CN101750018A - 工件弯曲变形过程中的非接触实时位移测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量通过弯曲方法进行变形的工件(5)的弯曲位移的非接触、实时方法，包括以下步骤：弯曲工件(5)，通过照相机(7)捕捉至少工件(5)的一部分的几何的图像，由与照相机(7)电子连接的处理器(8)处理图像，以及由处理器(8)确定工件(5)弯曲位移。此外，本发明涉及用于执行此方法的测量***。

Description

工件弯曲变形过程中的非接触实时位移测量方法和装置

技术领域

本发明涉及用于测量通过弯曲方法(例如激光束，电子束或电弧束)进行变形的工件的弯曲位移的测量***和用于测量例如弯曲位移的非接触、实时方法。

背景技术

激光弯曲是一项结合了激光和金属成形技术的高度灵活的加工技术。它是非接触成形工艺，其中激光束用作形成例如金属板料工件的成形工具而不用任何模具。这项技术有着非常广阔的应用，特别是在轮船、汽车和航空航天工业。

为了开发和应用此项技术，自1980年以来许多在日本、波兰、美国、德国和中国工作的学者已经做了理论和实验方面的研究工作。然而，经验调查主要集中在测量金属板料(sheet metal)的最终弯曲角度。因为激光弯曲过程是非常复杂的热物理过程，为推动激光弯曲技术在实际生产中的应用，需要获得激光弯曲的弯曲位移过程。

目前弯曲位移是根据下列方法确定的：

1.人工测量

当人工确定弯曲位移时，采用高度尺获取板料的最终位移。这种方法的缺点在于整个测量都由人工实施。因而，这种方法效率低并且不精确。这种方法另一个缺点是无法获得弯曲位移的变化/移动过程。

2.光学反射测量

这种方法中，工件夹在一端成为工作台的悬臂。一小片树脂玻璃粘在测量点的上表面。激光束(例如从5W激光设备)照射到树脂玻璃上并被反射到坐标纸，其中工件的弯曲位移被放大。照相机记录激光照射器件光斑的移动。这种方法的缺点在于它只适用于测量长形状工件的弯曲位移。如果树脂玻璃越宽，反射就会变得越不精确。

3.位移传感器测量

在使用位移传感器的方法中，工件夹在一端成为工作台的悬臂板料。为了确定弯曲位移，使用位移传感器测量距自由端5mm的下表面上的点处的位移变化。这种方法的缺点在于传感器必须与板料接触，而这将影响板料的弯曲位移。因而，测量不能接触而没有传感器的电阻的点是困难的。传感器的电阻同样会影响弯曲工艺的精确度。

4.激光扫描仪测量

激光扫描仪测量方法利用激光扫描仪间断地扫描工件的移动。激光扫描仪测量方法的缺点是由于扫描是间断地，无法获得弯曲位移变化的整个过程。

发明内容

本发明的目的在于提供用于测量工件弯曲位移的方法，，以及用于执行这种方法的测量***。该工件例如通过例如激光、电子或电弧束等的弯曲方法变形的金属或塑料板料。

通过如独立权利要求的用于测量通过弯曲方法进行变形的工件弯曲位移的方法以及执行这种方法的测量***来实现这个目的。

进一步的有利发展是从属权利要求的主题。

本发明的有益效果如下所示：

1.在弯曲的过程中实现弯曲位移的实时测量。本发明使能够在该过程中任何时间容易获取工件的弯曲位移。

2.所有的视频捕捉，图像处理和数据转换都自动进行。已经克服了人工数据处理造成的低效率和精确度差，其提高了测量的可重复性和可靠性。

3.所有的操作都由程序实施，其显著提高了效率。

4.实现了非接触测量。由于不与工件接触，测量的精确度得到提升。

5.本发明提供了针对弯曲过程的数值模拟的更加准确经过校验的数据。它同样为弯曲机理的研究建立实验数据，以及促进弯曲技术在实际生产中的应用。

附图说明

图1示出根据本发明优选实施例的激光弯曲***；

图2示出根据本发明优选实施例用于测量变形工件弯曲位移的方法的概况流程图；

图3是更加详细的流程图，更加详细地示出图2流程图中C到G步骤；

图4是示出根据本发明优选实施例确定的板料弯曲位移的实时曲线的图。

具体实施方式

图1示出根据本发明优选实施例的激光弯曲***。显示的激光弯曲***包括工作台1，其装配有基本上由两块可以相互压向彼此的板构成的夹具2，以便在两块板之间保持并且夹住工件5。在本实施例中是金属板料的将变形的工件5如同悬臂板一样被夹具2保持住。图1的***还包括用于提供激光束的激光设备3，其与用于移动激光设备3的自动机械设备(robot)4机械连接。自动机械设备4移动并且控制激光设备3以便将激光沿着金属板料的宽度方向照射到金属板料5上(图1显示的虚线)。此外，本***包括CCD照相机7。照相机7的透镜用滤光件6掩盖防止激光进入照相机7。为了计算照相机7获得的光学数据，照相机7与在本实施例中是计算机8的处理器电连接。计算机8包括目前现有技术状态的屏幕、存储器和输入设备。当弯曲设备3的激光束沿图1中显示的虚线照射时，金属板料5变形，其中变形描述了关于虚线的折叠动作，其中自由端(被夹具2夹住的金属板料的一端相对的那一端)在图1中向上或向下移动，也就是向激光设备3的方向或相反方向。图1中激光束沿着虚线照射到金属板料5上，该虚线将金属板料5分为两个部分，其中没有被夹具2持住的部分的侧面被标黑以及认作测量区域。标黑提高了照相机7获得的图像质量并且实现后续更加精确的图像处理。该侧面是在与虚线基本上垂直的平面内绕图1中虚线转动的边。设置CCD照相机7以便测量区域在它的视窗内并且标黑的侧面的图像关于照相机7的方位是水平的。为了防止激光进入照相机7的透镜，滤光件6固定在CCD照相机7透镜的前面。

根据本发明实施例，激光束是波长λ＝1064nm最大功率3500W的Nd:YAG激光。自动机械设备4是具有6轴的KUKA KR100高精度自动机械设备。照相机7装配有焦距为50mm的变焦镜头。照相机7获得的数据通过USB 2.0接口传送到计算机8。

采用型号AA6056的铝合金作金属板料5的材料，其长150mm，100mm宽以及2.5mm厚。激光束照射的路径为图1中显示的虚线，其中激光束移动速率为10mm/s，激光束输出功率为2000W，激光束斑直径为5mm。激光束照射方向可以由自动机械设备4控制。或者，照射方向可以由反光镜控制。例如，激光束照射方向可以通过与水平线成45度的反光镜改变90度，也就是反光镜与金属板料5的平面平行的平面成45度。若干个反光镜就可以根据在金属板料5上期望的照射位置精确控制激光束照射方向。在这种情况下激光束应该与金属板料5的宽度方向平行。

即使优选方向是金属板料5水平固定，金属板料5可以水平和竖直固定使能够获得关于照相机7的方向水平或竖直的图像。可以通过改变金属板料5和照相机7之间的距离调节图像尺寸以及测量分辨率。

图2示出根据本发明实施例用于测量变形工件弯曲位移的方法的概况流程图。

步骤A中，建立联系图1说明的***。其后，步骤B中，启动计算机8执行的软件程序，这随后详细说明。首先，程序初始化并且申请计算机8的存储器。

在接着的步骤C中，设置参数以及执行弯曲和测量进程(图2中称为实验)。当执行该过程时，照相机7捕捉视频。在步骤C中，执行随后说明的图3中示出的步骤101。

其后，步骤D中，计算机8基于步骤C中照相机7捕捉的视频捕捉图像，以及计算机8基于捕捉的图像创建文本文件。计算机8捕捉图像的帧速率在步骤C中设置。在步骤D中，执行随后说明的图3中示出的步骤102和103。关于这一点，要注意，步骤C和D可以顺序执行(步骤D在步骤C之后)或相互并行。

然后，步骤E中，计算机8读取以及处理图像。每个图像按照包括图像灰化，边缘检测，二值化以及质心确定的顺序读取和处理。在步骤E中，执行随后说明的图3中示出的步骤104到110。关于这一点，可以在步骤D之前执行步骤E或相互并行执行步骤D和E，其中后面那种情况下程序打开步骤D中创建的文本文件并且依次读取以及处理每个图像。或者，也可以人工选择某个图像以及处理。

在接着的步骤F中，获取并保存捕捉到的图像的图像元素(pictureelement，即PEL)值。在步骤F中，执行随后说明的图3中示出的步骤111。

其后，步骤G中计算机8绘制弯曲位移的实时曲线并且在计算机8的屏幕上显示，该弯曲位移即是在图1中示出的虚线处在与虚线垂直的平面上形成的弯曲位移。在步骤G中，执行随后说明的图3中示出的步骤112到113。

图3是更加详细的流程图，更加详细地示出图2流程图中C到G步骤。

步骤101中，在捕捉视频之前，用输入设备例如计算机鼠标点击计算机8屏幕上显示的一些按钮相应设置一些参数。显示照相机7捕捉的光学数据以及在计算机8的屏幕上显示该数据的视窗尺寸是640×512而照相机7有关的测量范围是80mm×64mm。捕捉的视频的帧速率是15帧/秒。单个帧的图像格式是位图-格式(bmp)。照相机7的感光度可以调节以获得最佳的图像质量。此外，设置保存路径以保存由下面说明的计算进程得到的数据的。在设置完所有这些参数后，启动激光设备，并且在激光弯曲过程一开始，激光束开始照射金属板料5的同时，通过点击按钮开始视频捕捉。在激光束照射完成后，通过点击相应按钮停止视频捕捉。

步骤101之后，执行步骤102。步骤102中，步骤101中捕捉的视频的单个图像(帧)保存在根据步骤101设置的路径下。

然后，执行步骤103，其中创建记录图像的数量、文件名以及保存路径名的文本文件。文本文件保存到根据步骤101设置的路径。

步骤104中，开始循环，其中在从计算机程序菜单上选择相应的功能时读取以及处理每个图像。继续读取以及处理图像直到处理的图像数(图3中称为“次数”)等于捕捉的图像总数N(图3中称为“数量”)。

其后，步骤105中，图像被灰化。每个PEL(图像元素)利用相同的调色板。通过添加红色值R，绿色值G以及蓝色值B计算每个象素的灰度值Y，它们都乘以一定的百分因子如方程式(1)所示。

Y＝R×0.299+G×0.587+B×0.114                             (1)

步骤106中，实行边缘探测。为此，使用Sobel算法因为本实施例的图像优选地为水平图像。在Sobel算法中，根据下列方程式(2)进行PEL八近邻(八个相邻图像元素)和3×3模版的卷积计算。

x＝(-1)×a_i-1，j-1+0×a_i-1，j+(1)×a_i-1，j+1+

   (-2)×a_i，j-1+0×a_i，j+(2)×a_i，j+1+(-1)×a_i+1，j-1    (2)

   +(0)×a_i+1，j+(1)×a_i+1，j+1

其中x是PEL的卷积值，该卷积是针对该PEL进行的。字母a代表PEL以及它八个近邻的灰度值，其中i和j代表八个近邻在x和y方向上的坐标。

选择其他的微分算子实现边缘检测相同的功能和效果也是可行的。如果采用竖直的图像，则优选Kirsh算法。基于从上到下的方向进行Kirsh边缘检测。Kirsh算法中，进行该八近邻和3×3模版的卷积计算。然而，在本实施例中优选上面示出的算子(1)和(2)。

在接着的步骤107中，为了获得二值化的阈值，进行矩守恒法。最佳值应该确保图像的矩维持不变。对于二值化，可通过灰度值分布计算的前三阶矩应该保持不变，如方程式(3)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{m}_1=0\\ m_2=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{p}_i{\left(z_i\right)}^2\\ m_3=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{p}_i{\left(z_i\right)}^3\\ p_i=n_i/n\end{array}\right.---\left(3\right)$

在上面的方程中，n是一个图像中PEL的总数。n_i是灰度值为z_i的PEL的数量。从方程组(3)，可以得到两个灰度值p₀和p₁相对于二值化后的整个图像的比率。其后，基于这些比率计算阈值。

优选上面说明的方法，然而，也可以选择其他适合执行相同功能的算子例如使用直方图信息。

步骤108中，基于步骤107获得的阈值进行二值化。该方法获得工件图像点的数量。在处理工件图像点的灰度值后，设为255而背景设为0。换言之这意味，理想地工件5的标黑的侧面(测量区域)的图像点设为255，而背景设为0。

其后，步骤109中，该过程确定是否n＝0或n＞5000，其意味着没有找到测量区域。这种情况下，x和y值设为0，以及该过程转到步骤111。否则，基于连接区域的面积填充腔。定义相近的(点与其上、下、左以及右的点接近)以及具有255灰度值的点的积聚为连接区域。然后，从左到右以及从上到下扫描整个图像。此外，计算连接区域的面积以及进入动态堆栈。在扫描完成后，得到最大的区域以及填充腔。

步骤110中，获得图像的质心。为此，确定根据步骤109获得的最大区域的质心。尽管上面提及的方法是优选的，也可以选择其他可以执行相同功能的算子，例如方程式(4)和(5)所示的侵蚀和膨胀操作。

$x_t=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i/N---\left(4\right)$

$y_t=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i/N---\left(5\right)$

根据图2的步骤E，优选的顺序是灰化图像，进行边缘检测，执行二值化以及得到质心。另一个可能的顺序是灰化图像，进行边缘检测，执行薄化以及得到最终点。在薄化中，设置3×3的窗口来扫描图像。判断窗口中八个边缘点的灰度值。如果满足设定的条件，质心点的值保持不变，否则它的灰度值设为0。在得到最终点中，薄化后设置3×3的窗口来扫描图像。判断窗口中所有点的灰度值，因此这确保质心点是在薄化中获得的最终点。然后获得在最终点x和y方向的PEL值，其是测量点的值，也就是标黑的测量区域的质心点。

其后，步骤111中，获得PEL的x轴和y轴值以及分别保存在文件x.txt和y.txt中，其保存在根据步骤101设定的路径下。如果处理的图像数量达到了总数N，该过程进入步骤112，否则转回步骤104。

然后，步骤112中，PEL值转换为位移。PEL移动乘以测量分辨率等于测量点的位移，如方程式(6)-(9)所示。

视窗尺寸是640×512，对应的实际测量范围为80mm×64mm。

X轴分辨率：80÷640＝0.125mm/PEL    (6)

Y轴分辨率：64÷512＝0.125mm/PEL    (7)

测量点X轴位移：

Ax_t＝(x_t-x₀)×0.125    (8)

测量点Y轴位移：

Ay_t＝(y_t-y₀)×0.125    (9)

步骤113中，根据位移和它们各自时间值，绘制位移与时间的曲线，给出金属板料弯曲位移的实时曲线。关于这一点，可以在每一个图像处理后绘制该曲线的一部分或者可以在所有图像都处理后完全绘制整个曲线。

本发明实施例得到的实时曲线在图4中示出。

上面，只详细说明了一个实施例，以及这并不用来限定本发明在这个实施例上。同样地，弯曲过程也可以通过例如电子或电弧束启动。

Claims (13)

1.一种用于测量通过弯曲方法进行变形的工件(5)的弯曲位移的测量***，包括：

用于支持所述工件(5)的工作台(1)；

用于弯曲所述工件(5)的弯曲设备(3)；

用于至少部分地光学捕捉所述工件(5)的照相机(7)；以及

与所述照相机电子连接的处理器(8)，

其中所述处理器适用于通过处理所述照相机(7)捕捉的光学信息来确定所述工件(5)的弯曲位移。

2.如权利要求1所述的测量***，其中所述弯曲设备(3)是用于用激光束照射所述工件(5)的激光设备。

3.如权利要求2所述的测量***，还包括滤光件(6)，其波长至少部分地与所述激光设备(3)的激光束波长重叠，其中所述滤光件置于所述激光束和所述照相机(7)之间。

4.如权利要求1所述的测量***，其中所述弯曲设备(3)是电子束或电弧束。

5.一种用于测量通过弯曲方法进行变形的工件(5)的弯曲位移的方法，包括以下步骤：

弯曲所述工件(5)；

通过照相机(7)捕捉所述工件(5)的至少一部分的图像；

通过与所述照相机(7)电子连接的处理器(8)处理所述图像；

通过所述处理器(8)确定所述工件(5)的弯曲位移。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述处理的步骤包括灰化彩色图像的步骤。

7.如权利要求5或6所述的方法，其中在捕捉图像之前执行设置步骤，其包括设置至少下列参数之一：所述照相机(7)捕捉的窗口尺寸，捕捉帧速率，所述照相机的分辨率。

8.如权利要求5-7中任一权利要求所述的方法，其中所述处理的步骤包括转换所述图像为字母数字数据。

9.如权利要求5-8中任一权利要求所述的方法，其中所述处理的步骤包括确定所述图像质心的步骤。

10.如权利要求5-9中任一权利要求所述的方法，其中确定所述弯曲位移的步骤包括在与所述处理器(8)耦合的显示器上绘制显示所述工件(5)的弯曲位移与时间的曲线。

11.如权利要求5-10中任一权利要求所述的方法，还包括在捕捉图像的步骤之前的标黑所述工件(5)的部分的步骤。

12.如权利要求5-11中任一权利要求所述的方法，其中确定所述弯曲位移的步骤包括通过使用Sobel算法使所述图像进行边缘检测的步骤。

13.如权利要求5-12中任一权利要求所述的方法，其中确定所述弯曲位移的步骤包括用矩守恒法确定二值化的灰度值阈值的步骤。

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