一种板料成形回弹的光学检测方法

摘要

本发明公开了一种板料成形回弹的光学检测方法，使用摄影测量和面扫描相结合的方法实现对工件的回弹量检测，回弹后形状以测得的点云形式表达，回弹前形状以CAD数模表达，两者在逆向软件对比，可以在工件的任意位置确定回弹的三维方向数值及可视化数字表达方式，本发明把摄影测量技术和面扫面技术相结合使用进行测量，避免了单纯使用面扫描存在点云处理慢、融合精度等问题；本发明采用三维光学检测方法，对于大型、超大型、超小型、A级曲面产品，或者不适合应用接触测量方法检测的工件有自身明确的优势。

说明书

技术领域

本发明涉及的是在板料成形回弹领域引入光学检测方法，具体地说是应用摄影测量技术和面扫描技术去获得板料回弹值的一个过程。

背景技术

金属板材在冲压过程不可避免的回弹现象正在愈来愈引起产品制造部门工程技术人员的重视。特别是各种浅拉深件，回弹问题更加明显，解决回弹问题的重要性也更加突出。对回弹问题控制的准确性与否将严重影响产品的成形质量和尺寸精度，也是实际工艺中很难有效克服的成形缺陷之一。由于成形过程本身的复杂性，回弹问题的解决己经成为世界性的难题。

回弹问题的存在造成零件的形状及尺寸与模具工作表面不符，直接影响了冲压件品质、表面品质和装配性能。数值仿真已被证实可用于回弹预测，一方面冲压回弹涉及到材料性能参数、冲压方式、工艺条件。冲压件几何形状及回弹预测理论与方法等多种因素的综合影响，另一方面仿真软件涉及到本构模型建立、单元选择、截面积分点、单元尺寸、虚拟冲头速度、摩擦特性、有限元算法和合理的参数选择，造成真实物理模型和数值仿真模型存在一定的偏差，以至回弹数值的测量难以准确表述，实际误差无法全面估计。

朱东波对板料回弹问题的国内外研究现状进行了综述。EsatV以三维实体单元进行了薄板的弯曲，得出了数值仿真结果与实验结果吻合较好的结论。Li K P以薄板拉弯为例研究了三维实体单元和壳单元对回弹的影响规律和适用性问题。李春光研究了回弹仿真过程中的材料成形的最优参数组合和补偿方法。张冬娟分析了有限元模拟参数对回弹预测精度的影响，从理论上推导了虚拟动能和与板料回弹预测精度的影响。臧顺来构建了薄板非线性弹性-高阶塑性本构模型，揭示了工艺参数、数值仿真参数和本构模型对回弹的影响规律。但都偏重于回弹理论预测的研究，对于实际工件回弹量的准确检测研究不够，且最终结果显示形式是一维方向的，检测点位置不能随意确定。因此研究板料成形回弹的机理，利用新的光学检测方法获取任意位置的三维方向回弹值具有十分重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学检测方法去获得板料制件任意点的三维方向回弹值的目的。

本发明的技术方案是：一种板料成形回弹的光学检测方法，使用摄影测量和面扫描相结合的方法实现对工件的回弹量检测，回弹后形状以测得的点云形式表达，回弹前形状以CAD数模表达，两者在逆向软件对比，在工件的任意位置确定回弹的三维方向数值及可视化数字表达方式，解决了大型复杂曲面产品回弹量难以精确测量及物理表述问题，它的步骤如下：

（1）建立工业数字近景摄影测量装置，使用标志点测量技术测量工件回弹后的形状，计算出工件表面粘贴的编码点和非编码点，导出全局标志点（非编码点）；

（2）建立面扫描装置，基于摄影测量输出的全局标志点，采用计算机双目视觉技术进一步测量工件，面扫描系统以非编码点为基础，实现获得点云的自动拼接；获得的回弹工件以点云形式表达，点云作为回弹后工件的形状，CAD数模作为回弹前的理想几何形状和比对基准，两者基于Geomagic Qualify或Imagewave逆向校核软件实现3-2-1对齐操作后，选取关键点，做截面或截线，其关键点沿法线长度的偏差作为回弹的数值，切线的夹角为回弹角，回弹方向根据点云偏离数模的方向进行判断，和法线相同方向为正，相反方向为负；

（3）快速获取工件的回弹数值，回弹点云通过和模具设计型腔三维CAD数模对齐后比较，获得板料成形后的回弹值。

所述步骤（1）中的工业数字近景摄影测量装置由编码点、非编码点、标尺、高性能计算机、软件系统组成。

所述步骤（1）中的面扫描装置由工业投影仪、工业数码摄像头两个、支撑平台一个、高性能计算机组成。

光学检测方法组成包括工业数字近景摄影测量系统（标志点测量技术）和面扫面系统（计算机双目视觉技术）。摄影测量系统组成包括编码点、非编码点、标尺、高性能计算机、软件系统；面扫描系统包括工业投影仪、工业数码摄像头两个、支撑平台一个（装配包括投影仪、相机、旋转云台等机械结构，一般安装在重型三脚架上）、高性能计算机等；该发明可以快速获取工件表面的几何特征，计算出数模，与模具设计型腔三维CAD数模比较，可以精确获得板料冲压件与模具各点的差值（回弹值）。该回弹值可以在物体的任意位置实现三维方向的回弹值数字化计算，得到精确值。

本发明还包括：单独采用面扫描设备对板料制件进行检测获得的回弹后点云形式,并获得回弹数值。

获得的回弹点云形式不局限于Geomagic Qualify软件，其它逆向处理软件IMAGEWAVE、COPYCAD、RAPIDFORM也可以进行工件对齐后的回弹显示操作。

本发明具有以下有益效果：本发明把摄影测量技术和面扫面技术相结合使用进行测量，避免了单纯使用面扫描存在点云处理慢、融合精度等问题；本发明采用三维光学检测方法，对于大型、超大型、超小型、A级曲面产品，或者不适合应用接触测量方法检测的工件有自身明确的优势；本发明的回弹显示结果是在工件的任意点可以测得任意方向、任意角度的回弹值，实现回弹数值的数字化表达和可视化显示；本发明检测回弹避免使用工装、夹具等辅助设备，降低了机械设备的搬运成本。

附图说明

图1为所有相机拍摄姿态图；

图2为相机在水平1的拍摄位置；

图3为相机在水平2的拍摄位置；

图4为相机在水平3的拍摄位置；

图5为相机在水平4和水平5的拍摄位置；

图6为实施例1的以第一个截面为例CAD数模和点云对齐后的回弹数值显示；

图7为实施例1的BC-48门外壳三维形状；

图8为实施例1的照片导入摄影测量系统计算编码点和非编码点；

图9为实施例1的使用面扫描系统处理点云；

图10为实施例1的点云在Geomagic Studio中获得数模；

图11为实施例1的大表面回弹三维数据；

图12为实施例1的两折弯面回弹三维数据；

图13为实施例1的侧面小圆弧回弹三维数据；

图14为实施例2的纵梁的三维实体图；

图15为实施例2使用摄影测量系统获得非编码点矩阵；

图16为实施例2的自动扫描和点云匹配对齐使用面扫描系统；

图17为实施例2的使用面扫描系统对点云进行后处理；

图18为实施例2的3-2-1对齐使用Geomagic Qualify；

图19为实施例2的表面关键点的回弹回弹数值。

具体实施方式

一种板料成形回弹的光学检测方法，使用摄影测量和面扫描相结合的方法实现对工件的回弹量检测，回弹后形状以测得的点云形式表达，回弹前形状以CAD数模表达，两者在逆向软件对比，在工件的任意位置确定回弹的三维方向数值及可视化数字表达方式它的步骤如下：

（1）建立工业数字近景摄影测量装置，使用标志点测量技术测量工件回弹后的形状，计算出工件表面粘贴的编码点和非编码点，导出全局标志点；

（2）建立面扫描装置，基于摄影测量输出的全局标志点，采用计算机双目视觉技术进一步测量工件，面扫描系统以非编码点为基础，实现获得点云的自动拼接，获得的回弹工件以点云形式表达；点云作为回弹后工件的形状，CAD数模作为回弹前的理想几何形状和比对基准，两者基于Geomagic Qualify或Imagewave逆向校核软件实现3-2-1对齐操作后，选取关键点，做截面或截线，关键点沿法线长度的偏差作为回弹的数值，切线的夹角为回弹角，回弹方向根据点云偏离数模的方向进行判断，点云偏离数模的方向和法线相同方向为正，相反方向为负； 

（3）获取工件的回弹数值，回弹点云通过和模具设计型腔三维CAD数模对齐后比较，获得板料成形后的回弹值。

所述步骤（1）中的工业数字近景摄影测量装置由编码点、非编码点、标尺、高性能计算机、软件系统组成。所述步骤（1）中的面扫描装置由工业投影仪、工业数码摄像头两个、支撑平台一个、高性能计算机组成。

摄影采集编码和非编码点信息。将待测工件进行喷涂、贴非编码点等表面处理后，在工件周围放置编码点及标尺，利用摄影测量系统采集工件的非编码点和编码点三维坐标信息。输出结果为工件的全局坐标（非编码点）坐标信息。摄影测量步骤如下：

（1）粘贴编码点和非编码点在物体表面和四周，选择合适的比例尺用于物体测量。理想条件下，比例尺的长度最好和测量物体的长度尺寸保持1:1的关系（比如物体的长度将近1 m，那么比例尺的长度应该也保持1 m的长度），比例尺和物体能够同时出现在一副图像里。当测量一个简单平整的物体时，一般需要8幅图像，其中四幅图像用于标定，要求在物体正上方拍摄，四幅图像旋转将近90°拍摄。

（2）摄影测量系统需要标定图像去计算相机镜头的光学畸变和主点的位置。通常来说，四幅标定图像在水平5拍摄并记录下来，它的物理视角是理想的，不随意的。手持相机在物体的中间高度（水平2），以物体为拍摄中心，每间隔45°拍摄图像并记录。在每一个摄站，相机必须拍摄两张照片（水平和垂直）作为初始的二维数据。然后，在每一个水平拍摄并记录相同数量的照片。一旦这些照片被加载到摄影测量软件，它将开始识别和确定图像中的编码点和非编码点。

利用面扫描系统进行工件点云信息采集

（1）导入由摄影测量获得的全局坐标，然后利用面扫描系统，对工件表面进行分区测量。通过每次测量公共部分的非编码点可实现自动对齐和拼接，获得最终的点云。

（2）后处理得到工件三维数学模型

将点云数据导入点云处理软件（Geomagic Studio），经降噪、抽稀、光顺、全局优化、网格划分（三角化）得到工件的三维数学模型。

在逆向软件中实现模具数模和工件数模比对

（1）具有物体表面形状、尺寸、特征的工件点云数据和原有的模具设计数模导入后续处理软件（本文使用的是Geomagic Qualify），利用创建线对象基准和点对象基准将测试模型（即扫描得到的数据点）与参考模型（设计的模具数模）对齐。

（2）采用截线方法，在Geomagic Qualify中垂直于x方向等间距做截面，要求获得的yz各面都互相平行，间距为80 mm，选取6个截面。

数模对齐之后，就可以进行数据的三维、二维比对分析。可以对工件任意位置任意方向进行剖切，分析其2D或3D误差，包括曲面的弧度、半径、各面之间的极差等各方面数值的比较，其极差就是回弹值。

结合图6，为第一个截面获得的冰箱门外壳回弹数据，该组数值来自截面1上不同部位关键点的回弹量，实际表现为两条截线。选取回弹敏感的测试点，沿着z方向做回弹长度方向的回弹数值。对于角部回弹，选取两条截线的切线，取其切线的夹角获取。

本发明的工作过程与原理为：利用工业近景摄影测量技术，以待测物体为圆心（图1-5），呈圆环状间隔每45°位置作为一个摄站，共8个摄站，每个摄站处，相机自身分别旋转0°和90°拍摄2张照片；以待测物体正上方作为单独的一个摄站，相机以摄站为圆心每旋转90°拍摄1张照片，共拍摄4张照片。每个物体共拍摄20张照片，要求获取所有编码点和非编码点信息，将这些照片导入摄影测量系统A，设置相机型号规格等参数、编码点类型，并设定标尺长度，计算出所有非编码点和编码点的三维空间坐标。利用输出功能导出全局非编码点空间坐标，一般保存为TXT格式，这里将其命名为θ(up)，表示包含物体上所有的非编码点空间坐标信息的集合。将θ(up)导入面扫描系统B，B系统一次扫描获得的点云信息需要包含不少于3个非编码标志点的点云集合                                                ，这里i≥3，表示一次扫描包含的非编码点数量，满足。

B计算中非编码点之间的空间几何信息，与θ(up)中的非编码点之间的空间几何信息逐一搜索匹配，找出θ(up)中与对应的非编码点。根据对应的非编码点在摄影测量坐标系和B坐标系的坐标信息，基于最小二乘算法，可以得到转换矩阵ρ(subup)，其中包括旋转和平移矩阵。然后一次扫描的表面点坐标与ρ(subup)相乘，就实现了扫描的所有点云坐标转换，并统一到摄影测量的坐标关系中。经多次拍摄，确保覆盖完物体所有表面特征信息，从而实现点云信息与导入的全局非编码标志的自动匹配，实现了点云的自动拼接。通过后处理得到最终的点云和CAD数模。

通过点云获取的CAD数模可以作为工件回弹后的形状，原有的成形模具即设计的模具CAD数模，两者导入Geomagic Qualify逆向软件，经3-2-1等操作对齐以后，根据工程需要可以在任意点作任意方向的截面，获得两条截线，截线上相应关键点的差值就是各点的回弹量（包括方向和角度）。

实施例1

研究对象取自国内某著名家电公司的BC-48冰箱门外壳，如图7所示，BC-48属于小型号冰箱，其门外壳属于薄板成形，生产时材料使用黑活，厚度0.6 mm。成形后喷塑保证外观。应用本文提出的检测评价方法，获得冰箱门外壳的几何形状，其成形后的截面形状和设计的模具CAD数模进行对齐后对比，可以获得两者不同部位、不同方向的三维回弹量数值。

其实验步骤如下：

（1）布置编码标志点、非编码标志点和标尺在待测工件周围；

（2）拍摄照片，摄影测量系统计算门外壳表面的编码点和非编码点，如图8所示；

（3）使用面扫描系统扫描工件，并处理点云，如图9所示；

（4）使用Geomagic Studio获得数模，如图10所示；

（5）在Geomagic Qualify中将获得的数模和原有的模具CAD数模对齐后比较；

（6）采用截线方法，在Geomagic Qualify中垂直于x方向等间距做截面，要求获得的yz各面都互相平行，间距为80 mm，选取6个截面。

在Geomagic Qualify中截取的截面上，实际表现为两条截线。选取回弹敏感的测试点，沿着z方向做回弹长度方向的回弹数值。对于角部回弹，选取两条截线的切线，取其切线的夹角获取。

第一个截面上不同部位关键点的回弹量，读取后获得相应的数值如表1。

表1  冰箱门外壳截面1关键点回弹数据

截面1部位1234567回弹尺寸数值/mm7.3467.1916.8205.7013.2872.6661.426回弹角度数值/°13.7917.6666.0443.7043.1482.7201.739

注：标题行1到7仅仅代表回弹数值大小的降序排列。

从表1可以看出，回弹最大值为7.346 mm位于中间圆弧处，最小值1.426 mm位于下圆角R16处沿法线方向的回弹。回弹角中的最大值为13.791°位于上部圆角小圆弧和中间大圆弧相结线处，最小值1.739°位于截面中间大圆弧和下部圆角接近部位。作截线获得的数值在解释板料回弹的具体大小和方向方面有些欠缺，其数值受选取点云数量和位置的影响较大，且仅仅表现为二维平面内的回弹计算，全面评价制件回弹缺少说服力。

在Geomaigic Qualify中首先选冰箱门外壳大表面为对象，因大表面是冰箱的脸面，外观质量要求高，在不同的部位如图11选取9个点。两个折弯面属于冰箱门外壳和门内壳配合的关键部位，如图12选取9个点。侧面小圆弧属于冰箱门外壳支撑主骨架之一，如图13选取6个点。

针对图11-13，分别读取数据得到表2-4。

表 2  大表面关键点回弹的三维数据

关键点A001A002A003A004A005A006A007A008A009D/>-2.416-7.468-1.901-1.538-2.792-7.513-1.113-7.374-1.450D_X/>000000000D_Y/>0.1040.003-0.0790.067-0.107-0.0090.0470.003-0.065D_Z/>-2.414-7.468-1.899-1.537-2.790-7.513-1.112-7.374-1.443

表 3  两折弯面关键点回弹的三维数据

关键点A010A011A012A013A014A015A016A017A018D/>-2.335-7.393-1.4860-7.515-1.977-1.851-7.511-2.894D_X/>000000000D_Y/>00.009000.020000.0090D_Z/>2.335-7.3931.4860-7.5151.9771.851-7.5112.894

表 4  侧面小圆弧关键点回弹的三维数据

关键点A019A020A021A023A024A025D/>05.2738.9953.0612.20.489D_X/>00-0.537000.044D_Y/>04.6518.277-0.164-0.122-0.274D_Z/>02.4863.4823.0572.1960.403

实施例2

该测量实例为某型号汽车的后地板纵梁（500 mm×300 mm×100 mm）。图14-18显示了某汽车后地板纵梁的测量程序。摄影测量系统通过在工件表面粘贴编码标志点和非编码标志点，放置因瓦合金比例尺，计算出所有非编码点的三维空间坐标矩阵。基于导出的非编码标志点矩阵；面扫描系统对工件表面的几何特征进行扫描，获得能代表工件完整几何信息的点云群。对重叠面进行删除、抽稀、去噪等操作后，进行合并得到最终的一幅点云。该点云输入Geomagic Qualify软件，设定为测试对象。工件的数学模型在Pro/E 中通过特征复制，获得其外表面的曲面形状，存为IGS格式，导入Geomaigic Qualify作为面片特征，设为标准对象。把标准对象和测试对象进行“3-2-1”对齐操作，然后执行智能化对齐，使两者更好的匹配。

通过Geomaigic Qualify软件自身携带的三维比对分析功能，可以对工件由于回弹原因导致的整体变形偏离情况进行分析和评价，纵梁制件和CAD模型在大部分区域吻合较好。偏差在0.525 mm之内，局部最小为0 mm，最大为1.433 mm。

表 5  关键数据点的三维回弹量

图19是该工件需要重点保证的部位，选取了有代表性、能反映材料变形机理、可用于后续工序调整模具的关键点进行回弹研究，点A001，A002，A003，A004所在的阶梯外表面是和汽车后地板配合的关键面，需要重点保证。A005，A006，A007是工件需要保证的部位。读取这7个点并获得点的回弹量得到表5。