【优秀士博士论文】汽车覆盖件成形的应变测量技术研究 毕业答辩PPT

1、姓名：李钰姓名：李钰 学号：学号：31100040163110004016专业：材料加工工程专业：材料加工工程导师：郭成教授，梁晋教授导师：郭成教授，梁晋教授报告内容模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所21. 课题意义与研究现状n 为实现汽车覆盖件的快速全场应变检测分析，并应用于为实现汽车覆盖件的快速全场应变检测分析，并应用于工程实践，模具与先进成形技术研究所与天津汽车模具工程实践，模具与先进成形技术研究所与天津汽车模具股份有限公司合作开发股份有限公司合作开发“汽车模具专用三维光学测量检汽车模具专用三维光学测量检测系统测系统”课题来源 开裂3在板料表面印制圆形网格点，在成形后利用从

2、多在板料表面印制圆形网格点，在成形后利用从多个角度拍摄的图像序列，经过图像识别，可以快个角度拍摄的图像序列，经过图像识别，可以快速准确地实现网格点的三维重建，从而计算得到速准确地实现网格点的三维重建，从而计算得到板料表面的应变分布。板料表面的应变分布。坐标网格技术坐标网格技术近景工业摄影测量近景工业摄影测量1. 课题意义与研究现状4n国内：北京航空航天大学最早展开了相关研究，2005年开发出网格应变测量和分析系统gmas；上海交通大学、华中科技大学、南京航空航天大学和北方工业大学近年也取得了进展，实现了简单试件的视觉应变测量。1. 课题意义与研究现状5研究现状n国外：在光学应变测量领域研究比较

3、早，目前已有成熟的产品：德国：gom公司argus网格应变分析系统和aramis三维变形测量系统美国：comsys公司asame自动应变测量和分析系统aramisargus1. 课题意义与研究现状6研究现状1. 课题意义与研究现状汽车覆盖件的快速全场应变检测分析检测尺寸小，大部分1m以内实验对象简单，多为拉伸试件单状态检测难以难以满足满足检测尺寸大，多为2m以上覆盖件曲面复杂，多为拉深胀形成形冲压加工工序复杂，需要多状态检测72. 关键问题与技术路线84.4.提出汽车覆盖件提出汽车覆盖件的应变测量技术方案的应变测量技术方案2.关键问题与技术路线技术路线93.主要研究内容1.大尺寸覆盖件的三维拼

4、接技术研究 是在测量对象不同单元的重合区域内布置静止公共点，在各单元内分别得到公共点空间坐标，将各单元的三维数据通过公共点配准融台转化成统一坐标系的完整数据。111111112111222100000000000010000000000001100000000000010000000000001abbbabbbabbbaaabnbnbnanbnbnbnanbnbnbnanxxyzyxyzzxyzxyzxxxxxxxyxxxz123456789xyzrrrtrrrtrrrt10(1) 分别计算测量单元点云的质心1111nqiinpiiqnpn(2) 测量单元点云相对于各自质心平移,得到新点云（3

5、）构造矩阵 nnqnnpqqpp()tnnmqpm（4）奇异值分解矩阵mtm = uv（5）判断奇异值分解是否有效tpqrz = vutr（6）计算旋转矩阵和平移矩阵1.大尺寸覆盖件的三维拼接技术研究113.主要研究内容在待测工件上划分测量单元布置编码点和标尺图像采集图像识别单元数目较少单元数目较多局部点云匹配摄影测量计算测量单元拼接1.大尺寸覆盖件的三维拼接技术研究123.主要研究内容测量单元11mm网格测量单元2测量单元33mm网格2mm网格标尺编码点1.大尺寸覆盖件的三维拼接技术研究133.主要研究内容1.大尺寸覆盖件的三维拼接技术研究n-1nkkkpp表示三维偏差； n 表示有n个公共

6、编码点；pk表示第k个公共编码点在拼接参考单元中三维坐标；pk表示第k个公共编码点在待拼接单元转换后的三维坐标。143.主要研究内容三维拼接偏差=0.011mm三维拼接偏差=0.015mm测量单元测量单元2与测量单元与测量单元1局部公共点拼接局部公共点拼接测量单元测量单元3与测量单元与测量单元2局部公共点拼接局部公共点拼接1.大尺寸覆盖件的三维拼接技术研究153.主要研究内容2.2.基于大量网格点的光束平差优化 是将控制点的像点坐标、待定点的像点坐标以及其他内业、外业量测数据的一部分或全部视作观测值，以整体地同时求解它们的或然值和待定点空间坐标的解算方法。123xxxvabcltv pv163

7、.主要研究内容2.2.基于大量网格点的光束平差优化未知数：（1）摄像机内参数（2）摄像机外参数（3）标志点三维坐标第一次光束平差优化对象：编码点和随机选取的部分非编码点优化目的：求出摄像机的内参数和所有图像的外参数，以及编码点的三维坐标。第二次光束平差优化对象：剩余的非编码点优化目的：分块求出所有非编码点的三维坐标173.主要研究内容2.2.基于大量网格点的光束平差优化光束平差优化前光束平差优化前光束平差优化后光束平差优化后183.主要研究内容2.2.基于大量网格点的光束平差优化截线编号12345678910平均值光束平差优化前应变平均值（%）0.3800.7720.6770.7520.624

8、0.7180.5640.5920.6770.6960.645应变均方差0.2750.3850.4010.3540.2810.2110.3150.3730.4080.2730.328光束平差优化后应变平均值（%）0.034 0.019 0.037 0.027 0.018 0.028 0.032 0.038 0.021 0.028 0.028 应变均方差0.0190.0070.0170.0090.0060.0130.0180.0220.0100.0150.014表3-1 光束平差优化优化前后截线网格点应变结果niin121m=0.328光束平差优化前光束平差优化前m=0.014光束平差优化后光束平

9、差优化后193.主要研究内容2.2.基于大量网格点的光束平差优化网格点数目(个)10002000300040005000600070008000900010000本文改进光束平差优化算法计算时间(s)9.8151.196108.646110.837311.909311.82283.599376.381411.321398.722内存消耗(mb)159.008391.416913.553711.3561006.476932.084974.8681137.6441211.3321240.365计算误差(pixel)0.04090.04850.04760.05910.05640.05320.0625

10、0.06540.07070.0724未改进光束平差优化算法计算时间(s)25.709169.098524.9191302.364020.07-内存消耗(mb)332.081199.5363591.9424751.8766431.892-计算误差(pixel)0.04170.04810.04740.05570.0532-203.主要研究内容2.2.基于大量网格点的光束平差优化mijminjijijnqqi111平均反投影误差平均反投影误差213.主要研究内容 将不同状态下的相同测量单元的行列信息对应起来, 随后在各测量单元中选择相同的种子点, 作为单元网格重建的初始位置, 并且保证网格按照相同的

11、拓扑关系进行三维重建。3. 3. 多状态下网格点匹配重建的研究223.主要研究内容3. 3. 多状态下网格点匹配重建的研究确定网格坐标系单点型种子四边形生成方式单点型种子四边形生成方式4 4点型种子四边形生成方式点型种子四边形生成方式233.主要研究内容3. 3. 多状态下网格点匹配重建的研究12fff1/acif acfcaif ac2/bdif bdfdbif bd( )/( )iiminmax243.主要研究内容cbasiccbcolkcolrbasicrbrowkrow3. 3. 多状态下网格点匹配重建的研究网格坐标系的转换253.主要研究内容3. 3. 多状态下网格点匹配重建的研究网

12、格点网格点1 1网格点网格点2 2 是否交换是否交换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 网格转换的旋转系数列表网格转换的旋转系数列表263.主要研究内容3. 3. 多状态下网格点匹配重建的研究种子网格模板匹配网格的自动匹配（1）判断网格点邻近网格点数目）判断网格点邻近网格点数目（2）判断）判断b类位置是否有且只有一个空缺网格点

13、类位置是否有且只有一个空缺网格点（3）判断）判断a类位置两点是否处于对角线位置类位置两点是否处于对角线位置273.主要研究内容3. 3. 多状态下网格点匹配重建的研究种子网格模板匹配网格的自动匹配（1）确定种子四边形）确定种子四边形（2）区分）区分b类位置网格点，确定类位置网格点，确定b1和和b2点点（3）确定网格坐标系）确定网格坐标系x轴和轴和y轴方向轴方向283.主要研究内容3. 3. 多状态下网格点匹配重建的研究 （a a） 试件初始状态试件初始状态 （b b） 试件进行第一次胀形后试件进行第一次胀形后（c c） 试件进行第二次胀形后试件进行第二次胀形后 （d d） 试件进行第三次胀形后

14、试件进行第三次胀形后 本实验通过对一个杯突试件在多个状态下进行胀形成形，对多个状态的应变变化进行分析计算以验证多状态下网格重建匹配的有效性。293.主要研究内容状态状态1 1状态状态2 2状态状态4 4状态状态3 33. 3. 多状态下网格点匹配重建的研究303.主要研究内容 采用多状态应变检测后, 选取成形前的板料进行图像采集, 将该状态的三维网格作为基准参考, 根据网格拓扑关系重新设置网格应变计算的初值。 状态状态1 1状态状态3 3状态状态4 4状态状态2 23. 3. 多状态下网格点匹配重建的研究313.主要研究内容 同时由于检测计算出印制网格的真实大小, 将该网格代替理想虚拟网格作为

15、网格应变计算参考状态可以有效降低网格印制对整个检测精度的影响。 3. 3. 多状态下网格点匹配重建的研究323.主要研究内容杯突实验试件逆向工程获取cad模型dynaform软件有限元模拟系统应变检测结果对比分析3. 3. 多状态下网格点匹配重建的研究333.主要研究内容4.4.汽车覆盖件成形应变测量技术方案与验证分析343.主要研究内容4.4.汽车覆盖件成形应变测量技术方案与验证分析三维拼接技术汽车顶盖零件的三维网格汽车顶盖零件的三维网格353.主要研究内容4.4.汽车覆盖件成形应变测量技术方案与验证分析三维拼接技术汽车顶盖零件的最大主应变分布汽车顶盖零件的最大主应变分布汽车顶盖零件的厚向应

16、变分布汽车顶盖零件的厚向应变分布363.主要研究内容4.4.汽车覆盖件成形应变测量技术方案与验证分析光束平差优化算法汽车门板零件的三维网格重建效果汽车门板零件的三维网格重建效果373.主要研究内容4.4.汽车覆盖件成形应变测量技术方案与验证分析光束平差优化算法光束平差优化前的网格效果光束平差优化前的网格效果 光束平差优化后的网格效果光束平差优化后的网格效果383.主要研究内容4.4.汽车覆盖件成形应变测量技术方案与验证分析光束平差优化算法光束平差优化前的应变结果光束平差优化前的应变结果 光束平差优化后的应变结果光束平差优化后的应变结果393.主要研究内容4. 结论与展望已获得主要结论与成果已获

17、得主要结论与成果n设计出可以应用于实际测量的基于公共点的三维拼接方案。主要包括三维点匹配和空间坐标系的变换相关研究，实现局部公共点拼接和全局公共点拼接。40n提出了多次分块进行光束平差优化的改进算法。对摄像机内外参数和三维点坐标分开进行计算，然后对网格点分块优化，实现了大量网格点的光束平差优化。4. 结论与展望已获得主要结论与成果已获得主要结论与成果n提出了网格坐标系的转换匹配公式和种子网格模板概念。可以实现不同状态下网格点的快速匹配。并且通过引入基准状态参与应变计算可以明显提高应变测量精度。41n提出了汽车覆盖件成形的应变测量技术方案，并结合实际汽车覆盖件顶盖和门板实例对提出的技术方案进行实

18、验验证，实验结果表明该技术方案可以有效应用于汽车覆盖件的测量。4. 结论与展望已获得主要结论与成果已获得主要结论与成果n已发表论文：王金葵，李钰等：板料成形三维全场应变摄影测量快速检测系统研究 锻压技术j,2012,37(3)424. 结论与展望论文展望论文展望n改进图像采集及后期处理相关技术。n通过与逆向技术相结合，实现回弹变形的比对分析。n实现有限元分析结果与测量结果对比分析。43对于苏文斌老师提问的回答问题：论文图问题：论文图5-12及表及表5-2中的四个非编码点，经光束平差优化中的四个非编码点，经光束平差优化后的应变均变小，为什么说明更接近实际工况？请分析说明。后的应变均变小，为什么说

19、明更接近实际工况？请分析说明。44网格点id1826207020642338平均值光束平差优化前的应变/%21.23612.7855.78712.30813.039光束平差优化后的应变/%6.5562.5911.2292.1393.129表5 2部分网格点的光束平差优化前后的应变值（工程应变）图5 12 光束平差优化前后的汽车门板零件应变分布对比回答：通过观察具体的实际工况图像，可以看到所选择的的回答：通过观察具体的实际工况图像，可以看到所选择的的4 4个非编码点位于均匀变个非编码点位于均匀变形的区域，该区域的应变值主要分布在形的区域，该区域的应变值主要分布在5%5%以内，不可能在该区域某个位

20、置上出现应以内，不可能在该区域某个位置上出现应变的突增。并且观察网格点的图像，所选的变的突增。并且观察网格点的图像，所选的4 4个网格点在若干幅图像中并没有识别出个网格点在若干幅图像中并没有识别出来，因此应变计算结果偏大的主要原因是图像质量问题导致的，通过光束平差优化来，因此应变计算结果偏大的主要原因是图像质量问题导致的，通过光束平差优化有效消除了这类的偏差，而最终应变优化后变小验证了光束平差的有效性。有效消除了这类的偏差，而最终应变优化后变小验证了光束平差的有效性。对于殷咸青老师提问的回答问题问题1：在局部公共点拼接中，为什么两个分块之间有：在局部公共点拼接中，为什么两个分块之间有5个或个或

21、5个以上的公共编码点，两个分块可以自动拼接？如果小于个以上的公共编码点，两个分块可以自动拼接？如果小于5个会个会怎么样？怎么样？45回答：公共点拼接的实质是将两个坐标系下的数据转换到一个坐标系内，确定一个回答：公共点拼接的实质是将两个坐标系下的数据转换到一个坐标系内，确定一个坐标系至少需要三个空间点才能实现。因此理论上三个公共编码点便可以进行拼接，坐标系至少需要三个空间点才能实现。因此理论上三个公共编码点便可以进行拼接，但是在实际的转换矩阵求解时，通过三个公共编码点求解线性方程组所得结果很不但是在实际的转换矩阵求解时，通过三个公共编码点求解线性方程组所得结果很不稳定，计算得到的旋转矩阵往往不满足正交条件，导致计算偏差较大。而选择稳定，计算得到的旋转矩阵往往不满足正交条件，导致计算偏差较大。而选择5 5个点个点可以通过最小二乘拟合的方法，采用奇异值分解可以减小计算偏差。而之所以