优的结构参数,并且在实际测量中的精度满足工程要求。