【硕士论文】焊接失稳变形光学非接触三维检测的研究

硕士学位论文焊接失稳变形光学非接触三维检测的研究RESEARCHONTHREEDIMENSIONALOPTICALDISCONTIGUOUSMEASURINGTECHNOLOGYFORTHINSHEETMETALBUCKLINGDISTORTIONDUETOWELD摘要在轮船、汽车、航空航天等领域越来越多的应用高强度薄壁金属，因其具有减轻结构重量，提升动力，节省能源等优点。但是由于薄壁金属焊接结构的特点，在焊接过程中容易产生失稳变形，即薄壁结构在焊接残余压应力的作用下在刚性较小的结构，纵向压应力超过临界失稳应力造成局部失稳而引起的波浪形变形。这将严重影响焊接构件的质量，给产品带来安全隐患。而传统测量手段的不足无法准确测量焊接过程中的位移变形和应变，因此无法准确掌握焊接变形规律。针对这类问题的研究无疑会对制造行业和相关学科研究具有重要的理论意义和工程应用价值。对光学非接触方法中的一些关键技术问题进行了研究，开发出三种完整的测量焊接失稳变形的检测手段，能够针对焊接变形进行表面关键点静态检测，表面轮廓全局静态检测，表面全场动态应变变形检测。主要研究工作的内容和所获成果有（1）提出一种焊接失稳变形关键点比对测量手段。对基于工业近景摄影测量系统的静态变形系统进行了理论研究，改进搜索匹配算法提出了深度搜素算法，能够使得标志点的粘贴不再限制于变形量，能够针对薄板表面关键点进行变形测量。使用静态变形系统进行焊接失稳变形测量实验。（2）提出一种焊接变形三维轮廓点云比对测量手段。对三维光学面扫描技术和点云融合进行理论研究，提出基于约束搜索球的点云与CAD模型比对算法，能够将焊接变形前后薄板表面的点云经过数据处理进行比对分析，从而得到失稳变形量。使用三维光学面扫描和点云比对软件进行焊接失稳变形测量实验。（3）提出一种焊接失稳变形全场动态应变测量手段。对基于图像相关法和双目立体视觉技术的三维数字散斑动态应变测量系统进行研究，提出基于种子点的散斑图像匹配算法，提高图像匹配精度。使用三维数字散斑系统对焊接失稳变形进行300MM200MM和64MM48MM两个幅面的测量实验。关键词焊接失稳变形；光学非接触；静态变形；点云比对；数字散斑论文类型应用研究TITLERESEARCHONTHREEDIMENSIONALOPTICALDISCONTIGUOUSMEASUREMENTTECHNOLOGYFORTHINSHEETMETALBUCKLINGDISTORTIONDUETOWELDSPECIALITYMECHANICALENGINEERINGABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFSHIP,AUTOMOBILE,AEROSPACEANDOTHEREQUIPMENTMANUFACTURINGINDUSTRY,THINSHEETMETALAREWIDELYFORTHESAKEOFLOWWEIGHT,ENERGYSAVINGANDPOWERIMPROVINGBECAUSEOFTHEDISTRUCTURECHARACTERISTICS,THINSHEETMETALOCCURTHEBUCKLINGDISTORTION,THATWILLSERIOUSLYDAMAGETHEQUALITYOFTHEWELDCOMPONENTSTHETRADITONALCONTACTMEASUREMENTCANNOTSATISFYTHEACCURATEMEASUREMENTOFTHEBUCKLINGDISTORTION,SOTHEDISTORTIONDISCIPLINECANNOTBEGRASPEDCORRECTLYITISVALUEBLETOSTUDYTHISKINDOFPROBLEMFORMANUFACTURINGINDUSTRYANDINTERRELATEDSUBJECTSBOTHINTHEORYANDINAPPLICATIONMEANINGTHEKEYTECHNOLOGYOFOPTICALDISCONTIGUOUSISSTUDIED,AND3METHODSFORTHEMEASUREMENTOFWELDINGBUCKLINGDISTORTIONAREDEVELOPED,INCLUDINGTHEKEYPOINTSSTATICMEASUREMENT,THEFULLFIELDSTATICMEASUREMENTANDTHEFULLFIELDDYNAMICMEASUREMENTTHEMAINCONTENTSANDACHIEVEMENTSARELISTEDASFOLLOWS1ASCHEMEFORWELDINGBUCKLINGDISTORTIONBYKEYPOINTSCOMPAREMEASUREMENTMETHODISPROPOSEDSTUDYONTHETHEORYOFSTATICDEFORMATIONMEASUREENTSYSTEMWHICHISBASEDONTHECLOSERANGEPHOTOGRAMMETRYASCHEMEFORDEPTHSEARCHALGORITHMTOMAKETHESPACEBETWEENUNCODEDPOINTSHAVENORELATETIONSHIPWITHTHEDISTORTIONSANDCANBEAPPLIEDTOTHEMEASUREMENTOFTHEKEYPOINTSONTHESURFACEOFSHEETMETALMEASURETHEWELDINGBUCKLINGDISTORTIONWITHXJTUSD2PROPOSEAWELDINGBUCKLINGDISTORTIONMEASUREMENTMETHODBYTHECOMPARISONOFTHREEDIMENSIONALPOINTCLOUDSSTUDYONTHETHEORYOFTHREEDIMENSIONALOPTICALSCANNINGANDTHEPOINTCLOUDSSYNCRETIC,PROPOSEANOVELINSPECTIONMETHODBASEDONSEARCHINGSPHERETOACQUIRETHEDISTORTIONBYTHECOMPAREOFTHEPOINTCLOUDSANDTHECADMODELMEASURETHEWELDINGBUCKLINGDISTORTIONWITHTHEXJTUOMANDXJTUOMINSPECTOR3PROPOSEAFULLFIELDDYNAMICWELDINGBUCKLINGDISTORTIONMEASUREMENTMETHODBASEDONTHEDIGITALIMAGECORRELATIONANDBINOCULARSTEREOVISIONMEASURETHEWELDINGBUCKLINGDISTORTIONTHEWITHTHEXJTUDICUNDERTHE300MM200MMAND64MM48MMMEASUREMENTAREAKEYWORDSBUCKLINGDISTORTIONOPTICALDISCONTIGUOUSMEASUREMENTFULLFIELDDYNAMICSTRAINMEASUREMENTKEYPOINTSSTATICMEASUREMENTPOINTCLOUDSANDCADMODELCOMPARISONTYPEOFTHESISAPPLIEDRESEARCH目录1绪论111引言112焊接失稳变形光学非接触检测2121研究背景2122国内外发展现状313课题来源与研究意义4131课题来源4132研究意义414主要研究内容和技术路线5141研究内容5142技术路线52焊接失稳变形关键点变形比对测量技术研究721引言722静态变形测量技术7221相对定向7222空间后方交会8223空间前方交会8224光束平差9225坐标配准10226相同变形点匹配12227静态变形测量系统实验方案1223深度搜索算法1424实验验证16241实验参数16242实验设备17243实验过程18244实验结果2125本章小结233焊接变形三维轮廓点云比对研究2431引言2432三维光学面扫描技术2433基于约束搜索球的点云与CAD模型比对分析方法2534实验验证27341实验参数27342实验设备27343实验过程28344实验结果3035本章小结334焊接变形全场动态应变测量研究3441引言3442数字图像相关法3443双目立体视觉3644立体匹配3645种子点匹配算法3846实验设备3947400MM300MM幅面实验验证40471实验参数40472实验过程40473实验结果424864MM48MM幅面实验验证46481实验参数46482实验过程47483实验结果4849测量方法综合比较51410本章小结525结论与展望5351结论5352展望53致谢55参考文献56声明CONTENTS1PREFACE111FOREWORD112DISCONTIGUOUSOPTICALMEASUREMENTONSHEETMETALWELDINGBUCKLINGDISTORTION2121RESEARCHBACKGROUND2122RESEARCHDEVELOPMENTATHOMEANDABROAD313SUBJECTSOURCEANDRESEARCHSIGNIFICANCE4131SUBJECTSOURCE4132RESEARCHSIGNIFICANCE414RESEARCHCONTENTANDTECHNOLOGYROUTE5141RESEARCHCONTENT5142TECHNOLOGYROUTE52KEYPOINTSCOMPARISONMETHODONSHEETMETALWELDINGBUCKLINGDISTORTION721FOREWORD722STATICDEFORMATIONMETHOD7221RELATIVEORIENTATION7222SPACERESECTION8223SPACEINTERSECTION8224BUNDLEADJUSTMENT9225COORDINATETRANSFORMATION10226RELATEDDEFORMATIONPOINTSCORRELATION12227SYSTEMSCHEME1223DEPTHSEARCHINGALGORITHM1424EXPERIMENT16241PARAMETERS16242HARDWARECOMPONENTS17243PROCESS18244RESULTS2125BRIEFSUMMARY233POINTCLOUDSCOMPARISONMETHODONSHEETMETALWELDINGBUCKLINGDISTORTION2431FOREWORD2432BINOCULARSTRUCTUREDLIGHTSCANNINGSYSTEM2433THENOVELINSPECTIONMETHODBASEDONSEARCHINGSPHERE2534EXPERIMENT27341PARAMETERS27342HARDWARECOMPONENTS27343PROCESS28344RESULTS3035BRIEFSUMMARY334FULLFIELDDYNAMICSTRAINMEASUREMENTMETHODONWELDINGBUCKLINGDISTORTION3441FOREWORD3442DIGITALIMAGECORRELATION3443PRINCIPLEOFSTEREOSCOPICVISION3644STEREOMATCHING3645STARTPOINTMATCHINGALGORITHM3846HARDWARECOMPONENTS3947400MM300MMEXPERIMENT40471PARAMETERS40472PROCESS40473RESULTS424864MM48MMEXPERIMEN46481PARAMETERS46482PROCESS47483RESULTS4849MEASUREMENTMETHODCOMPARISON51410BRIEFSUMMARY525CONCLUSIONSANDSUGGESTIONS5351CONCLUSIONS5352SUGGESTIONS53ACKNOWLEDGEMENTS55REFERENCES56DECLARATION1绪论11引言金属的轻量化结构由于质量轻、工艺性能好等优点日益受到重视，尤其是轮船、汽车、航空航天等领域越来越多的应用高强度薄壁金属，因其具有减轻结构重量，提升动力，节省能源等优点1。但是由于薄壁金属焊接结构的特点，在焊接过程中容易产生失稳变形，即薄壁结构在焊接残余压应力的作用下在刚性较小的结构，纵向压应力超过临界失稳应力造成局部失稳而引起的波浪形变形，如图11所示。这将严重影响焊接构件的质量，给产品带来安全隐患2。图11焊接失稳变形当薄板发生焊接失稳变形后，薄板外形比起焊接前的原状已经发生较大变化，对失稳变形需要测量的数据主要包括面内变形，面外变形，应变等数据。目前在焊接变形的检测分析中，常用的测量手段还是传统测量手段，如应变皮，引伸计，位移传感器等，但是由于传统传感器的固有缺陷，严重制约影响着焊接变形理论的进步和发展。因此，有效、准确地焊接变形检测技术是实现焊接变形控制的前提，采用可靠的测量手段将焊接全场变形，焊接过程中以及冷却过程中的全场应变测量出来，并结合数值模拟分析，不仅可以为数值模拟修正提供依据、提高其计算精度，而且可以更真实地反应实际情况。这也为后续进一步探究失稳变形产生的机理研究消除失稳变形的措施提供了更加精确全面的检测手段。焊接过程是一个复杂、多维和多参数的非线性过程通过简单的经验公式难以准确预测焊接结构的应力和变形，尤其是复杂结构的变形行为。当前学界研究焊接失稳变形主要是从数值模拟分析计算的角度进行的36，这种方法需要建立一系列模型对焊接过程进行分析，常用的数值模拟方法有四种1采用小变形的二维、三维热弹塑性有限元方法,2采用大变形的三维热弹塑性有限元方法,3采用解耦合的二维三维塑性应变有限元方法,4采用基于固有应变等效载荷的有限元方法。但是数值模拟基于一定的假设，和实际情况存在偏差，其原因在于缺乏有效和可靠的测试手段。近年来，随着数字图像硬件和图像处理算法的成熟，使得基于光学面扫描技术、摄影测量技术和图像相关法技术的的焊接变形全场静态和动态变形应变测量成为可能。通过文中提到的试验手段能准确检测焊接变形，既有重要的理论意义，又具有重要的使用价值，应用前景非常广阔。本章首先介绍焊接光学非接触式变形测量技术的研究背景，国内外研究现状以及主要存在的问题，阐述本课题的来源和研究意义，最后说明本文的主要研究内容和技术路线。12焊接失稳变形光学非接触检测121研究背景焊接失稳变形是困扰产品加工的一个严重问题，因为变形会影响焊件的精度和使用性能、降低装配质量甚至报废产品、降低产品的承载能力、影响焊件的美观、增加制造成本。焊接变形的检测技术根据时间相关性大致可以分为静态和瞬态测量两大类。静态测量是在实际生产中采用卷尺、直角尺、千分尺或三维坐标仪等工具，如图12所示的比较法比较焊接变形7和图13所示的游标卡尺测量焊接变形8，或通过非接触光干涉法，测量标记点焊接前后标距的变化实现焊接变形测量。虽然静态变形测量方法简便、快捷，但不能反映焊接变形的瞬态信息。近年来随着计算机和传感技术的发展，焊接变形的测量开始向自动化与智能化方向发展，使得焊接变形的瞬态测量成为可能。瞬态测量是在焊接过程中通过位移传感元件，实时采集焊接变形的变化，反映焊接变形随时问的变化规律。目前焊接变形测量方法主要有用引伸计，位移计和电阻片等传感器测量结构构件的位移与应变的方法、使用经纬仪或全站仪的变形测量方法、使用GPS的变形测量方法和使用散斑原理的变形测量方法。用引伸计，位移计和电阻片等传感器915测量结构构件的位移与应变的方法主要为通过引伸计、应变片、位移传感器等传感器测量被测工件的变形情况。优点是测量精度高，并且测量的方法已经比较成熟，广泛用于一些结构件等工件的测量，并具有线性好、精度高、稳定性好、体积小、工艺成熟、成本低及检测电路简单等优点，而且易于集成，便于实现系统的结构紧凑1621。引伸计的标距有限，装卡复杂。同时因大型工件的尺寸宏大和变形复杂存在一定的局限性，比如测点有限、量程有限、仪表必须与试件接触、无法获得位移场和变形场等全局数据，后期数据处理工作量大，受测量环境条件影响大，测量成本高，且有时也具有无法避免的系统量测误差2229。图12比较法比对焊接失稳变形图13游标卡尺测量焊接失稳变形122国内外发展现状在焊接变形的研究中也越来越多的采用非接触式测量方法，如电子散斑干涉法、激光轮廓测量法、激光束反射放大系统、激光位移传感测量系统等。2003年，TDHUANG,PINGSHADONG30等向美国海军部提交了一份关于轻质船体结构焊接应力与变形的阶段研究报告，研究是通过激光雷达全场测量与数值模拟相结合，详细讨论了薄板焊接过程中的应力和变形问题。DCAMILLERI31等在验证数值模拟结果的正确性与否时，采用了位移传感器来跟踪瞬态面外变形过程和激光扫描系统测量焊前和焊后整个试板的面外变形的实验方法，结果表明，数值模拟的准确性取决于输入数据的质量，板子的初始变形对精确预测结果有着至关重要的作用，且板试板的自重和约束条件对焊接变形也有很大影响。AGORKIC32等采用激光投影仪，对脉冲激光焊接过程中的变形进行拍摄，研究发现最终的变形取决于两个主要的过程参数焊接激光脉冲宽度和间隙宽度；VOCELIK33等采用三维DIC数字图像相关技术，设计了一套测量设备，对高能量激光表面焊接过程及冷却过程进行拍摄，得到试板随时间变化的位移和应变曲线，通过分析这些测量数据能够帮助优化激光熔覆参数来阻止高应变的形成。MDESTRYCKER34等采用DIC并结合位移传感器记录用GTAW焊接管子过程中应变的变化，结果表明，DIC能够很方便准确的测量出试样全场应变的瞬态变化量；SAAAKBARI35等,YTAJIAMA36等也分别对采用激光散斑法和DIC法测量焊接过程中的动态变形和应变进行了报道；LINDGREN37使用钻孔技术、X射线技术以及中子衍射技术等测量残余应力或应变。XFWANGETAL38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。测量结果表明，这种方法能够实时、准确地反映激光加工过程微变形的变化规律LIU39等提出一种视觉测量焊接变形的方法。何洪文40等使用三维激光测量试板的焊接变形。上述方法虽然能够获得焊接变形过程中全场变形和瞬态变形，但是这些系统结构设计复杂，设备成本高，采集数据量大，数据处理繁琐，受外界环境制约大，实验准备耗时长，实验效率低，因此并不能有效的广泛应用与学术研究和实际应用中13课题来源与研究意义131课题来源本课题直接来源于国家自然科学基金项目“大型飞机风洞试验的三维视频动态变形测量方法和实验研究”（50975219）以及江苏省工业扶持项目“三维光学快速质量检测系统”（BE2008058）。随着科技的进步，在现代科学研究和生产实际中，除了需要对试件、零件的表面轮廓和几何尺寸等静态特性进行测量外，还需要测量试件、零件在各种载荷作用下表面的变形、位移和动态特性，以用于分析材料的变形特性，找出材料的变形原因和规律，预测材料的变形趋势等。而本课题的研究就是针对焊接过程中物体表面的变形测量和分析而提出的，对之进行研究具有重要意义1目前，光学变形测量技术在国外已经得到了深入研究和广泛的应用，反观国内，光学变形测量技术的研究和应用情况不容乐观。2本课题的研究成果可应用于材料的拉伸、剪切、弯曲、撕裂等力学性能实验，实现材料变形过程中表面形状、位移、应变的静态以及实时计算和分析。3本课题的研究成果可以弥补当前一些变形测量方法的不足，并且随着计算机视觉技术、数字信号处理技术以及图像采集设备的发展，研究成果可用于新的领域。132研究意义光学非接触式测量方法，如本文中提到的，三维光学面扫描系统，三维光学摄影测量系统以及三维数字散斑动态应变测量系统不仅能够保证高精度，而且光路简单，操作简便快捷，并且能够测量大幅面的变形，其中三维数字散斑动态应变测量系统还能够测量焊接过程及冷却过程中的全场变形。这样就能为数值模拟修正提供依据，提高其计算精度，而且可以更真实地反映实际情况。（1）静态变形系统在薄板表面粘贴标志点，分别获取焊接前后表面的标志点坐标，在相同的坐标系下进行比对，计算出每个点的变形量。（2）面扫描系统快速获得薄板表面焊接前后的点云，进行点云比对，计算出薄板表面焊接前后的变形量。（3）数字散斑全场应变变形系统在薄板背侧实时采集焊接过程中薄板表面的散斑图像，计算出焊接过程中薄板表面的全场变形和应变。采用可靠的测量技术，可以验证焊接实验有限元模拟的准确性，而且可以在用较短的时间内得到变形数据，有助于焊接变形的因素的分析和研究，帮助研究者认识焊接变形原理、掌握焊接变形机制，从而能够有效和利用或避免焊接变形。因此，准确、快速地检测焊接变形对于提高产品质量，防止工业事故都有很重要的影响。14主要研究内容和技术路线141研究内容为了满足焊接失稳变形静态和动态，关键点和全场，不同规格的检测要求，本文设计了三种不同的检测方法，并在原有系统的基础上进行了算法改进，提高计算精度和效率。（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。主要包括标志点搜索比对算法的改进，程序实现，实验验证。（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。主要包括算法研究和实现，实验验证。（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。主要包括网格匹配算法的改进和程序实现，整体幅面和局部幅面的试验验证。142技术路线本文通过对焊接失稳变形和光学非接触测量技术的研究，设计了三种不同的焊接失稳变形光学非接触测量手段。分别是焊接失稳变形关键点比对测量技术，焊接失稳变形三维轮廓点云比对测量技术和焊接失稳变形全场动态应变测量技术。首先研究的是表面薄板关键点比对测量，在研究了工业摄影测量技术和静态变形技术后，通过改进原有的邻域搜索算法，提出新的深度搜索算法，提高搜索比对的成功率，并设计完成了焊接变形实验。由于该方法只能测量表面关键点的变形，因此又提出了三维轮廓点云比对测量技术，使用三维光学面扫描技术获取薄板变形前后的点云，并分别进行点云融合。最终将初始状态的点云生成CAD数模，与终止状态的点云进行比对，提出基于约束搜索球的点云与CAD数模比对算法，设计并完成了焊接变形实验。以上两种手段都是静态测量，不能测量焊接过程中的实时变形。针对此需求，提出了焊接失稳变形全场动态变形技术，该技术基于图像相关法和双目立体视觉技术，通过对薄板表面进行散斑处理，使用相机实时采集区域内的变形图像，计算并实时匹配采集到的图像，得到位移场和应变场，并且能实时跟踪某一点或点对在整个变形过程中的变形情况。设计并完成了400MM300MM和64MM48MM两种不同幅面的测量实验。进行完三种不同方法在焊接失稳变形检测中的应用后，比较三种测量手段的适用范围，得出结论与下一步的展望。具体的技术路线图如图14所示。焊接失稳变形测量需求分析金属薄板焊接失稳变形非接触三维检测实验方案三维数字散斑动态应变测量系统实验方案三维光学面扫描系统实验方案静态变形测量系统实验焊接失稳变形理论学习焊接变形面扫描测量实验夹持状态大幅面面外变形动态测量夹持状态标准幅面焊接变形动态测量实验总结摄影测量理论点云融合算法基于约束搜索球的点云与CAD比对算法静态变形理论深度搜索算法图像相关法双目立体视觉技术种子点图像匹配焊接变形全场应变动态测量结论图14技术路线EQUATIONCHAPTER2SECTION22焊接失稳变形关键点变形比对测量技术研究21引言本章的目的是在原有静态变形系统的基础上对匹配算法进行改进，开发出一套可以不受标志点粘贴间距影响的新静态变形系统，并且完成精度验证和焊接变形实验。系统的改进具体是非编码点深度搜索算法。传统算法是邻域搜索算法，即当前状态上的点M向上一个状态投影，搜索投影点M在邻域范围内的点，如果邻域范围内只有一个点N满足搜索条件，则再以点N反向搜索，搜索当前状态中点N的投影点点N的邻域范围内是否只存在满足条件时，则与N为两个状态中的对应的相关变形点。该算法要求非编码点的粘贴间距必须大于点的变形量，这样就对非编码点的粘贴提出了限制，不利于密集测量，而且搜索耗时较长。深度搜索算法，是在搜索深度范围内分初步搜索和精确搜索，能够快速匹配对应的变形点，对标志点的粘贴间距也没有严格要求，因此能够提高匹配成功率和匹配效率。也是对原有的静态变形系统一个质的提高。算法具体内容将在22节做详细介绍。本章首先提出深度搜索算法，然后介绍算法的实现以及实验验证，最后在焊接失稳变形实验中应用该技术进行实验验证，实现了一种对薄板表面关键点进行焊接失稳变形静态变形的测量手段。22静态变形测量技术XJTUSD三维光学静态变形测量以近景工业摄影测量技术为基础，使用高分辨率的相机采集物体在各个变形阶段的全场三维图片，计算出全部变形点的三维坐标41,42，获得变形点在各个变形状态中的坐标。其次，将多组变形数据通过全局点进行坐标配准，使用搜索匹配算法对相同变形点进行匹配搜索，计算各个阶段的相同变形点之间的坐标变化，从而得到该点的变形。221相对定向相对定向指确定两组不同照片之间的相对关系。要确定一张照片的位置需6个外部参数。因此，要确定有相对立体关系的两张像片的需要12个外部参数，即相片111,SSXYZ；相片222,；通过这12个外部参数，就能确定了这两张图片在全局坐标系中的位置，也就能确定了两张图片之间的位置关系。相对定向原理如图21所示。PP1Y2Z2Z2X1Y1Z1X2X2Y2P2图21相对定向222空间后方交会空间前方交会算法，是通过已知内部参数和外部参数的两张或两张以上图片，根据已知物体点的坐标，计算未知坐标值的物体点的空间位置的过程。空间后方交会原理如图22所示。ZYXOSXZYXYP2P1P3P1P3P2图22空间后方交会223空间前方交会空间前方交会算法，是根据已知内部参数和外部参数的两张或两张以上图片，根据已知物体点的坐标，计算未知坐标值的物体点的空间位置的过程。空间前方交会原理如图23所示。ZYXOS1S3S2P（X,Y,Z）图23空间前方交会224光束平差摄影测量光束平差算法，是一种把已知坐标位置的点，待解算点和参数作为整体，以整体的光束平差误差的求解作为待解算点的结果。光束平差的原理如图24所示，其求解原则是使得整体的观测值V满足TP为最小。基于共线方程列出的光束平差的误差方程为123VAXBCXLMERGEFORMAT（21）其中1为相机内部参数，2为相机外部参数，L为图像点坐标，A、B、C分别是相应参数系数。ZYXYX图像坐标系物体点（X,Y,Z）X,YAZ,EI,ROLLXC,YC,ZC图24光束平差225坐标配准各个变形状态在XJTUDP中所重建的空间坐标信息彼此是不同的，是根据当时的拍摄位置来决定的。由于各个变形状态的相同变形点计算必须在相同的坐标系下进行，所以必须进行各个变形状态的坐标配准。第I个变形状态下的全局点坐标为12IIIMIIIIGXXLOBAYYZZMERGEFORMAT（22）基准状态下的全局点坐标为12BASEBASEBASEMBASESESESEGXGXLOYYZZMERGEFORMAT（23）变形状态I与基准状态的坐标系关系如MERGEFORMAT（24）所示011IIBASERTGLOBALMERGEFORMAT（24）其中，I和I分别为状态I相对于基准状态的旋转和平移矩阵。只要能够求出旋转矩阵IR和平移矩阵IT就能使状态I的坐标系与基准状态一致。分别将状态I和基准状态中的全局点坐标记录在矩阵IGLOBA和BASEL下，然后计算基础状态和变形状态I下的全局点坐标的重心为111MBASETTBASEBASEXTTBASEYSEMZBASETTGMMGZ，111MITTIIXTTIYIMZITTMG。ILOBA和BASEL相对于各自重心的坐标1212IIIIIIIIIXXMXMMIYYYIIIIIIIIIZZZMGMGXGLYZZ和1212BASESBASESBASESBASEBASEXXMXMBASEYYYSESSESSESSESEZZZXLOGGYMMZBASEMSEGZ根据公式MERGEFORMAT（23）求得旋转矩阵的关系为IIBASERGLLOMERGEFORMAT（25）则I可表示为1MTMTIBASEIIILLGLOLBAMERGEFORMAT（26）根据公式MERGEFORMAT（26），将MILO和BASEGL代入可求得旋转矩阵IR，为了使得坐标配准的结果不受XJTUDP在三维重建中的偏差影响，对旋转矩阵I进行归误差消除处理。将公式MERGEFORMAT（26）中求得的旋转矩阵I代入公式MERGEFORMAT（24）中，可得平移矩阵ITIBASEITMMERGEFORMAT（27）当旋转矩阵IR和平移矩阵IT已知后，就可以通过旋转和平移将变形状态I中的坐标进行转化，与基准状态的坐标保持一致。即11IIIIITRXYRTZMERGEFORMAT（28）当变形状态I中的所有全局点按照公式MERGEFORMAT（28）进行转换后，就能得到转换后的变形状态I中的所有全局点空间坐标1122IITRANIIXRYTZPT。MERGEFORMAT（29）226相同变形点匹配假设状态I中存在M个非编码标志点代表的变形点，其中某一个变形点空间坐标为,IITPXYZ；状态I1中存在N个非编码标志点代表的变形点。将点I向状态I1做投影，以投影点为圆心，按公式MERGEFORMAT（210）计算投影点与状态1中非编码点的距离，即1,12,IIIKDKMERGEFORMAT（210）当1IK小于设置的搜索半径D的非编码点个数有且仅有一个时，将此非编码点设为1,IIIITTTTTPXYZ。若1IKD中小于D的非编码点的个数多于一个或者为零，则在状态1不存在相同变形点。当状态I向状态I1做投影得到满足邻域搜索条件的非编码点1ITP后，再将点1IT向状态做投影，以投影点为搜索圆心，以D为搜索半径，按公式MERGEFORMAT（211）在状态I中进行反向搜索1,2,IIIJJTDPJMMERGEFORMAT（211）当IJ小于设置的搜索半径D的非编码点个数仅有一个且该点为IP时，则点1IT为点I在状态1中对应的相同变形点，并且将点1ITP的ID置为与点I的一致。若IJ中小于D的间距个数不只有一个点I，则邻域搜索失败，点I在状态1中不存在对应的相关变形点。但是该搜索方法需要对标志点的粘贴提出较高的要求，即标志点间距必须大于这两点之间的变形量，否则会发生匹配失败的情形。因此该搜索算法只适用于大变形，不能够对物体进行标志点密集检测，因此本文针对邻域搜索算法的不足提出了深度搜索算法，能够克服这些不足，使标志点的粘贴不再受限于物体的变形，实现物体表面的标志点密集检测。227静态变形测量系统实验方案本文所研究的静态变形测量系统，是对物体表面关键点的位移进行测量，物体表面人工放置的关键变形点的坐标是通过使用摄影测量技术得到的，得到每个变形状态下的关键点的三维坐标之后对所有状态进行坐标配准和相同变形点匹配，从而计算出每个变形点在实验过程中的位移变化。静态变形测量方案如图25所示。放置全球点放置标志点加载变形变形结束否坐标配准计算变形量，绘制变形射谱图被测物体测量结束获取被测物体图像信息状态标志点信息重建相同变形点匹配是图25静态变形测量方案1布置现场根据被测物体的尺寸，表面轮廓和待检测点的测量要求，在被测物体的周围使用辅助设施或者被测物体表面直接放置编码标志点43，编码标志点中心圆点周围的带状图案是它的编码信息，每个编码点具有唯一的ID，如图26所示，作为摄影测量中的控制点使用。然后在被测物体的测量关键位置粘贴非编码标志点，作为测量中的变形使用，非编码标志点如图27所示。（A）同心圆环型一（B）同心圆环型二（C）分布型一（D）分布型二图26编码标志点类型图27常用非编码标志点图案2获取图像，图像识别从不同的角度对被测物体进行图像采集，使得每个点在至少5张图片中出现，这些图片将用于摄影测量工程的计算。根据所获取的标志点图像信息，对每幅图像进行标志点识别，获取每幅图像中所有编码标志点和非编码标志点的圆心坐标。3预定向根据每幅图像中编码标志点的中心坐标，当两幅图像中的公共编码点的个数大于5时，选用此两幅图像进行相对定向，计算出五个外参数，两幅相片满足相对定向的条件是这两幅相片之间的拍摄角度大于30度。如果两张照片里能够重建出至少5个编码标志点的三维坐标作为控制点，则这组图片可以正常使用。每定向完毕一幅图像后，利用光束平差算法同时调整外参数和重建出的物体点三维坐标。4捆绑调整，非编码点重建所有图像都定向完毕后，使用光束平差算法对预定向中所使用的相机内、外参数进行调整，解算出编码点坐标并显示在软件上。再次重复光束平差算法对内外参数进行微调，同时解算出非编码点的坐标并显示在软件上。但是这里的坐标都是相对关系的坐标，并不是绝对位置的坐标，要想得到这些点的绝对位置，需要添加比例尺。5添加比例尺重建出的编码点或非编码点中，某两个点是识别出的比例尺两端的标志点，这两点之间的距离是确定的，通过输入比例尺的真是长度，就能重建出物体点的真实坐标。6多状态比对对多个变形阶段重复15,可以得到相同变形点在不同变形阶段中的三维信息。通过坐标配准算法统一所有变形状态的坐标系，通过深度搜索算法搜索匹配相同变形点，计算不同状态下的坐标变化，以此得到关键点实验各个阶段的变形23深度搜索算法深度搜索算法的提出主要是解决原有XJTUSD系统中当非编码点所在区域的变形大于非编码点点间距时无法正确匹配的问题。深度搜索算法能够有效的解决一些大变形并且需要密集点测量的工程测量。搜索深度就是指待匹配状态与它前面的几个参考对应状态进行搜索匹配，如果搜索深度为3，则当前状态依次与它之前的3个状态进行匹配搜索。深度搜索算法的流程图如图28所示。进行相同变形点匹配时，首先进行单向搜索，满足单向搜索条件的点完成匹配，缩小一次搜索范围，之后进行双向搜索，双向搜索的搜索范围不再包括已经完成单向搜索的点，这样就缩小匹配范围，提高搜索准确率和效率。对当前状态重复多次匹配，直至当前状态已经无法进一步进行匹配。对当前的状态搜索完毕后，会根据搜索深度向前延伸，扩大搜索半径，再按照之前的循环进行匹配，就能提高搜索的准确性。假设状态I中存在M个非编码标志点代表的变形点，其中一点空间坐标为,IITPXYZ。将点向状态I1做投影，以投影点为圆心，根据所设置的搜索半径R，按公式MERGEFORMAT（212）计算投影点与状态I1中非编码点的距离，即1,12,IIIKDPKNMERGEFORMAT（212）当1IK中小于R的非编码点个数有且仅有一个时，则满足单向搜索匹配条件，则则点IT为点I在状态I1中对应的相同变形点，设为11,IIIITTTTTPXYZ。依次对当前状态中的点进行单向搜索。每当形成一组单向匹配，则后续的搜索匹配中，将不会搜索和匹配已经完成匹配的非编码标志点，为之后的搜索缩小搜索范围，提高搜索准确率和效率。当单向匹配搜索已经不能再匹配到相同变形点时，则认为单向搜索匹配结束，接着进行双向搜索，即满足226章节中的邻域搜索算法的非编码点完成双向匹配。同理，对于已经完成匹配的点，在后续的搜索匹配中，将不会搜索这些已经完成匹配的非编码标志点，这将为后续的搜索缩小搜索范围，提高搜索准确率和效率。完成一组单向匹配和双向匹配之后，则继续对当前状态进行单向搜索和双向搜索，直到所有点完成匹配或者剩余点无法进行搜索，则结束对状态I1的匹配，即深度为1的搜索。当结束当前深度1的搜索，则进入下一个深度，即I2状态中，搜索深度增加一层，搜索半径增大R，即I2中的搜索半径为2R，此时，对状态I2继续之前的单向匹配和双向匹配循环，即完成深度为2的搜索。循环之前的过程，直至完成预先设置的搜索深度的搜索匹配，则整个匹配过程结束。经过深度搜索，对于相同变形点能够提高搜索准确率，对于一些搜索难度很大，容易匹配错误的点，也可以通过软件进行手动匹配以提高检测准确率。搜索相同变形点单向匹配双向匹配匹配结束计算变形匹配结束深度搜索结束单次循环结束否否否是是否是图28深度搜索算法流程24实验验证241实验参数在本试验中所选用的焊接方法是TIG焊，焊接工艺为平板堆焊，保护气体为氩气，材料为Q235，焊接工艺如表21所示。表21焊接试验参数焊接电流/A焊接电压/V焊接速度/MS氩气流量/1MINL焊件规格/MM1001254761030020025242实验设备XJTUSD三维光学静态变形测量以数字近景工业摄影测量为基础，采用高分辨率单反数码相机，拍摄不同变形阶段下的图像信息，计算出物体表面关键点在不同变形状态下的三维坐标。其次，将多个状态相互之间通过全局点进行坐标配准，对相同变形点进行搜索匹配，最终各个状态之间的变形点的变形量和变形方向通过三维色谱图的方式直观的显示出来，并可以获得各个点和其所组成的一些空间元素在空间位置中的变形量，实验设备如图29所示。实验设备系统组成（1）高分辨率单反相机，配备固定焦距的镜头，本次试验使用的是NIKOND80相机和20MM定焦镜头。（2）高精度标尺，比例尺具有较低的膨胀系数和稳定的化学性能，从而受环境影响小，可以作为参考，本次试验中所使用的标尺是因瓦合金标尺，因瓦合金（INVAR，也称为殷钢），是一种镍铁合金，其成分为镍36，铁638，碳02，它的热膨胀系数极低，能在很宽的温度范围内保持固定长度。（3）编码标志点，分为10位、12位和15位编码，以中心点周边的环带为编码，软件中会识别编号。（4）非编码标志点，没有编号，由软件自动编号。（5）XJTUSD软件，XJTUDP软件。可在WIN7/XP环境下运行，其中XJTUDP是识别单次摄影测量工程中的编码点和非编码点的坐标，XJTUSD是将多次XJTUDP的摄影测量工程进行比对分析，计算变形点的变形量。图29XJTUSD静态变形测量系统243实验过程焊接前将薄板进行打磨，将薄板如图所示进行网格划分，并在网格交点处粘贴标志点，标志点的粘贴位置如图210所示。这些变形点作为表面关键点，将进行变形前后的比对分析，从而计算出这些点在焊接前后的位移变形量。图210编码点粘贴位置示意图薄板放置在工作台上，初始状态如图211所示，编码点作为全局标志点用来对齐两个状态，在整个实验过程中位置保持不变。高精度的标尺为整个系统提供精度保证。在焊接开始前使用高像素单反相机对现场进行多机位拍摄，在XJTUDP中解算出所有非编码点和编码点的坐标。使用在工作台四周布置标志点，并通过321坐标转换法将XJTUSD中坐标系调整至与薄板坐标系的方向一致。图212显示的是初始状态的计算结果，黄色线代表标尺，绿色点代表编码点，白色点表示非编码点。图211焊接前的试验现场图212焊接前的计算结果焊接过程持续63秒，300秒之后板件冷却至室温，焊接后的薄板和试验现场如图213所示。在焊接过程完成后再使用单反相机对实验平台进行多机位拍摄，并将照片导入XJTUDP中对非编码点和编码点进行解算。同初始状态的计算一样，使用在工作台四周布置标志点，并通过321坐标转换法将XJTUDP中坐标系调整至与薄板坐标系的方向一致。图214显示的是初始状态的计算结果，黄色线代表标尺，绿色点代表编码点，白色点表示非编码点。图213焊接后的试验现场图214焊接后的计算结果对比初始状态和终止状态的XJTUDP结果，种植状态焊缝周边有一些点缺失，那是因为由于热影响区的高温损坏了标志点，导致XJTUDP软件无法识别标志点，因此焊缝周边的部分关键点变形无法测量。焊接后的薄板表面标志点如图215所示。图215焊接后薄板表面的标志点244实验结果将两组XJTUDP中计算的结果导入XJTUSD，由于两组状态需要坐标配准，因此需要设置两组状态中的不动点为对齐基准，在本次实验中设置编码点124,146,59,72,89,153,166,215为全局点，匹配偏差为005MM。在此基础上两个状态进行对齐，相同变形点匹配，坐标计算得到变形结果。图216所示为比对结果。色谱图中不同的颜色表示不同的变形量，暖色代表变形量大，冷色代表变形量小，因为薄板在工作台上无法向下变形，因此，最小变形为0。图216静态变形比对结果由比对结果可知薄板最大变形量为716MM，最小变形是0MM。由于焊缝位置的标志点已经被破坏，因此测得的最大变形量并不能代表薄板的真实最大变形；板焊接后呈“马鞍状”，即平行焊缝方向呈“下凹”，越靠近焊缝位置，变形越明显，下凹值越大；垂直焊缝方向呈“上凸”趋势，越接近薄板中心位置，变形越明显，上凸值越大；了更直观的得到薄板变形的面内变形数据，在网格纵向上取5组点对，点对的位置示意图如图217所示，在横向上取6组点对，点对的位置示意图如图218所示。比较焊接前后板件面内变形数据，纵向变形数据如表22所示，横向变形点对数据如表23所示。图217纵向点对位置图表22纵向点对的变形量编号焊前距离/MM焊后距离/MM距离变化量/MM1189841896402021891018888022318767187400274188401881202851884018701039沿垂直焊缝方向，从数据分析上来说，薄板发生了收缩，这与理论是一致的。从数据中也可以看出从左至右变形依次增大，最小变形为02MM，最大变形为039MM，这与薄板变形后的实际形状是一致的。薄板在垂直焊缝方向的收缩并不是呈中心对称分布，这主要是由于焊接由人工操作热能输入不均匀，薄板自身的残余应力，薄板材料质量等原因造成了这样的结果。图218横向点对位置图表23横向点对的变形量编号焊前距离/MM焊后距离/MM距离变化量/MM128830288160142285812855802332864228607035428734287030315286812865802362874928732017沿平行焊缝方向，从数据分析上来说，薄板发生了收缩，这与理论是一致的。从数据中也可以看出变形数据呈中心对称分布，即越靠近焊缝，变形越大，远离焊缝，变形减小，最大变形为035MM，最小变形为014MM，但是由于靠近焊缝位置的部分非编码点被损坏，因此无法测量焊缝区域的变形。25本章小结本章详细讨论了使用静态变形测量系统实现焊接失稳变形中关键点变形测量的问题，并提出了深度搜索算法。本章的主要内容有（1）改进实现了深度搜索算法。使得变形点可以在设置的深度内快速搜索标志点，而且标志点的粘贴间距不再有必须大于变形点变形的限制。（2）进行了焊接失稳变形实验验证。使用修