第２７卷 第４期 重庆理工大学学报（自然科学） ２０１３年４月 Ｖ０ｌ＿２７ Ｎｏ．４ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） Ａｐｒ．２０１３ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４—８４２５（Ｚ）．２０１３．０４．０１０ 基于双目立体视觉测量技术的冲压件 数字化回弹测量 路平，刘 斌，黄常标，林俊义，徐正兴，刘晓辉 （华侨大学机电及自动化学院，厦门３６１０２１） 摘 要：针对采用常规检具测量冲压件回弹量存在精度低、费用高、周期长等问题，提出数 字化回弹测量方法。研制了基于光栅投影的双目立体视觉测量装置，应用该装置采集获取实际 冲压件产品的三维点云数据；采用三步法将点云数据与产品的ＣＡＤ设计模型匹配对齐，计算点 云相对于设计模型在最佳匹配位置的法向偏差量，从而获得回弹量数值。生产实际中的应用表 明：所研制的测量装置和数字化回弹测量系统通用性强，能实现对复杂、大型冲压件快速、灵活、 精确的三维回弹测量。 关键词：回弹；立体视觉测量；点云；三步法 中图分类号：ＴＰ３９１；ＴＧ３８６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—８４２５（２０１３）０４—００４５—０５ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｐｒｉｎｇｂａｃｋ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｓｔａｍｐｉｎｇ Ｐａｒｔｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｂｉｎｏｃｕｌａｒ Ｓｔｅｒｅｏ Ｖｉｓｉｏｎ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ＬＵ Ｐｉｎｇ，ＬＩＵ Ｂｉｎ，ＨＵＡＮＧ Ｃｈａｎｇ—ｂｉａｏ，ＬＩＮ Ｊｕｎ－ｙｉ，ＸＵ Ｚｈｅｎｇ—ｘｉｎｇ，ＬＩＵ Ｘｉａｏ—ｈｕｉ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈｕａｑｉａｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｍｅｎ ３６１０２１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｍａｋｅ ｕｐ ｔｈｅ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｌｏｗ ａｃｃｕｒａｃｙ，ｈｉｇｈ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｌｏｎｇ ｃｙｃｌｅ ｉｎ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｐｒｉｎｇｂａｃｋ ｏｆ ｓｔａｍｐｉｎｇ ｐａｒｔｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｔｏｏｌｓ，ａ ｄｉｇｉｔａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｐｒｉｎｇ－ ｂａｃｋ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ．Ａ ｂｉｎｏｃｕｌａｒ ｓｔｅｒｅｏ ｖｉｓｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｇｒａｔｉｎｇ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｄｅｖｉｓｅｄ ａｎｄ ３ Ｄ ｐｏｉｎｔ ｃｌｏｕｄ ｄａｔａ ｏｆ ａｃｔｕａｌ ｓｔａｍｐｉｎｇ ｐａａｓ ｉｓ ａｃｑｕｉｒｅｄ ｂｙ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｈｉｓ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｐｏｉｎｔ ｃｌｏｕｄ ｄａｔａ ａｎｄ ＣＡＤ ｄｅｓｉｇｎ ｍｏｄｅｌ ａｒｅ ｍａｔｃｈｅｄ ａｎｄ ａｌｉｇｎｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｒｅｅ ｓｔｅｐｓ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｒｉｎｇｂａｃｋ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｐｏｉｎｔ ｃｌｏｕｄ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｐｒｉｎｇｂａｃｋ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｈａｖｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ 收稿日期：２０１３—０２—２０ 基金项目：福建省自然科学基金资助项目（２０１０Ｊ０５１１６）；厦门科技计划项目（３５０２ｚ２０１１３０２０）；高校基本科研 业务费资助项目（ＪＢ—ＺＲ１１０１） 作者简介：路平（１９８０一），女，山东济宁人，博士，讲师，主要从事金属塑性成形过程数值模拟、板材冲压成形技术 研究。 重庆理工大学学报 ｏｆ ｓｔｒｏｎｇ ｇｅｎｅｒａｌｉｔｙ，ａｎｄ ｔｈｅｙ ａｒｅ ａｂｌｅ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓｐｒｉｎｇｂａｃｋ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ａｎｄ ｌａｒｇｅ ｓｔａｍｐｉｎｇ ｐａｒｔｓ ｆａｓｔ，ｆｌｅｘｉｂｌｙ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｐｒｉｎｇｂａｃｋ；ｓｔｅｒｅｏ ｖｉｓｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ；ｐｏｉｎｔ ｃｌｏｕｄ；ｔｈｒｅｅ ｓｔｅｐｓ ｍｅｔｈｏｄ 在薄板冲压成形过程中，拉裂、起皱和回弹是 ３种最基本的缺陷。由于回弹发生在冲压件成形 的最后一步，它的产生是整个成形过程误差累积 置点的回弹量快速数字化评测。 １ 光栅投影双目立体视觉测量装置 的结果，因此导致回弹问题最难解决。近几年来， 随着高强度钢和轻合金材料在冲压件制造中的大 量使用，冲压件的回弹问题日益严重，造成冲压件 的形状尺寸精度降低，给模具和后续的装配工艺 设计带来很大困难 Ｉ２］。因此，有效控制和减小 回弹已成为当前冲压成形领域亟待解决的问题。 要实现对冲压产品回弹量的有效控制，前提和关 键在于准确预测回弹发生的部位和对回弹量的精 确测量。 虽然有限元仿真分析技术已广泛应用于冲压 件回弹的预测与控制，但是由于仿真误差的存在， 仿真计算的回弹量与实际结果仍有一定的误差。 在实际工业生产中，企业常通过采用检具测量方 法测量产品回弹量来修整模具，即按照冲压件 ＣＡＤ模型，加工出与其型面、特征点、定位孔相匹 配的检具，然后将冲压产品定位安装在检具上，使 用量规、卡尺等量具测量产品与检具型面的差值， 从而获得冲压产品的回弹量＿３Ｉ４ｊ。该方法需要制 造和存放大量专用检具，增加了生产成本；对于局 部曲率变化大的复杂冲压件型腔部位，无法进行 差值测量；同时，检测结果会过多地受人为主观因 素的影响，难以全面、科学、直观地对冲压产品回 弹分布进行定量表达。因此，研究开发一种快速、 灵活、精确的冲压件三维回弹评测系统，实现复 杂、大型冲压件回弹的三维快速测量在工程实际 中具有重要意义。 本文提出一种基于双目立体视觉测量的冲压 件数字化回弹评测方法，开发了基于光栅投影的 立体视觉测量装置，采用该装置采集获取实际冲 压产品的点云数据，与冲压件的设计模型进行比 较，计算点云相对于设计模型在最佳匹配位置的 法向偏差量，实现冲压产品在三维空间和具体位 １．１测量系统的基本原理 基于光栅数字投影的双目立体视觉测量系统 由２个ＣＣＤ摄像机、１台数字投影仪和１台电脑 组成。２个ＣＣＤ摄像机构成双目立体视觉系统， 投影仪用于投射编码条纹，电脑用于实现生成编 码条纹和对相机采集的条纹图像的处理和获取三 维信息 ］。投射编码条纹的目的是为了在被测物 体表面增加特征信息，以便于对应基元的匹配。 经过编码，在２个相机拍摄到的同一场景的２幅 图片中，满足码值相同和极线约束条件的对应点 即为一对匹配点。因此，只需在左右图像中寻找 出特征点的匹配对应点，就可计算出特征点的视 差，从而计算出特征点的三维坐标。 １．２测量装置硬件设计 本装置硬件设计主要完成投影仪、摄像机和 镜头的规格选型。考虑到结构光测量系统应能在 任何光照条件下工作，需采用亮度比较高的投影 仪。为保证格雷编码 ６一 的黑白条纹图案更为锐 利，投影仪还应有较高的对比度，因此选用夏普 ＸＧ—Ｊ８３０ＸＡ ＤＬＰ投影仪。该投影仪具有４ ０００ 流明的亮度和２ ０００：１的对比度。因测量装置实 际编码的格雷码和相移图像均为灰度图像，需要 选用黑白工业摄像机ＣＣＤ进行灰度图像的采集， 选择１４０万像素的映美精相机ＶＤＧ一１３０ＭＴ１５作 为图像采集装置，相机的分辨率为１２８０×９６０。根 据相机参数及拍摄距离，确定选择焦距为１２ ｍｍ 的镜头。考虑到变焦镜头的畸变比较大，会给测 量系统带来更多的误差，因此选用Ｃｏｍｐｕｔａｒ焦距 为１２ ｍｍ的定焦工业镜头，型号为Ｍ１２１４一ＭＰ。 所研制的整个装置硬件平台如图１所示。 路平，等：基于双目立体视觉测量技术的冲压件数字化回弹测量 ４７ 图１测量装置 １．３测量装置软件系统的研发 选用微软的Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋２００８作为软件开发 工具。ＣＡＤ模型显示采用开放ＯｐｅｎＧＬ图形库。 图像处理采用开源视觉库ＯＰＥＮＣＶ。光栅投影反 求装置软件系统设计为插件式结构。软件系统框 架如图２所示，主要包含主程序、接口模块、ＣＡＤ 数据模块、各种插件模块。其中：主程序是基于微 软基础类库ＭＦＣ的单文档／视图框架，实现了 ＣＡＤ模型和图片的显示及交互、任务调度管理、服 务函数等功能，包含有模型管理对象以及其他服 务对象；ＣＡＤ数据模块包括ＣＡＤ数据模型、模型 管理等模块；接口模块提供了在主程序外部调用 和访问主程序有关行数和对象的功能；插件模块 中的工具条插件实现了在主程序中装入工具条及 菜单的功能，而任务插件则实现了对数据的操作。 图２软件系统框架 根据双目立体视觉测量系统需要完成的功 能，在插件式软件系统中开发了相应的功能插件， 使该测量系统具备以下功能：①摄像机标定功能， 包括单相机标定、立体标定和立体校正３部分；② 光栅生成功能，包括格雷码光栅、相移光栅和一张 用于做掩码的全白图像的生成；③三维重建和标 志点拼接功能，包括立体匹配、三维重建及显示和 标志点拼接３部分。具体方法和内容可参考文献 ［８］中的相关研究成果。 ２基于双目立体视觉测量的冲压件数字化 回弹测量方法和关键技术 ２．１ 冲压件数字化回弹测量方法 基于双目立体视觉测量的冲压件数字化回弹 测量步骤如图３所示。主要包括：①通过光栅投 影测量装置采集获取冲压产品点云数据，并对点 云数据进行删除孤立点、删除非连接点和去噪声 等处理，以得到精确、光滑的点云数据；②冲压产 品点云模型与设计ＣＡＤ模型的匹配对齐；③搜寻 冲压产品点云模型中每一点在设计ＣＡＤ模型中 的投影点，计算其相对设计ＣＡＤ模型的法向偏 差，获得冲压产品相对于设计模型的回弹量。 图３ 冲压件数字化回弹测量流程 ２．２模型匹配对齐 冲压产品点云模型与ＣＡＤ模型的匹配对齐 采用三步法：首先通过手工移动或者旋转命令使２ 个模型粗对齐；然后采用迭代最近点算法（ＩＣＰ算 法）使其在最小二乘意义上精确对齐；最后通过指 定模型上不发生回弹区域的３个基准点来手工对 齐，用于保证２个模型回弹基准一致。 ＩＣＰ算法指的是在原始模型点集与待匹配模 型点集的匹配过程中，通过不断迭代优化矩阵，对
