【优秀硕士博士论文】焊接失稳变形光学非接触三维检测的研究

焊接失稳变形光学非接触三维检测的研究,1 课题背景和意义,大型化，轻质化是当代焊接结构的一个发展趋势，薄壁材料越来越多的应用在汽车、飞机、轮船等工业行业，但在这些结构焊接过程中，失稳变形是一个很重要的问题，如何测量失稳变形更是一个难点问题。,失稳变形：薄壁结构在焊接残余压应力的作用下，纵向压应力超过临界失稳应力，造成局部失稳而产生波浪形测量：位移场，应变场,基金支持：本研究得到国家自然科学基金（50975219）、江苏省科技支撑计划项目（BE2008058）支持,1 课题背景和意义,1课题背景和意义,接触测量，影响被测物性能，尤其小尺寸物体单点、单方向测量，无法展现整体趋势量程有限，无法测量大变形使用复杂，粘贴质量影响测量结果无法适应特殊测量要求，如柔软物体，高温环境，高速旋转物等,位移传感器,加速度/角度传感器,应变片,引伸计,1 课题背景和意义,美国著名焊接学者 Pingsha Dong 在2010年8月的论文中使用图示比较法来评估焊接结果，由于缺乏测量手段没有给出具体变形量,一些文献中使用卡尺进行变形量的测量,缺乏可靠的测量手段使得目前的研究局限于“有限元模拟”,1课题背景和意义,刘建伟等提出一种视觉测量焊接变形的方法，使用CCD相机跟踪拍摄薄板上的标志点测量失稳变形。何洪文等提出一种应用激光扫描测量焊接变形的方法。 X. F.Wang 等通过激光束反射放大系统，实时测量CO2激光弯曲过程试件的显微变形。T.D.Huang, Pingsha Dong 等给美国海军部提交的一份关于船体焊接变形研究报告中，对试验过程中焊接引起的面外变形的测量采用的是三个激光雷达。Lindgren 介绍了一些用于验证焊接数值模拟合理性的方法，包括利用钻孔技术、X射线技术以及中子衍射技术等测量残余应力或应变。Muramatsu 提出了一种激光散斑的测量位移场的方法。D Camilleri, T Comlekci and T. G. F Gray在验证数值模拟结果的正确性与否时，采用了位移传感器和激光扫描系统测量整个试板的面外变形。,1 课题背景和意义,实验设备复杂，对环境要求高实验准备过程耗时大，实验效率低不便于应用到生产检测,快速、简便、准确的完成焊接失稳变形测量从静态测量到动态测量，从点测量到面测量，系列化的失稳变形测量解决方案,2 研究内容,研究内容 1.金属薄板焊接失稳变形的三维摄影测量关键点 变形比对测量技术研究。 2.金属薄板焊接失稳变形的点云数据精确比对静 态测量技术研究。 3.金属薄板焊接失稳变形的三维数字散斑全场动 态应变测量技术研究。,2 研究内容,3.1焊接变形关键点变形测量研究,金属薄板焊接失稳变形的三维摄影测量关键点变形比对测量技术研究研究目的：通过比对薄板表面粘贴的标志点焊接前后的坐标变化关系，计算焊接失稳变形静态变形量。现有系统不足：实验室研发的XJTUSD静态变形测量系统中邻域搜索算法对标志点的搜索有很大的局限性算法改进：使用坐标统一算法进行多组状态之间的坐标配准，提出并使用深度搜索算法对多组状态进行相同点的搜索和匹配。,3.1焊接变形关键点变形测量研究,系统特点： 获得三维坐标、位移变形数据 测量结果三维显示 测量范围30mm 100m 高精度：0.1mm/m,XJTUSD系统介绍,XJTUSD系统用一个摄影测量相机从不同的观察角度（或称摄像站）拍摄被测物体的多幅图片，测量软件计算出所有相关的目标点，自动计算这些数码图片中粘贴的标志点和物体特征点的三维坐标，并对多组状态进行比对计算。,3.1焊接变形关键点变形测量研究,转换矩阵,目的：测量中相同变形点的关联和变形量的计算必须在摄影测量结束后将所有变形状态之间的坐标系统一。,坐标统一算法,3.1焊接变形关键点变形测量研究,求取全球点重心 和 计算全球点相对重心的坐标 和旋转矩阵关系为：可求的旋转矩阵R，并对其规一化：平移矩阵T为：根据R和T进行坐标配准：,坐标统一算法,3.1焊接变形关键点变形测量研究,判断状态i+1中是否存在唯一一个点 与搜索点 的点间距小于邻域搜索阀值，不存在则搜索失败；,正向搜索和反向搜索同时满足条件，则非编码点匹配成功,邻域搜索算法,以点 为搜索中心，在状态i中搜索与其点间距小于搜索邻域阀值的点，如点 不唯一，则搜索失败；,该算法对标志点的粘贴间距和变形量有要求，具有局限性,3.1焊接变形关键点变形测量研究,深度搜索算法,3.1焊接变形关键点变形测量研究,实验验证,标志点粘贴位置CAD图,粘贴标志点后的板件,3.1焊接变形关键点变形测量研究,试验现场布置,高精度标尺提供精度保证编码标志点固定在四周进行坐标配准工作台上及四周的标志点作为坐标转换基准,3.1焊接变形关键点变形测量研究,完全冷却后的板件,3.1焊接变形关键点变形测量研究,初始状态的计算结果,最终状态的计算结果,3.1焊接变形关键点变形测量研究,比对结果,部分标志点由于高温发生损坏，无法得到数据，在所获得的结果中，起弧点出的变形最大，最大为7.16mm，整体变形形状为“马鞍状”,3.1焊接变形关键点变形测量研究,初始状态下点(0, 0)和点(189.7, -1.8)间的距离189.84mm,最终状态下点(0, 0)和点(189.7, -1.8)之间的距离189.64mm较初始状态变形了-0.20mm,面内变形,3.1焊接变形关键点变形测量研究,3.1焊接变形关键点变形测量研究,3.1焊接变形关键点变形测量研究,面外变形即Z方向和面内变形即X方向和Y方向变形数据准确可靠，符合实验预期。该方法只能测量关键点的变形，无法测量全场静态变形。,实验小结,针对焊接全场静态检测，进行了点云精确比对测量技术的研究,3.2焊接变形三维轮廓点云比对研究,金属薄板焊接失稳变形的点云精确比对测量静态测量技术研究研究目的：通过比对焊接前后薄板表面轮廓点云，计算焊接失稳变形静态变形量。现有系统不足：实验室研发的XJTUOM光学面扫描系统只能采集点云，不能进行点云和数模之间的匹配和比对。算法改进：使用法向约束点云融合算法对多幅点云精确融合，使用6点定位算法对多幅点云进行坐标转换，统一坐标系，使用基于约束搜索球数模比对算法对点云和数模进行精确比对。,XJTUOM系统,满足反求、逆向，胜任质量检测。快速测量复杂曲面的三维点云高精度,3.2焊接变形三维轮廓点云比对研究,XJTUOM 的基本原理是：测量时光栅投影装置投影多幅多频光栅到待测物体上，成一定夹角的两个摄像头同步采得相应图象，然后对图象进行解码和相位计算，并利用立体匹配技术、三角形测量原理，解算出两个摄像机公共视区内像素点的三维坐标。,点云融合,点云和数模坐标对齐,点云数模比对,3.2焊接变形三维轮廓点云比对研究,数据处理过程,法向约束点云融合算法,计算子点,点的融合,3.2焊接变形三维轮廓点云比对研究,融合点的法向,点云与数模对齐算法,3.2焊接变形三维轮廓点云比对研究,将焊接前后扫描的点云使用相同的外部非编码点进行坐标转换，保证输出的点云有相同的坐标基准，这样能够进行点云比对。转换方法按照6点定位即321坐标定位法则。,不共线的1,2,3点确定XY平面过4，5做垂直于XY平面的XZ平面过点6做垂直于已有两个面的YZ平面三个面的交点即为原点,约束搜索球,点云上点P与投影点 偏差计算公式,为了判断投影点是否在约束搜索球内，构建约束条件函数,是点云中点P的坐标,是投影点 的坐标,基于约束搜索球的点云数模比对算法,3.2焊接变形三维轮廓点云比对研究,点-面模型,判断投影点是否在三角面片内，依据点-面计算模型原理，构建约束条件函数,3.2焊接变形三维轮廓点云比对研究,基于约束搜索球的点云数模比对算法,点-线模型,判断投影点是否在三角形边内，依据点-线模型原理，构建约束条件函数,3.2焊接变形三维轮廓点云比对研究,基于约束搜索球的点云数模比对算法,试验现场布置及试验参数,3.2焊接变形三维轮廓点云比对研究,焊接平台布置,3,1,2,板件周边贴上标志点作为面扫描的测量基准和拼接基准。 其中，1,2和3号点作为坐标转换的基准，这样能够保证焊接前后的板件的坐标系是统一的。,3.2焊接变形三维轮廓点云比对研究,焊接前的板件点云,焊接后的板件点云,3.2焊接变形三维轮廓点云比对研究,焊接前后板件表面点云的比对,对焊接前板件的点云进行三角化，作为比对基准，再与焊接后点云在相同的坐标系下进行比对。,焊接前板件点云三角化,3.2焊接变形三维轮廓点云比对研究,焊缝位置的截线,由于垫板尺寸小于板件的尺寸，因此边缘区域的变形量出现负值，焊缝的变形趋势是呈“上凸”趋势,3.2焊接变形三维轮廓点云比对研究,板件中间垂直焊缝的截线,通过此处的截线可以看到，板件在这个位置是成“下凹”状,3.2焊接变形三维轮廓点云比对研究,最大变形量：9.5mm,最大变形量：11.6mm,面外最大变形量：10.6mm,面外最大变形量：7.16mm,点云比对实验结果同关键点比对实验结果所得的变形量接近，整体变形趋势也较为接近。,最大变形量：8.5mm,3.2焊接变形三维轮廓点云比对研究,实验结果符合焊接理论中的m=1的情况，即在薄板尺寸较小时焊接变形，变形方向会有不确定性。,沿焊缝方向半波数,3.2焊接变形三维轮廓点云比对研究,1、能够准确测量薄板面外变形，但不能测量面内变形。2、该方法不能对焊接过程进行全场实时检测。,3.2焊接变形三维轮廓点云比对研究,实验小结,针对焊接全场瞬态变形检测，进行了基于图像相关法的三维数字散斑焊接过程全场实时测量技术的研究,3.3焊接变形全场动态应变测量研究,金属薄板焊接失稳变形的三维数字散斑全场动态应变测量技术研究。研究目的：通过跟踪焊接过程中薄板表面的散斑图案，测量瞬态焊接失稳变形。现有系统不足：实验室研发的XJTUDIC数字散斑系统一般只用于常温下的实验，对于高温试验需要对散斑制备方法进行研究和改进，焊接变形计算量大，需要研究新算法提高计算速度。算法改进：使用冷喷涂技术和高温漆对制备焊接条件下的薄板表面散斑，使用“种子点”图像匹配算法快速匹配图像，提高计算速率,3.3焊接变形全场动态应变测量研究,XJTUDIC系统,数字图像相关方法通过跟踪和匹配变形前后所采集图像的灰度信息，来测量物体在各种载荷作用下表面整体的瞬时位移场和应变场,3.3焊接变形全场动态应变测量研究,使用冷喷涂技术和高温漆进行薄板表面散斑制备。,氧化锆喷涂,600度高温漆,二氧化钛喷涂,800度高温漆,(1)氧化锆喷涂在高温下会出现结合不紧的情况(2)二氧化钛喷涂在高温下会变色。(3)高温漆在焊缝区域会出现烧毁情况。,使用高温漆进行标准幅面的全场动态应变测量,散斑图案的制备,3.3焊接变形全场动态应变测量研究,假设子图像中有n个像素点，像素灰度受到独立同分布的噪声干扰，那么对应的参考子图像和变形子图像间的相似程度通过下式衡量：,式中， 为相关参数向量,误差较大的初值会降低最小二乘迭代算法的计算速度或得到错误的收敛结果,基础状态点 的灰度值 与待匹配点 的灰度值 之间的关系可表示为：,“种子点”快速图像匹配,3.3焊接变形全场动态应变测量研究,“种子点”快速图像匹配,焊接变形计算区域大，计算面片数多，采用最小二乘法图像匹配时间长,首先对种子点使用传统的方法进行匹配，然后通过种子点为其临近点提供初值，并不断扩散，直到整个图像匹配完毕。种子点数量很少，整像素搜索的计算量几乎可以忽略不计，由此可以提高匹配效率。,3.3.1 大幅面焊接过程全场实时测量 实验验证,试验板件,板件夹持位置CAD图,板件夹持位置实际图,测量幅面300mm*200mm,3.3.1 大幅面焊接过程全场实时测量 实验验证,焊接工艺参数,3.3.1 大幅面焊接过程全场实时测量实验验证,3.3.1 大幅面焊接过程全场实时测量实验验证,X方向位移,Y方向位移,从以下位移图中可知：1.沿焊缝方向即Y方向，状态点先收缩后扩张，点C扩大幅度约为0.6mm，且在焊接结束时达到正向极值。2.垂直焊缝方向即X方向，状态点先扩张后收缩，点C缩小幅度约为2.6mm，且在焊接结束时达到负向极值。,3.3.1 大幅面焊接过程全场实时测量实验验证,Z方向位移,沿焊缝方向弯曲变形,3.面外方向即Z方向，状态点先向焊枪指向方向变形，后向反方向变形，点C变形幅度达到13.47mm。4.C1和C2的形状同实际焊接结束后板件沿焊缝方向的变形相同。,3.3.1 大幅面焊接过程全场实时测量实验验证,C点Z坐标变化,最大变形量11.6mm,最大变形量7.16mm,3.3.1 大幅面焊接过程全场实时测量实验验证,点对间距变化,点对1是X方向上的点对，点对2是Y方向上的点对点对1沿焊缝方向板件先伸长后收缩，冷却结束较焊接前收缩了0.05mm点对垂直焊缝板件先伸长后收缩，冷却结束较焊接前伸长了0.02mm,1.在大幅面散斑系统下坐标转换后的坐标系方向与设计方向会存在偏差，主要是X方向和Y方向，在小幅面下坐标转换精度相对较好。2.Q235钢的焊接产生的变形属于小变形，大幅面散斑系统在标准幅面的基础上扩大幅面会降低应变的测量精度，应变测量需要使用小幅面测量实验验证。,3.3.1 大幅面焊接过程全场实时测量实验验证,实验小结,3.3.2 小幅面焊接过程全场实时测量实 验验证,试验板件,板件夹持位置CAD图,板件夹持位置实际图,测量幅面64mm*48mm,3.3.2 小幅面焊接过程全场实时测 量实验验证,3.3.2 小幅面焊接过程全场实时测 量实验验证,X方向和Y方向的变化均为先扩张后收缩，符合理论分析Z方向先面向焊枪一侧变形，后反方向变形并稳定,3.3.2 小幅面焊接过程全场实时测 量实验验证,点对1是X方向上的点对，点对2是Y方向上的点对点对1在X方向收缩了0.07mm，应变为-0.12%点对2在Y方向伸长了0.02mm，应变为0.05%点对间距变化数据与大幅面散斑实验的结果接近。,3.3.2 小幅面焊接过程全场实时测 量实验验证,全场面应变数据X方向的正向指向面内，X应变为正值，代表该方向收缩，末状态应变为0.13%Y方向的正向指向焊缝，Y应变为正值，代表该方向收缩，末状态应变为0.6%,3.3.2 小幅面焊接过程全场实时测 量实验验证,1.实验数据准确可靠，坐标转换结果精度较高。2.实验数据表明，焊接过程中板件的沿焊缝方向和垂直焊缝方向的变形趋势都是先扩张后收缩，最终变形结果是，沿焊缝方向和垂直焊缝方向均收缩。3.焊接过程中的面内应变不是均匀的。,总结,3.3.3焊接变形全场动态应变测量研究 总结,4.测量手段对比,关键点比对,三维轮廓点云与CAD比对,数字散斑全场动态应变,静态 点测量 精度0.1mm/m 跟踪点变形前后的位置面内变形和面外变形 适合大尺寸 标志点会损坏,静态 面测量 精度0.03mm 适合大尺寸 面外变形不能跟踪点变形 可测量焊缝,动态 全场 应变精度0.02% 位移精度 0.001mm 适合小尺寸 面外变形和面内变形,5.结论,1.在对摄影测量技术和原有静态变形系统进行了详细的研究的基础上，提出了深度搜索算法，能够使得标志点的粘贴不再受限于物体的变形量。设计并使用改进后的XJTUSD静态变