【优秀硕士博士论文】钣金件成形三维全场变形测量理论研究

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1、摘要学位论文钣金件成形三维全场变形检测理论研究Three-dimensionalFull-fieldDeformationMeasurementforSheetMetalForming学科专业：机械工程2012年12月论文题目：钣金件成形三维全场变形检测理论研究学科专业：机械工程摘要随着航空航天业、汽车制造业、装备制造业等行业的发展，对钣金零件的表面质量、形状精度、成形后性能、产品合格率等的要求日益提高。然而，钣金件成形过程中的变形较为复杂，包括弹性变形、弹塑性变形及塑性变形等，使得工艺参数设计和成形过程的精确控制十分困难，钣金零件的

2、形状、性能与设计的零件形状、性能等往往存在一定偏差。因此，需要对钣金件成形过程中的变形进行精确的测量。本文针对钣金零件成形过程中弹性变形所引起的三维形状尺寸偏差，采用近景工业摄影技术与双目面结构光密集点云扫描技术相结合的方法来进行测量；针对钣金件成形过程中塑性变形所引起的应力集中、材料变薄等问题，采用近景工业摄影测量技术与坐标网格分析法相结合的方法来进行检测。主要的研究内容和研究成果如下：（1）研究了多视密集点云融合理论，提出了k-means聚类与mean-shift聚类相结合的多视密集点云融合新方法。首先将面结构光扫描设备获取的多幅

3、密集点云合并为一幅点云，并按等间距采样的方法挑选一些点数据作为初始聚类中心，然后采用k-means聚类法将整幅点云划分为一些较小的簇。遍历每个簇，若簇内点数据的法向量标准偏差值大于预先给定的阀值，则对该簇进行迭代细分，直至满足阀值要求为止。细分后，对各个簇进行mean-shift聚类处理，得到局部模式点，取代该簇，实现点云融合。新方法可在保持细节特征的基础上实现多视密集点云的快速融合。（2）研究了密集点云精简/采样理论，提出了基于k-means聚类的特征保持的点云精简/采样新方法。首先按等间距采样的方法挑选一些点数据作为初始聚类中心，

4、采用k-means聚类法将整幅点云划分为一些较小的簇。然后对位于点云115摘要边界上的簇按边界特征保持的要求划分为更小的簇。遍历每个簇，若簇内两个点数据的法向量偏差大于给点的带宽阀值，则以这两个点数据为新的聚类中心，在该簇内进行k-means聚类，形成两个新的子簇。最后，对新生成的子簇按照上述步骤进行迭代细分，直至满足带宽阀值要求为止。细分后，选择各个簇的核心取代该簇，实现密集点云精简/采样。新方法可在保持细节特征的基础上实现密集点云数据的快速精简/采样。（3）研究了点云与CAD模型比对检测理论，提出了一种基于约束搜索球的点云与初始设

5、计CAD模型比对检测技术。为了提高比对检测的准确性，在分析现有点-面计算模型的基础上，提出了点-边计算模型与点-点计算模型，用于求取曲率变化较大区域的点偏差值。为了提高计算效率，在最邻近顶点搜索过程中采用K-D树进行加速，在点数据归属过程中，构建了一系列约束搜索球，将点云与CAD模型比对的范围限制在约束搜索球内，降低算法的时间复杂度，提高点数据归属的效率。与传统方法相比较，新方法在精度、效率方面均有所提高。（4）研究了近景工业摄影测量技术与坐标网格分析法相结合的钣金件成形表面应变测量理论，提出了一种基于摄影测量技术的三维网格尺寸测量方

6、法。将网格分析法中网格图案设计成计算机可自动识别的图形，在钣金件成形前后，采用摄影测量技术重建钣金件表面的三维网格。最后根据同一网格在成形前后尺寸的变化，套用应变计算公式计算出钣金件表面的应变。由于摄影测量是非接触式测量方法，可实现自动、高效、高精度的网格重建及尺寸测量，因而可以弥补网格分析法中网格测量这一软肋，提高钣金件表面应变测量的精度及自动化水平。新方法可快速、高效、高精度地实现钣金件成形后表面全场应变的测量。在上述理论技术的基础上，搭建了硬件系统并开发了相应的测量软件，通过对某些型号的钣金零件三维形状尺寸偏差及表面应变的测量，

7、验证了本文方法的有效性。关键词：钣金件；变形；点云；摄影测量；坐标网格分析法；论文类型：应用基础115ABSTRACTTitle:Three-dimensionalFull-fieldDeformationMeasurementforSheetMetalFormingSpeciality:MechanicalEngineeringApplicant:BaoquanShiSupervisor:Prof.JinLiangABSTRACTWiththedevelopmentofaerospaceindustry,automobilemanu

8、facturingindustryandequipmentmanufacturingindustryetc.,highsurfacequality,highshapeaccuracy,highperformanceand