基于计算机视觉的板材应力应变曲线实时测量系统研究

　　通过钣金塑性成形加工的零件在航空、航天和汽车等行业中占有重要的地位,钣金塑性变形与材料的性能、成形工具和坯料之间的摩擦力、成形工具的工艺参数等有关,如果模具设计不合理,将得不到合格的钣金零件。在塑性成形中,我们关心的是材料的弹塑性特性,其中包括弹性模量、泊松比、密度、应力应变曲线、屈服函数等,应力应变曲线是材料的一个重要性能。传统方法测量是采用接触式,其测量精度有限,特别是当试件断裂时无法得到断裂位置的准确变形情况,因此不能对拉伸全过程进行测量[1],且测量材料性能的试件有时受原始坯料的尺寸限制,无法得到常规尺寸的试件,同时也无法用常规的方法进行测量。

　　视觉测量技术是建立在计算机视觉研究基础上的一门新兴测量技术。它把图像当作检测和传递信息的手段或载体加以利用,从图像中提取有用的信号,通过处理被测图像而获得所需的各种参数。具有非接触、全视场测量、高精度和自动化程度高的特点。随着计算机技术的发展及其理论基础的完善,数字图像处理技术在光测力学领域的应用愈来愈广泛[2-3]。本文提出了利用数字图像分析法测量材料的变形量,通过计算机采集处理拉力及形变数据。开发了板材应力应变曲线视觉测量系统,并给出了验证结果。

　　1　系统组成及工作原理

　　应力应变测量系统包括5个主要部分:拉伸试验机、工业摄像头、拉力传感器、计算机和输出设备,如图1所示。

　　该系统采用MVC1000SAM_GE30型面阵工业摄像头,其分辨率为1 280×1 024,采样位数为10bits,像元尺寸为5·2μm×5·2μm,最高采样帧率为30f/s。

　　通过对拉伸试验机进行改造,将工业摄像头固定在拉伸试验机上,并尽可能使被测试件与摄像头镜头光轴垂直。用千兆网卡将摄像头与计算机连接,实现图像数据的传递。而加在试件上的载荷量则以拉力传感器输出的电压量并通过基于PCI总线的数据采集卡输入计算机。

　　在测量过程中,摄像头采集到的图像被传入计算机中进行处理,为了达到实时处理的要求,将图像采集和图像处理分别进行,采用并行的工作方式,在摄像机参数标定的基础上利用空间成像几何关系,计算出试件上各特征点的坐标,并在连续图像特征点的匹配基础上进一步计算得到试件的应变分布。再结合由数据采集卡输入的拉力数据,经过软件处理自动生成应力应变曲线,并通过打印机输出。

　　2　测量系统软件设计

　　软件系统在VisualC++6·0平台上采用面向对象的方法进行开发,运用多线程的编程方法进行程序设计,以提高系统的实时性,并使图像采集线程与拉力采集线程同步。测量系统的软件设计主要包括系统标定、数据采集、数据处理、应力应变计算、曲线拟合及打印功能模块。由于各个模块之间相互独立,因此可以吸收当前或今后各种成熟的算法,进一步提高测量的精度和速度。