焊接失穩(wěn)變形光學(xué)非接觸三維檢測的研究

碩士學(xué)位論文焊接失穩(wěn)變形光學(xué)非接觸三維檢測的研究ResearchonThree-dimensionalOpticalDiscontiguousMeasuringTechnologyforThin-SheetMetalBucklingDistortionduetoWeld摘要在輪船、汽車、航空航天等領(lǐng)域越來越多的應(yīng)用高強(qiáng)度薄壁金屬，因其具有減輕結(jié)構(gòu)重量，提升動(dòng)力，節(jié)省能源等優(yōu)點(diǎn)。但是由于薄壁金屬焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在焊接過程中容易產(chǎn)生失穩(wěn)變形，即薄壁結(jié)構(gòu)在焊接剩余壓應(yīng)力的作用下在剛性較小的結(jié)構(gòu)，縱向壓應(yīng)力超過臨界失穩(wěn)應(yīng)力造成局部失穩(wěn)而引起的波浪形變形。這將嚴(yán)重影響焊接構(gòu)件的質(zhì)量，給產(chǎn)品帶來平安隱患。而傳統(tǒng)測量手段的缺乏無法準(zhǔn)確測量焊接過程中的位移變形和應(yīng)變，因此無法準(zhǔn)確掌握焊接變形規(guī)律。針對這類問題的研究無疑會對制造行業(yè)和相關(guān)學(xué)科研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。對光學(xué)非接觸方法中的一些關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了研究，開發(fā)出三種完整的測量焊接失穩(wěn)變形的檢測手段，能夠針對焊接變形進(jìn)行外表關(guān)鍵點(diǎn)靜態(tài)檢測，外表輪廓全局靜態(tài)檢測，外表全場動(dòng)態(tài)應(yīng)變變形檢測。主要研究工作的內(nèi)容和所獲成果有：提出一種焊接失穩(wěn)變形關(guān)鍵點(diǎn)比對測量手段。對基于工業(yè)近景攝影測量系統(tǒng)的靜態(tài)變形系統(tǒng)進(jìn)行了理論研究，改良搜索匹配算法提出了深度搜素算法，能夠使得標(biāo)志點(diǎn)的粘貼不再限制于變形量，能夠針對薄板外表關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行變形測量。使用靜態(tài)變形系統(tǒng)進(jìn)行焊接失穩(wěn)變形測量實(shí)驗(yàn)。提出一種焊接變形三維輪廓點(diǎn)云比對測量手段。對三維光學(xué)面掃描技術(shù)和點(diǎn)云融合進(jìn)行理論研究，提出基于約束搜索球的點(diǎn)云與CAD模型比對算法，能夠?qū)⒑附幼冃吻昂蟊“逋獗淼狞c(diǎn)云經(jīng)過數(shù)據(jù)處理進(jìn)行比對分析，從而得到失穩(wěn)變形量。使用三維光學(xué)面掃描和點(diǎn)云比對軟件進(jìn)行焊接失穩(wěn)變形測量實(shí)驗(yàn)。提出一種焊接失穩(wěn)變形全場動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量手段。對基于圖像相關(guān)法和雙目立體視覺技術(shù)的三維數(shù)字散斑動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)進(jìn)行研究，提出基于種子點(diǎn)的散斑圖像匹配算法，提高圖像匹配精度。使用三維數(shù)字散斑系統(tǒng)對焊接失穩(wěn)變形進(jìn)行300mm×200mm和64mm×48mm兩個(gè)幅面的測量實(shí)驗(yàn)。關(guān)鍵詞：焊接失穩(wěn)變形；光學(xué)非接觸；靜態(tài)變形；點(diǎn)云比對；數(shù)字散斑論文類型：應(yīng)用研究Title:ResearchonThree-dimensionalOpticalDiscontiguousMeasurementTechnologyforThin-SheetMetalBucklingDistortionduetoWeldSpeciality: MechanicalEngineeringABSTRACTWiththedevelopmentofship,automobile,aerospaceandotherequipmentmanufacturingindustry,thin-sheetmetalarewidelyforthesakeoflowweight,energysavingandpowerimproving.Becauseofthedistructurecharacteristics,thin-sheetmetaloccurthebucklingdistortion,thatwillseriouslydamagethequalityoftheweldcomponents.Thetraditonalcontactmeasurementcannotsatisfytheaccuratemeasurementofthebucklingdistortion,sothedistortiondisciplinecannotbegraspedcorrectly.Itisvaluebletostudythiskindofproblemformanufacturingindustryandinterrelatedsubjectsbothintheoryandinapplicationmeaning.Thekeytechnologyofopticaldiscontiguousisstudied,and3methodsforthemeasurementofweldingbucklingdistortionaredeveloped,includingthekeypointsstaticmeasurement,thefull-fieldstaticmeasurementandthefull-fielddynamicmeasurement.Themaincontentsandachievementsarelistedasfollows:1.Aschemeforweldingbucklingdistortionbykeypointscomparemeasurementmethodisproposed.StudyonthetheoryofstaticdeformationmeasureentsystemwhichisbasedontheClose-RangePhotogrammetry.AschemeforDepthSearchAlgorithmtomakethespacebetweenuncodedpointshavenorelatetionshipwiththedistortionsandcanbeappliedtothemeasurementofthekeypointsonthesurfaceofsheetmetal.MeasuretheweldingbucklingdistortionwithXJTUSD.2.Proposeaweldingbucklingdistortionmeasurementmethodbythecomparisonofthree-dimensionalpoint-clouds.Studyonthetheoryofthree-dimensionalopticalscanningandthepoint-cloudssyncretic,proposeanovelinspectionmethodbasedonsearchingspheretoacquirethedistortionbythecompareofthepoint-cloudsandtheCADmodel.MeasuretheweldingbucklingdistortionwiththeXJTUOMandXJTUOMINSPECTOR3.Proposeafull-fielddynamicweldingbucklingdistortionmeasurementmethodbasedonthedigitalimagecorrelationandbinocularstereovision.MeasuretheweldingbucklingdistortionthewiththeXJTUDICunderthe300mm×200mmand64mm×48mmmeasurementarea..KEYWORDS:BucklingDistortion;OpticalDiscontiguousMeasurement;Full-fieldDynamicStrainMeasurement;KeyPointsStaticMeasurement;Point-cloudsandCADmodelComparisonTYPEOFTHESIS:AppliedResearch目錄1緒論 結(jié)論與展望結(jié)論本論文針對焊接變形的檢測需要，圍繞光學(xué)非接觸測量技術(shù)進(jìn)行了一些列研究，包括深度搜索算法、基于約束搜索球的點(diǎn)云與CAD比對分析、數(shù)字圖像相關(guān)法。提出了3種不同的焊接失穩(wěn)變形測量手段，可以靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量，可以測量關(guān)鍵點(diǎn)和全場變形，能夠快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)焊接變形過程的變形檢測。論文得到的結(jié)論如下：在對攝影測量技術(shù)和原有靜態(tài)變形系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的研究的根底上，提出了深度搜索算法，能夠使得標(biāo)志點(diǎn)的粘貼不再受限于物體的變形量。設(shè)計(jì)并使用改良后的XJTUSD靜態(tài)變形系統(tǒng)完成了薄板外表關(guān)鍵點(diǎn)的焊接失穩(wěn)變形的靜態(tài)檢測，得到關(guān)鍵點(diǎn)變形和面內(nèi)收縮變形數(shù)據(jù)。在對光學(xué)三維面掃描技術(shù)進(jìn)行了理論研究的根底上，對點(diǎn)云融合算法進(jìn)行研究，提出了基于約束搜索球的點(diǎn)云與CAD數(shù)模比對分析的算法。設(shè)計(jì)并使用XJTUOM三維光學(xué)面掃描系統(tǒng)獲取了薄板變形前后的點(diǎn)云，并將焊接前的點(diǎn)云數(shù)?；M(jìn)行點(diǎn)云與CAD數(shù)模的比對，完成了薄板焊接失穩(wěn)變形的三維全場靜態(tài)比對試驗(yàn)，得到薄板焊接失穩(wěn)變形前后的全場變形，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，符合焊接理論的分析。在對基于圖像相關(guān)法和雙目立體視覺技術(shù)的理論進(jìn)行詳細(xì)研究的根底上，提出了種子點(diǎn)圖像匹配搜索算法，提高圖像匹配的成功率和效率。設(shè)計(jì)并使用XJTUDIC三維數(shù)字散斑動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量分析系統(tǒng)完成了300mm×200mm和64mm×48mm測量幅面的焊接失穩(wěn)變形動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)獲得了焊接過程和冷卻過程中薄板外表的位移場和應(yīng)變場，關(guān)鍵點(diǎn)的變形軌跡以及點(diǎn)對的收縮伸長數(shù)據(jù)。展望雖然本文對焊接失穩(wěn)變形使用非接觸光學(xué)三維檢測手段進(jìn)行了細(xì)致的研究，而且所提出的三種測量方法也都得到了實(shí)驗(yàn)的可行性驗(yàn)證。但是焊接變形的測量作為一個(gè)很復(fù)雜的學(xué)科，光學(xué)非接觸式測量技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，所以仍有很多地方值得研究和探討：非編碼點(diǎn)的材料，本文在檢測薄板外表關(guān)鍵點(diǎn)焊接失穩(wěn)變形時(shí)所采用的非編碼點(diǎn)為紙質(zhì)材料，所以焊接后在熱影響區(qū)及其邊緣位置，非編碼點(diǎn)已經(jīng)損毀，可以嘗試使用耐熱材料制作非編碼點(diǎn)對熱影響區(qū)進(jìn)行測量。使用三維光學(xué)面掃描動(dòng)態(tài)測量焊接變性試驗(yàn)。本文中只有最終狀態(tài)的點(diǎn)云與初始狀態(tài)的CAD數(shù)模進(jìn)行比對。在薄板正面進(jìn)行焊接的同時(shí)，能否在反面噴涂耐高溫的顯影材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)的點(diǎn)云獲取，從而完成焊接過程的點(diǎn)云與CAD數(shù)模的比對。高溫漆或耐高溫的噴涂材料。在使用XJTUDIC時(shí)，雖然能夠獲得薄板焊接變形的應(yīng)變場和位移場，但是這些數(shù)據(jù)都是位于焊縫的下半局部，由于上半局部的散斑圖案都被燒毀。在試驗(yàn)過氧化鋯，二氧化鈦和局部高溫漆之后，測量效果并不理想，因此如果有耐高溫的噴涂材料來替代目前的散斑制備方法，可以嘗試測量焊縫位置的應(yīng)變場和位移場。進(jìn)行自由狀態(tài)下的焊接變形全場動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量，本文中提到的方法只是在加持狀態(tài)下的焊接變形，和模擬狀態(tài)并不一致，因此需要設(shè)計(jì)在自由狀態(tài)下的焊接變形全場動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量實(shí)驗(yàn)。致謝首先，我要感謝我的導(dǎo)師梁晉教授，正是在他的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下本文才得以完成。梁老師對論文的總體方向進(jìn)行了嚴(yán)格的把握，梁老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和科學(xué)的工作方法使作者受益匪淺，梁老師無論從學(xué)習(xí)、生活和科研工作上都給予了我無私的關(guān)心和幫助，為作者提供了良好的研究和實(shí)驗(yàn)條件，梁老師認(rèn)真、務(wù)實(shí)的工作態(tài)度讓作者印象深刻。梁老師嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、謙遜博學(xué)的作風(fēng)將鼓勵(lì)我繼續(xù)前進(jìn)。再次向梁老師致以衷心的感謝。感謝唐正宗博士、郭翔博士、胡浩博士和李磊剛博士在我研究生階段給與的大量幫助。感謝信息機(jī)電研究所的各位同門，與他們多年來的共同探討讓我受益匪淺。感謝我的家人和朋友，他們是我求學(xué)路上最大的精神支柱。

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