一种板料成形各向异性性能参数的视觉测量方法

摘要

本发明公开了一种板料成形各向异性性能参数的视觉测量方法，属于机械加工方法领域，依次包括以下步骤：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，选择变形状态；第六步，回归分析处理；第七步，计算各向异性性能参数。本发明可以高效的测量板料成形的应变数据，以计算各向异性性能参数。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。

权利要求

1.一种板料成形各向异性性能参数的视觉测量方法，其特征在于依次包括以下步骤：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：从不同方位拍摄获取图像，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，所述位置关系包括相机的外部参数、内部参数以及镜头畸变参数；

第三步，获取图像：按照标准夹紧准备好完成散斑喷涂处理的试样，启动材料试验机对试样进行拉伸变形加载，并控制两相机同步拍摄，以获取被测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应变数据，所述应变数据包括试样的平均真实应变、长度方向真实应变和宽度方向真实应变；

第五步，选择变形状态：根据应力-应变曲线，选取试样以满足其标距区域内计算的平均真实应变在10%以上为均匀变形平稳段，作为回归区间计算的应变范围；

第六步，回归分析处理：将上一步中挑选出的变形状态的长度方向真实应变和宽度方向真实应变按照回归分析的方法处理，以得到长度方向真实应变和宽度方向真实应变分别为x 轴与y 轴，作区间线性回归得到的斜率系数m ；

第七步，计算各向异性性能参数：将上一步得到m 值代入以下公式： ，得到该试样的塑性应变比r值，在得到不同取向试样的塑性应变比r值后，代入相关计算公式，得出加权平均塑性应变比 和塑性应变比平面各向异性度Δr，即获得了板料的各向异性性能参数；

所述第二步中，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：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。

2.如权利要求1所述的板料成形各向异性性能参数的视觉测量方法，其特征在于：所述第一步中，准备的试样需满足以下要求：a）制备的试样边缘无裂纹，表面无划伤；

b）试样表面平整：试样标距内，任意两处的厚度值之差不应大于0.01 mm；当厚度小于

1.0 mm时，应不大于公称厚度的1%；

c)试样原始标距内宽度两侧平行：最大宽度与最小宽度应不大于标距内测量宽度平均值的0.1%；

d）准备至少3种不同取向的试样，且每种类型的试样不少于3个；

e）喷涂在试样表面的散斑颗粒应随机分布；

f）散斑对比度明显；

g）散斑制备范围应大于所测量变形区域。

3.如权利要求1所述的板料成形各向异性性能参数的视觉测量方法，其特征在于：所述第三步中，获取图像要求：a）每个变形状态中的左右相机图像为同一时刻下拍摄的图像；

b）所采集图像清晰，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大于30度；

e）所采用相机帧频为10 frames/s；

f）试验机夹头移动速度不超过50%l0 mm/s。

4.如权利要求1所述的板料成形各向异性性能参数的视觉测量方法，其特征在于：所述第四步中，具体计算步骤为：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标距区域，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。

5.如权利要求1所述的板料成形各向异性性能参数的视觉测量方法，其特征在于：所述第五步中，所述平均真实应变范围为10%-20%。

6.如权利要求1或2所述的板料成形各向异性性能参数的视觉测量方法，其特征在于：所述取向，包括与轧制方向成0°、45°和90°。

说明书

一种板料成形各向异性性能参数的视觉测量方法

技术领域

[0001] 本发明属于机械加工方法领域，涉及一种板料成形各向异性性能参数的测量方法。

背景技术

[0002] 塑性应变比r是表示因织构所主导的各向异性性能的重要指标，将金属薄板试样沿轴向拉伸到产生均匀塑性变形时，试样标距内宽度方向的真实应变与厚度方向的真实应变之比，其定义如下：

[0003] （1）

[0004] 其中：a0 ——试样初始标距的厚度；

[0005] b0 ——试样初始标距的宽度；

[0006] l0 ——试样初始标距的长度。

[0007] 根据金属薄板平面上与轧制方向成0°、45°和90°三个方向测得的塑性应变比r 值的加权平均值，可以得到加权平均塑性应变比（），即：

[0008] （2）

[0009] 根据金属薄板平面上与主轧制方向成0°和90°方向的塑性应变比r值的算数平均值与45°方向的塑性应变比r值之差可以得到塑性应变比平面各向异性度（Δr），即：

[0010] （3）

[0011] 常用塑性应变比r 以评价板料各向异性性能，已在冷轧产品研发、生产质量控制与工业选材等方面得到广泛应用。

[0012] 目前板料各向异性性能参数的测定方法主要是通过实验确定，在实验室条件下，采用标准的实验设备，在单轴拉伸力作用下，拉伸试样至均匀塑性变形阶段，通过手工测量或者自动测量的方式获得不同取向试样的初始标距长度l0和宽度b0、规定应变水平下的标距长度l 和宽度b，最后将测量值代入公式（1）、（2）和（3）计算得到r、和Δr 值。实验方法可以获得较精确的塑性应变比，但是由于需要多次重复的测量试样，这种方法获取塑性应变比r 比较麻烦，有以下缺点：（1）手工测量的工作量大，精度较低；（2）试样在轴向加载过程中的屈服变形、纵横向引伸计系统初始化延迟效应与速度切换引发的瞬态惯性效应会造成r 值应变路径特征的误差，影响精度；（3）后期实验数据处理复杂，效率不高。

发明内容

[0013] 本发明的目的在于：提供了一种新的板料各向异性性能参数的视觉测量方法，可以实时、精确、高效地测量板料塑性应变比r、加权平均塑性应变比 和塑性应变比平面各向异性度Δr，以描述板料的各向异性性能。

[0014] 本发明目的通过下述技术方案来实现：

[0015] 一种板料成形各向异性性能参数的视觉测量方法，依次包括以下步骤：

[0016] 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；

[0017] 第二步，相机标定：从不同方位拍摄获取图像，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，所述位置关系包括相机的外部参数、内部参数以及镜头畸变参数；

[0018] 第三步，获取图像：按照标准夹紧准备好完成散斑喷涂处理的试样，启动材料试验机对试样进行拉伸变形加载，并控制两相机同步拍摄，以获取被测试样在变形状态下的图像序列；

[0019] 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应变数据，所述应变数据包括试样的平均真实应变、长度方向真实应变和宽度方向真实应变；

[0020] 第五步，选择变形状态：根据应力-应变曲线，选取试样以满足其标距区域内计算的平均真实应变在10%以上为均匀变形平稳段，作为回归区间计算的应变范围；

[0021] 第六步，回归分析处理：将上一步中挑选出的变形状态的长度方向真实应变和宽度方向真实应变按照回归分析的方法处理，将得到的长度方向真实应变和宽度方向真实应变分别为x 轴与y 轴，作区间线性回归得到的斜率系数m ；

[0022] 第七步，计算各向异性性能参数：将上一步得到m值代入以下公式： ，得到该试样的塑性应变比r值，在得到不同取向试样的塑性应变比r值后，代入相关计算公式，得出加权平均塑性应变比 和塑性应变比平面各向异性度Δr，即获得了板料的各向异性性能参数。

[0023] 作为优选方式，所述第一步中，准备的试样需满足以下要求：

[0024] a）制备的试样边缘无裂纹，表面无划伤；

[0025] b）试样表面平整：试样标距内，任意两处的厚度值之差不应大于0.01 mm；当厚度小于1.0 mm时，应不大于公称厚度的1%；

[0026] c)试样原始标距内宽度两侧平行：最大宽度与最小宽度应不大于标距内测量宽度平均值的0.1%；

[0027] d）准备至少3种不同取向的试样，且每种类型的试样不少于3个；

[0028] e）喷涂在试样表面的散斑颗粒应随机分布；

[0029] f）散斑对比度明显；

[0030] g）散斑制备范围应大于所测量变形区域。

[0031] 作为优选方式，所述第二步中，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：

[0032] a）启动相机从不同角度和距离采集标靶图像；

[0033] b）计算标靶上控制点的图像坐标；

[0034] c）采用直接线性变换法解算投影矩阵；

[0035] 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；

[0036] 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。

[0037] 作为优选方式，所述第三步中，获取图像要求：

[0038] a）每个变形状态中的左右相机图像为同一时刻下拍摄的图像；

[0039] b）所采集图像清晰，散斑区域对比明显；

[0040] c）左右相机相对位置在拍摄过程中不发生变化；

[0041] d）左右相机光轴与所要测量变形区域平面的夹角大于30度；

[0042] e）所采用相机帧频为10 frames/s；

[0043] f）试验机夹头移动速度不超过50%l0 mm/s。

[0044] 作为优选方式，所述第四步中，具体计算步骤为：

[0045] 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标距区域，并设置计算区域内的搜索窗体尺寸；

[0046] 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；

[0047] c）使用散斑相关算法和相关搜索算法进行散斑匹配；

[0048] 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；

[0049] 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。

[0050] 作为优选方式，所述第五步中，所述平均真实应变范围为10%-20%。

[0051] 作为优选方式，所述取向，包括与轧制方向成0°、45°和90°。

[0052] 本发明的有益效果：

[0053] (1)由于本方法操作简单，便于实验条件下使用。

[0054] (2)由于本方法中数字散斑图案喷涂工作简单，应变计算可以完全自动化，所以测量周期较短，效率较高。

[0055] (3)由于本方法通过散斑图像计算试样表面应变，并且通过区间回归方法计算板料的各向异性性能参数，与传统的测量标距和宽度尺寸再进行公式计算相比，精度较高。

[0056] (4)由于本方法没有采用引伸计进行测量，所以在测量过程中不会因为引伸计系统初始化延迟效应与速度切换引发的瞬态惯性效应造成r 值应变路径特征的误差，影响精度。

[0057] (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

[0058] 图1为本发明具体操作步骤的流程图；

[0059] 图2为本发明方法实验装置简图；

[0060] 图3为本发明方法制备并经过散斑喷涂处理的试样；

[0061] 图4为相机标定流程图；

[0062] 图5为散斑应变计算流程图；

[0063] 图6为实施例1的真实应力-应变曲线；

[0064] 图7为实施例1的区间回归拟合得到的长度方向真实应变与宽度方向真实应变直线；

[0065] 图8为实施例2的真实应力-应变曲线；

[0066] 图9为实施例2的区间回归拟合得到的长度方向真实应变与宽度方向真实应变直线；

[0067] 图10为实施例3的真实应力-应变曲线；

[0068] 图11为实施例3的区间回归拟合得到的长度方向真实应变与宽度方向真实应变直线；

[0069] 图12为验证试验中采用视觉测量方法得到的钢试件散斑图像；

[0070] 图13为验证试验中采用视觉测量方法得到的钢试件表面应变场；

[0071] 图14为视觉测量方法与引伸计测量方法的测量结果对比。

具体实施方式

[0072] 下列非限制性实施例用于说明本发明。

[0073] 实施例1：

[0074] 本发明提出一种板料各向异性性能参数测定方法，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1台材料拉伸试验机1、板料试样2、2个CCD相机3、2个LED光照灯4、1台控制器5和1台计算机6等组成。

[0075] 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（GB/T5027-1999），一组由某复层板料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。板料试样准备要求：a）应保证制备的试样边缘无裂纹，表面不应有划伤等缺陷； b）要求试样表面平整，除非另有规定，厚度应是产品全厚度，但是试样标距内，任意两处的厚度值之差不应大于0.01 mm；当厚度小于1.0 mm时，应不大于公称厚度的1%；c) 试样原始标距内宽度两侧不平行度应尽可能小，最大宽度与最小宽度应不大于标距内测量宽度平均值的0.1%；d）准备3种不同取向（与轧制方向成0°、45°和90°）的试样，且每种类型的试样不少于3个；e）喷涂在试样表面的散斑颗粒应随机分布；f）散斑对比度应明显；g）散斑制备范围应大于所测量变形区域。

[0076] 第二步，相机标定，从不同方位拍摄获取图像，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4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。

[0077] 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（材料拉伸试验机），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10 frames/s；f）试验机夹头移动速度不应超过50%l0 mm/s。

[0078] 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平均真实应变、长度方向真实应变和宽度方向真实应变。具体计算步骤（如图5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标距区域，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。

[0079] 第五步，根据真实应力-应变曲线（如图6所示），选取试样均匀变形平稳段（取变形程度在10%-20%），作为回归计算的应变范围。查看散斑应变计算结果，挑选合适的变形状态，满足其标距区域内计算得到的平均真实应变在上述应变范围内。

[0080] 第六步，将上一步中挑选出的变形状态的长度方向真实应变和宽度方向真实应变按照回归分析的方法处理，其中长度方向真实应变作为x轴，宽度方向真实应变作为y轴，并通过观察建立的回归曲线，进一步剔除不符合要求的变形状态，重新拟合以修正回归曲线（如图7所示）。根据最终拟和区间回归直线得到斜率系数m =-0.42753。

[0081] 第七步，在塑性应变比的定义中，分别设：

[0082] 则可以得到： ，将m值代入上述公式，得到该试样的塑性应变比r=0.74682。对不同取向（包括0°、45°和90°）试样计算其塑性应变比r 值后，按照GB/T
5027-1999要求带入相关计算公式，得出加权平均塑性应变比 和塑性应变比平面各向异性度Δr，即获得了板料的各向异性性能参数。

[0083] 实施例2：

[0084] 本实施例的实施步骤与实施例1一样，本实施例所使用的试样材料为AA6061（铝材），试样尺寸如图3所示。利用本发明方法得到的AA6061试样的真实应力应变曲线如图8所示，根据如图9所示的区间回归拟合得到的长度方向真实应变与宽度方向真实应变直线，得到斜率m =-0.39755，进而计算出r =0.65989。

[0085] 实施例3：

[0086] 本实施例的实施步骤与实施例1一样，本实施例所使用的试样材料为SPCC（冷轧低碳钢），试样尺寸如图3所示。利用本发明方法得到的SPCC试样的真实应力应变曲线如图10所示，根据如图11所示的区间回归拟合得到的长度方向真实应变与宽度方向真实应变直线，得到斜率m =-0.60718，进而计算出r =1.54570。

[0087] 为了验证数字散斑图像计算应变的精度，采用图12所示的图像采集装置设计并实现了钢试件的标准拉伸实验，并利用引伸计进行精度验证和对比，如图13所示，其中图左由内之外的指标数值递减，如图右从上至下所示。试件材料为Q235钢，厚度2mm，通过线切割按照标准加工得到；引伸计标距为50mm，应变测量精度达到0.5%，可测量的最大应变为50%。

[0088] 首先，对被测试件进行喷漆处理，形成表面散斑特征。接着，利用标准材料试验机的夹紧装置将定制的方形薄板试件固定，并在试件表面布置引伸计用于实验对比。试件开始拉伸的同时开启像机进行图像采集。最后，对采集的图像进行处理和解算。

[0089] 图9为钢制薄板试件拉伸实验过程中，分别利用本文方法和引伸计测得的试件表面同一变形区域的平均应变对比曲线。由图14可以看出，两种方法的测量结果基本一致。另外，若以本发明方法计算出的应变为 坐标，以引伸计测得的应变为 坐标，可以得到若干坐标点，拟合这些坐标点可得到一条直线，方程为： ，从方程可以看
出，两种方法的相对误差约小于0.1个应变百分值。

[0090] 以上验证实验证明了本发明所采用的测量方法在长度方向真实应变计算上的精度和可靠性，由于本测量方法在长度方向真实应变计算和宽度方向真实应变计算使用的计算原理是一致的，因此可以说明本发明通过散斑应变计算的方法获得长度方向真实应变和宽度方向真实应变，并拟合应变结果建立回归曲线测量各向异性性能参数的方法是可靠有效的。

[0091] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。