基于雙目立體視覺測量技術(shù)的沖壓件數(shù)字化回彈測量

路 平，劉 斌，黃常標，林俊義，徐正興，劉曉輝

(華僑大學(xué)機電及自動化學(xué)院，廈門 361021)

在薄板沖壓成形過程中，拉裂、起皺和回彈是3種最基本的缺陷。由于回彈發(fā)生在沖壓件成形的最后一步，它的產(chǎn)生是整個成形過程誤差累積的結(jié)果，因此導(dǎo)致回彈問題最難解決。近幾年來，隨著高強度鋼和輕合金材料在沖壓件制造中的大量使用，沖壓件的回彈問題日益嚴重，造成沖壓件的形狀尺寸精度降低，給模具和后續(xù)的裝配工藝設(shè)計帶來很大困難［1-2］。因此，有效控制和減小回彈已成為當前沖壓成形領(lǐng)域亟待解決的問題。要實現(xiàn)對沖壓產(chǎn)品回彈量的有效控制，前提和關(guān)鍵在于準確預(yù)測回彈發(fā)生的部位和對回彈量的精確測量。

雖然有限元仿真分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于沖壓件回彈的預(yù)測與控制，但是由于仿真誤差的存在，仿真計算的回彈量與實際結(jié)果仍有一定的誤差。在實際工業(yè)生產(chǎn)中，企業(yè)常通過采用檢具測量方法測量產(chǎn)品回彈量來修整模具，即按照沖壓件CAD模型，加工出與其型面、特征點、定位孔相匹配的檢具，然后將沖壓產(chǎn)品定位安裝在檢具上，使用量規(guī)、卡尺等量具測量產(chǎn)品與檢具型面的差值，從而獲得沖壓產(chǎn)品的回彈量［3-4］。該方法需要制造和存放大量專用檢具，增加了生產(chǎn)成本;對于局部曲率變化大的復(fù)雜沖壓件型腔部位，無法進行差值測量;同時，檢測結(jié)果會過多地受人為主觀因素的影響，難以全面、科學(xué)、直觀地對沖壓產(chǎn)品回彈分布進行定量表達。因此，研究開發(fā)一種快速、靈活、精確的沖壓件三維回彈評測系統(tǒng)，實現(xiàn)復(fù)雜、大型沖壓件回彈的三維快速測量在工程實際中具有重要意義。

本文提出一種基于雙目立體視覺測量的沖壓件數(shù)字化回彈評測方法，開發(fā)了基于光柵投影的立體視覺測量裝置，采用該裝置采集獲取實際沖壓產(chǎn)品的點云數(shù)據(jù)，與沖壓件的設(shè)計模型進行比較，計算點云相對于設(shè)計模型在最佳匹配位置的法向偏差量，實現(xiàn)沖壓產(chǎn)品在三維空間和具體位置點的回彈量快速數(shù)字化評測。

1 光柵投影雙目立體視覺測量裝置

1.1 測量系統(tǒng)的基本原理

基于光柵數(shù)字投影的雙目立體視覺測量系統(tǒng)由2個CCD攝像機、1臺數(shù)字投影儀和1臺電腦組成。2個CCD攝像機構(gòu)成雙目立體視覺系統(tǒng)，投影儀用于投射編碼條紋，電腦用于實現(xiàn)生成編碼條紋和對相機采集的條紋圖像的處理和獲取三維信息［5］。投射編碼條紋的目的是為了在被測物體表面增加特征信息，以便于對應(yīng)基元的匹配。經(jīng)過編碼，在2個相機拍攝到的同一場景的2幅圖片中，滿足碼值相同和極線約束條件的對應(yīng)點即為一對匹配點。因此，只需在左右圖像中尋找出特征點的匹配對應(yīng)點，就可計算出特征點的視差，從而計算出特征點的三維坐標。

1.2 測量裝置硬件設(shè)計

本裝置硬件設(shè)計主要完成投影儀、攝像機和鏡頭的規(guī)格選型?？紤]到結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)應(yīng)能在任何光照條件下工作，需采用亮度比較高的投影儀。為保證格雷編碼［6-7］的黑白條紋圖案更為銳利，投影儀還應(yīng)有較高的對比度，因此選用夏普XG-J830XA DLP投影儀。該投影儀具有4 000流明的亮度和2 000∶1的對比度。因測量裝置實際編碼的格雷碼和相移圖像均為灰度圖像，需要選用黑白工業(yè)攝像機CCD進行灰度圖像的采集，選擇140萬像素的映美精相機VDG-130MT15作為圖像采集裝置，相機的分辨率為1280×960。根據(jù)相機參數(shù)及拍攝距離，確定選擇焦距為12 mm的鏡頭?？紤]到變焦鏡頭的畸變比較大，會給測量系統(tǒng)帶來更多的誤差，因此選用Computar焦距為12 mm的定焦工業(yè)鏡頭，型號為M1214-MP。所研制的整個裝置硬件平臺如圖1所示。

圖1 測量裝置

1.3 測量裝置軟件系統(tǒng)的研發(fā)

選用微軟的Visual C++2008作為軟件開發(fā)工具。CAD模型顯示采用開放OpenGL圖形庫。圖像處理采用開源視覺庫OPENCV。光柵投影反求裝置軟件系統(tǒng)設(shè)計為插件式結(jié)構(gòu)。軟件系統(tǒng)框架如圖2所示，主要包含主程序、接口模塊、CAD數(shù)據(jù)模塊、各種插件模塊。其中:主程序是基于微軟基礎(chǔ)類庫 MFC的單文檔/視圖框架，實現(xiàn)了CAD模型和圖片的顯示及交互、任務(wù)調(diào)度管理、服務(wù)函數(shù)等功能，包含有模型管理對象以及其他服務(wù)對象;CAD數(shù)據(jù)模塊包括CAD數(shù)據(jù)模型、模型管理等模塊;接口模塊提供了在主程序外部調(diào)用和訪問主程序有關(guān)行數(shù)和對象的功能;插件模塊中的工具條插件實現(xiàn)了在主程序中裝入工具條及菜單的功能，而任務(wù)插件則實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的操作。

圖2 軟件系統(tǒng)框架

根據(jù)雙目立體視覺測量系統(tǒng)需要完成的功能，在插件式軟件系統(tǒng)中開發(fā)了相應(yīng)的功能插件，使該測量系統(tǒng)具備以下功能:①攝像機標定功能，包括單相機標定、立體標定和立體校正3部分;②光柵生成功能，包括格雷碼光柵、相移光柵和一張用于做掩碼的全白圖像的生成;③三維重建和標志點拼接功能，包括立體匹配、三維重建及顯示和標志點拼接3部分。具體方法和內(nèi)容可參考文獻［8］中的相關(guān)研究成果。

2 基于雙目立體視覺測量的沖壓件數(shù)字化回彈測量方法和關(guān)鍵技術(shù)

2.1 沖壓件數(shù)字化回彈測量方法

基于雙目立體視覺測量的沖壓件數(shù)字化回彈測量步驟如圖3所示。主要包括:① 通過光柵投影測量裝置采集獲取沖壓產(chǎn)品點云數(shù)據(jù)，并對點云數(shù)據(jù)進行刪除孤立點、刪除非連接點和去噪聲等處理，以得到精確、光滑的點云數(shù)據(jù);② 沖壓產(chǎn)品點云模型與設(shè)計CAD模型的匹配對齊;③搜尋沖壓產(chǎn)品點云模型中每一點在設(shè)計CAD模型中的投影點，計算其相對設(shè)計CAD模型的法向偏差，獲得沖壓產(chǎn)品相對于設(shè)計模型的回彈量。

圖3 沖壓件數(shù)字化回彈測量流程

2.2 模型匹配對齊

沖壓產(chǎn)品點云模型與CAD模型的匹配對齊采用三步法:首先通過手工移動或者旋轉(zhuǎn)命令使2個模型粗對齊;然后采用迭代最近點算法(ICP算法)使其在最小二乘意義上精確對齊;最后通過指定模型上不發(fā)生回彈區(qū)域的3個基準點來手工對齊，用于保證2個模型回彈基準一致。

ICP算法指的是在原始模型點集與待匹配模型點集的匹配過程中，通過不斷迭代優(yōu)化矩陣，對原始模型點集上的每個點，尋找待匹配模型點集中距其最近的點，并利用兩點對應(yīng)關(guān)系，計算出相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，將其作用于原始模型點集，得到新的原始模型點集，并進行新的迭代尋優(yōu)，直到獲得滿足要求的轉(zhuǎn)換矩陣，實現(xiàn)兩點集的精確配準［9-10］。

有關(guān)三維模型匹配對齊的具體方法可參看文獻［9］的研究成果。

2.3 回彈量大小的評測

將沖壓產(chǎn)品點云模型與設(shè)計CAD模型對齊后，需要計算點云模型中各個頂點在CAD模型上的投影點。通過求解空間點在三角網(wǎng)格曲面上的最近點代替投影點的方法，可實現(xiàn)投影點的成功搜尋。完成沖壓產(chǎn)品點云模型中各個頂點在設(shè)計CAD模型上的投影點計算后，就可以計算出每個點處的法向偏差，即回彈量的大小。

3 應(yīng)用實例

以某車型碰撞板為例進行數(shù)字化回彈評測。圖4為噴涂了白色顯像劑的碰撞板零件產(chǎn)品，該零件外形復(fù)雜、空間尺寸大、自由曲面多，在液壓機上進行實際沖壓試模過程中，產(chǎn)品A、B兩端易產(chǎn)生開口回彈等缺陷。為有效地控制回彈，減少企業(yè)盲目試模次數(shù)，采用基于雙目立體視覺測量的數(shù)字化回彈評測方法，對實際沖壓后的碰撞板進行回彈量大小的測量。

圖5是采用本文所開發(fā)的光柵投影立體視覺測量裝置采集到的碰撞板點云圖。裝置精度可達0.05 mm，一次掃描時間為15 s左右，在測量過程中操作方便、速度快。

圖4 碰撞板零件

圖5 碰撞板點云

將點云數(shù)據(jù)和碰撞板設(shè)計CAD模型分別導(dǎo)入到所開發(fā)的數(shù)字化回彈評測系統(tǒng)中，如圖6所示。可以看到，兩模型空間坐標不一致，需進行模型匹配。固定CAD模型，將點云模型沿局部坐標系的y軸順時針旋轉(zhuǎn)180°，然后再沿z軸移動到適當距離，進行粗匹配;運行ICP算法，對兩模型進行精確匹配對齊，最終再選取兩模型中間孔為回彈匹配評價基準。匹配后的模型如圖7所示。

圖6 匹配前的模型

圖7 匹配后的模型

模型匹配后就能進行回彈量的測量。圖8是碰撞板的三維回彈量云圖，從圖中可以看到碰撞板底部區(qū)域回彈不是很顯著，回彈比較嚴重的區(qū)域主要集中在產(chǎn)品A、B兩端，回彈量最大值達到19.77 mm，這是修模的主要區(qū)域，是由于沖壓產(chǎn)品應(yīng)力應(yīng)變分布不均勻，模具卸載后發(fā)生彈性變形導(dǎo)致的。為了進一步獲取碰撞板的局部回彈情況，可以采用本研究開發(fā)的系統(tǒng)對其局部具體點進行回彈分析。圖9顯示了點云模型上某一點的回彈偏差和三維位置坐標情況。

圖8 三維回彈量云圖

圖9 具體點的回彈測量

4 結(jié)束語

本文研制了光柵投影雙目立體視覺測量裝置，利用該裝置能靈活、快速地獲取沖壓件表面的三維點云數(shù)據(jù)，通過與零件的設(shè)計三維模型進行比較，實現(xiàn)了沖壓產(chǎn)品的數(shù)字化回彈評測。應(yīng)用實例表明:所研制的測量裝置和數(shù)字化回彈評測系統(tǒng)通用性強，不受沖壓產(chǎn)品的尺寸大小和形狀復(fù)雜程度限制，能全面、直觀地展示沖壓產(chǎn)品在整體三維和任意點的回彈量信息，為模具型面補償和沖壓件回彈的控制提供了精確的數(shù)據(jù)，有效解決了實際生產(chǎn)中采用常規(guī)測量方法及經(jīng)驗修整模具進行回彈補償產(chǎn)生的相關(guān)問題，對實現(xiàn)沖壓產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計與制造具有重要意義。

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