一种板料成形极限曲线的视觉测量方法

摘要

本发明公开了一种板料成形极限曲线的视觉测量方法，第一步，试样准备；第二步，相机标定；第三步，获取图像；第四步，散斑应变计算；第五步，创建平行截线；第六步，拟合截线节点数据；第七步，求解极限应变；第八步，建立板料FLC。通过上述操作步骤，本发明提供了一种板料成形极限曲线的视觉测量方法，可以高效的测量板料成形的极限应变，以建立FLC曲线。具有测量操作方便，自动化程度高，测量结果准确、可靠，且为非接触测量的特点。

说明书

技术领域：

本发明属于机械加工领域，涉及一种板料成形极限曲线的测量 方法，尤其是一种板料成形极限曲线的视觉测量方法。

背景技术：

成形极限曲线(Forming Limit Curve，FLC)，又称成形极限图 (Forming Limit Diagram，FLD)，用于确定指定的材料在受到拉伸、 胀形或拉伸胀形结合时能够达到的变形程度。是对板料成形性能的一 种定量描述，同时也是对冲压工艺成败性的一种判断曲线。

板料成形极限曲线的测定方法通常有两种：1.理论计算；2.实 验确定。

理论计算成形极限主要是通过采用不同的屈服准则和塑性本构 关系，利用不同的拉伸失稳准则作为判断发生颈缩与破裂的条件来 进行解析的。目前较常用的屈服准则包括Hill系列屈服准则(包 Hill48，Hill79，Hill90，Hill93)，Hosford屈服准则，Barlat，Taylor， Gotoh屈服准则等。但每种准则适用范围有限，所涉及的参数较多， 计算精度受到诸多因素影响，应用不多。

用实验手段确定成形极限图是在实验室条件下，采用标准的实验 设备，通过改变试件宽度和润滑条件，并基于网格应变分析等技术直 接获得极限应变量(ε₁，ε₂)或工程应变(e₁，e₂)，最后把这些点坐标注到表 面应变坐标系中并连成适当的曲线，以建立材料的FLC。实验方法可 以获得较真实的成形极限图，是理论成形极限曲线的检验依据。但网 格应变分析技术通常需要在板料表面印制规则的方形网格或圆形阵 列，通过测量对比这些图案在变形前后形状参数，来确定板料表面的 应变。所以，用这种方法获取FLC比较麻烦，具有如下缺点：(1) 网格的绘制工作量大，精度较低；(2)以离线方式的得到实验数据， 影响精度；(3)检测和计算极限应变的工作量大、效率不高。

发明内容

为了克服现有板料成形极限曲线测定方法的不足，本发明提供了 一种新的板料成形极限曲线的视觉测量方法，可以高效的测量板料成 形的极限应变，以建立板料的成形极限曲线。

为达到以上目的，本发明是采取如下操作步骤予以实现的：

第一步，试样准备，将板料毛坯切割成符合标准的尺寸和几何形 状要求的试样，并在所需要测量的试样表面区域喷涂散斑图案；

第二步，相机标定，从不同方位拍摄标靶获取标靶图像，利用图 像进行相机标定计算，通过标定得到两相机准确的位置关系，包括相 机的外部参数、相机的内部参数以及镜头畸变参数；

第三步，获取图像，对于准备的所有尺寸和几何形状的试样，启 动材料试验机对试样进行变形加载，并利用计算机控制两相机同步拍 摄以获取被测板料试样在变形状态下的图像序列；

第四步，散斑应变计算，对获取的全部试样图像进行散斑三维应 变计算，得到不同变形状态试样表面的主应变场和次应变场，并找出 每个试样破裂前最近的一个变形状态以确定材料不发生失效所能承 受的最大应变；

第五步，创建平行截线，在第四步找到的试样在破裂前状态的应 变场中，创建3～5条间距2mm左右的平行截线，并输出所有截线上 的节点数据，包括主应变、次应变和节点位置；

第六步，拟合截线节点数据，在试样上后来会产生裂纹的位置两 边各选择至少3个截线节点，利用第五步获取的截线的节点数据，拟 合得到一条以节点位置、主应变为坐标点的抛物线和一条以节点位 置、次应变为坐标点的抛物线；

第七步，求解极限应变，计算第六步拟合获得的抛物线的极值， 将两条抛物线取得极值时对应的主应变和次应变作为试样表面的极 限应变点；

第八步，建立板料FLC，根据第七步求得的极限应变点，拟合成 适当的曲线或构成条带形区域，以建立板料的FLC曲线。

本发明方法具有以下优点：

(1)由于本方法操作简单，便于实验条件下使用。

(2)由于本方法中数字散斑图案喷涂工作简单，应变计算完全自 动化，所以测量周期较短，效率较高。

(3)由于本方法通过散斑图像计算试样表面应变，与传统的网格 应变计算技术相比，精度较高。

(4)由于本方法使用散斑图像作为测量依据，所以测量范围可根 据实际需求进行设定，适用范围大。

(5)由于本方法使用的是光学测量的方式，所以是一种非接触测 量方法。

附图说明

图1本发明具体操作步骤的流程图；

图2本发明方法实验装置简图；

图3本发明方法制备的试样；

图4人工喷漆形成的散斑场；

图5相机标定流程图；

图6散斑应变计算流程图；

图7不同变形状态试样表面应变场分布图；

图8创建的平行截线；

图9拟合截线节点数据获得的抛物线；

图10建立的FLC曲线。

具体实施方式

以下结合附图和某钢材FLC的测定实验对本发明作进一步的详 细说明。

本发明提出一种板料FLC测定方法，具体操作步骤如图1所示。 所采用的实验装置的硬件结构如图2所示，主要由2个CCD相机、2 个LED光照灯、1台板料成型机(或1台材料拉伸试验机)、1台计 算机等组成。

第一步，试样准备，将板料毛坯切割成符合标准尺寸和几何形状 要求的试样(GBT24171.2)，一组由某型钢材切割而成的实验试样如 图3所示。在所需要测量的试样表面区域使用人工喷漆的方式制作散 斑图案(如图4所示)。板料试样准备要求：a)应保证制备的试样边 缘无裂纹；b)要求试样表面平整、厚度在：0.4～4mm；c)至少准 备5种不同尺寸和几何形状的试样，且每种类型的试样不少于3个； d)喷涂在试样表面的散斑颗粒应随机分布；e)散斑对比度应明显； f)散斑制备范围应大于所测量变形区域。

第二步，相机标定，从不同方位拍摄标靶获取标靶图像，利用图 像进行相机标定计算，通过标定得到两相机准确的位置关系，包括相 机的外部参数、相机的内部参数以及镜头畸变参数。具体标定步骤如 下(如图5所示)：a)启动相机从不同角度和距离采集标靶图像；b) 计算标靶上控制点的图像坐标；c)采用直接线性变换法解算投影矩 阵；d)根据求得的投影矩阵求解相机内外参数，从而得到标定各参 数的初始值；e)利用光束平差算法对相机标定，得到精确的相机内 外参数。

第三步，获取图像，对于准备的所有尺寸和几何形状的板料试样， 启动试验机(板料成形试验机或材料拉伸试验机)，以不同的应变路 径(ε₁和ε₂之间的不同比值，如单向拉伸、胀形等)对试样进行变形 加载，并利用计算机控制两相机同步拍摄以获取板料试样在变形状态 的图像序列。获取图像要求：a)每个变形状态中的左右相机图像应 为同一时刻下拍摄的图像；b)所采集图像应清晰，散斑区域对比明 显；c)左右相机相对位置在拍摄过程中不能发生变化；d)左右相机 光轴与所要测量变形区域平面的夹角应大于30度；e)所采用相机帧 频为10frames/s；f)板料成形冲头速度在：1.0～2.0mm/s。

第四步，散斑应变计算，对获取的全部试样图像进行散斑三维应 变计算，得到不同变形状态试样表面的主应变场和次应变场(如图6 所示)，并找出每个试样破裂前最近的一个状态以确定材料不发生失 效所能承受的最大应变。具体计算步骤(如图7所示)为：a)选取 一个变形状态图像作为基础状态，在基础状态的左相机图像中选择所 要计算的变形区域，并设置计算区域内的搜索窗体尺寸；b)在基础 状态中的左相机图像的所选择计算区域内，选取一个或多个搜索窗体 作为散斑匹配的起始点；c)使用散斑相关算法和相关搜索算法进行 散斑匹配；d)将左右相机图像中的对应散斑进行三维重建，获得变 形区域的三维空间信息；e)根据三维重建结果，通过每个三维点周 围相邻的点计算三维点处的应变；f)剔除裂纹位置不在顶部的试样。

第五步，创建平行截线，在第四步找到的试样在破裂前状态的应 变场中，创建3～5条间距为2mm左右的平行截线(如图8所示)，并 输出所有截线上的节点数据，包括主应变、次应变和节点位置。创建 截线要求：a)对于次应变＞＝0的情况，要求截线尽量垂直于裂纹方 向(偏差在25°以内)；b)对于次应变＜0的情况，要求截线尽量平 行于试件边缘(主应变方向)，截线长度尽量长，但不能到达试件边 缘。

第六步，拟合截线节点数据，在试样上后来会产生裂纹的位置两 边各选择至少3个截线节点，利用第五步获取的截线的节点数据，拟 合得到一条以节点位置、主应变为坐标点的抛物线和一条以节点位 置、次应变为坐标点的抛物线(如图9所示)。抛物线方程为：

f(x)＝ax²+bx+c                (1)

(1)式中x为截线的节点位置，表示当前节点到截线起始点的距 离；f(x)表示所测量试样在截线x节点上的主应变值或次应变值； a，b，c为待求解的常系数。

第七步，求解极限应变，计算第六步拟合获得的抛物线的极值， 将两条抛物线取得极值时对应的主应变和次应变作为试样表面的极 限应变点；求解极限应变应满足：a)每个截线获取一个极限应变点； b)剔除不满足标准要求的极限应变点；c)对应于主应变和次应变极 值的两个节点位置之间的距离小于3倍的试样厚度。

第八步，建立板料FLC，根据第七步求得的极限应变点，拟合成 适当的曲线或构成条带形区域，建立板料的FLC曲线(图10)。并通 过观察建立的FLC曲线，进一步剔除不符合要求的极限应变点，重 新拟合以修正FLC曲线。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详 细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属 技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可 以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权 利要求书确定专利保护范围。