一种提高扩孔率测量精度的数字化在线测量方法与流程

本发明属于金属薄板成形领域，具体涉及一种提高扩孔率测量精度的数字化在线测量方法。

背景技术：

扩孔率是反映金属板材成形能力的重要指标，扩孔率的高低直接影响金属板材在扩孔成形方式下的极限变形能力。国标gb/t24524：2009中给出了扩孔率测量的常规试验方法，即首先在试样上冲制圆孔，然后将规定形状和尺寸的圆锥形扩孔凸模顶入金属薄板试样的冲制圆孔进行扩孔试验，直至圆孔边缘出现穿透试样厚度的裂纹，停止试验，测定圆孔直径的扩展量与圆孔初始直径的比率，即极限扩孔率。

该标准中针对锥形凸模扩孔方法规定将预冲制的直径10mm的圆孔扩孔至孔边缘裂纹贯穿厚度时，停机取出试样并对当前时刻孔径沿相互垂直的两个方向进行测量，并求孔径平均值根据公式1来计算极限扩孔率。

其中：d0为圆孔初始直径，dh为扩孔后直径。

该标准中采用人为观察的方式判断裂纹是否“贯穿”，无法进行量化，不同测试人员、不同实验室、不同特性钢种的测试结果之间存在重复精度差、结果分散性大的问题；而且随着材料强度的提升，裂纹的脆性扩展和变形后的回弹对扩孔率的影响变得更为突出，表现在：

(1)当肉眼判断裂纹“贯穿”试验厚度截面时停止试验，往往会发现裂纹已发生了较大的脆性扩展，从而导致扩孔率测量偏差较大；

(2)当观察到裂纹贯穿取下试样后，由于材料的弹性回复，实际所测的数值并非破裂时刻对应孔径，也影响了扩孔率的测量精度。从近几年各钢厂、汽车厂、高校的测量报告来看，同一批钢种，实测的扩孔率可能在25～55％之间波动，导致其结果不具备工程应用价值。

因此，高强钢尤其是超高强钢的扩孔率的准确测量，已经成为塑性成形领域世界性的难题。

中国专利公告号203364754u公开了一种用于扩孔试验的极限扩孔率测量装置，借助于两个相互垂直的带支撑滑臂的测量刀口，贴近圆孔边缘，通过位移传感器和带有运算器的显示器能够高效、精准的测量破裂状态的平均圆孔直径。该方法仅实现了简单快速的内径测量，并未涉及上述两个问题的解决方案。

中国专利公告号为104034298b公开了一种金属材料扩孔率精确测量方法，通过测量冲顶力下降200-500n时对应的冲头位移、扩孔试验后孔高这两个参数来计算得到扩孔后的孔径，计算极限扩孔率。该方法存在的问题：

(1)用于计算的冲头位移和孔高不在同一时刻，存在偏差；

(2)对于超高强钢，裂纹发生脆性扩展时，载荷并未有明显的下降。

由于扩孔率直接反映了材料在类似扩孔成形状态的极限变形能力，对零件设计具有重要的指导作用，因此其准确测量至关重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种提高扩孔率测量精度的数字化在线测量方，准确测量破裂时刻的自动识别及扩孔后孔径，准确反映材料在类似扩孔成形状态的极限变形能力，对车身零件指明了优化设计方向，同时能更好的指导产品开发人员对设计指标进行优化，提高研发效率。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种提高扩孔率测量精度的数字化在线测量方法，包括如下步骤：

1)将一高精度高速ccd相机置于原有扩孔试验装置上部，镜头朝向扩孔试验的孔缘一侧，ccd相机与扩孔试验装置计算机控制系统实现时间同步，使得ccd相机实时捕捉到的图像实时传输到计算机控制系统之后，可以与试验系统的载荷、位移数据建立对应关系；

扩孔试验装置包括扩孔试验模具凹模及其下方的凸模-冲头，设于凹模上方、对应扩孔处的高精度高速ccd相机及控制凸模运动、高精度高速ccd相机图像采集的计算机控制系统；期间该控制系统控制试验冲头的上升速度和高度，并且在此过程中实时、同步测量冲头位移、试样承受的载荷和ccd相机拍摄的图像，并保证试样在初始时刻至出现裂纹时刻能足够清晰；通过一个图像识别系统识别边界、抓取每一个像素点的x/y坐标、可进行灰度调整和阈值设定；

2)扩孔试验开始，扩孔凸模的运动由计算机控制系统控制，同时控制系统会发送一触发信号到图像识别系统，触发该系统开始图像采集工作；控制系统控制扩孔凸模以一定速度上行；

3)图像识别系统对每一时刻t采集到的彩色图像进行灰度识别和二值化处理，对扩孔后试样孔的边界进行边缘检测，获得靠近圆孔中心的内边界，和靠近试样法兰边的外边界；所述内边界作为后续扩孔率测量和计算的依据；

4)对获得的内边界进行离散化，如t时刻的图像p^t，其内边界是由沿轮廓周向的n组离散点组成，这些离散点的坐标标记为同时该轮廓的中心点为所有离散点的坐标都处于同一坐标系下；

5)边界轮廓半径识别，根据各离散点和轮廓中心点的几何关系，每一时刻t的边界轮廓的理论半径r1^t,r2^tλrn^t描述如下：

考虑该边界轮廓并不一定是光滑连续的，因此根据上述公式(2)所计算出的r1^t,r2^tλrn^t并不是相等的同一个数值，而是会有一定的波动，因此，需要确定该t时刻孔的唯一半径r^t；

6)t时刻孔径计算，根据公式d^t＝2*r^t获得t时刻扩孔直径；

7)扩孔临界时刻的判别，试验前在图像识别系统中设置破裂灰度阈值hc，即当圆周轮廓上某一时刻采集的图像检测到的灰度相对于前一时刻的变化值大于hc时，认为有贯穿试样厚度截面的裂纹产生，该时刻记为thf，将该时刻前一帧图像对应时刻作为扩孔临界时刻，记为tc；

8)计算扩孔率λ，将临界时刻tc的扩孔直径确定作为临界孔径，并按照下式计算扩孔率，d0为初始孔径：

优选的，步骤5)中所述孔的半径r^t采用最小值法来确定：

r^t＝min{r1^t,r2^tλrn^t}(3)。

优选的，步骤5)中所述孔的半径r^t采用平均值法确定：

优选的，步骤5)中所述孔的半径r^t采用最大集中数区间最小值法，按组距k绘制r1^t,r2^tλrn^t的直方图，按m％的集中数区间，根据公式(3)计算最小值，

r^t＝min{r1^t,r2^tλrn^t}(3)。

优选的，步骤5)中所述孔的半径r^t采用最大集中数区间平均值法，按组距k绘制r1^t,r2^tλrn^t的直方图，按m％的集中数区间，根据公式(4)计算平均值：

优选的，步骤5)所述孔的半径r^t采用最小二乘法确定，是对所有点进行最小二乘拟合，拟合目标曲线是圆，所得误差最小的曲线计算孔半径r^t。

优选的，本发明方法适用于锥形扩孔、圆柱凸模扩孔、球形凸模扩孔、圆柱翻边、椭圆形扩孔试验。

优选的，步骤2)图像识别系统进行图像采集频率分为两个阶段，在0-t1阶段由于扩孔量较小，设置较低的采集频率，至少5帧/秒；在t1-t2阶段，扩孔量逐渐增大，则设置较大的图像采集频率，至少10帧/秒；以保证后续极限时刻选择足够精确，其中t2时刻对应后续的试样破裂时刻thf。

本发明的有益效果：

本发明方法精确地抓取到裂纹“正好”贯穿厚度截面这一时刻，并精确地测量该时刻的孔径。

本发明方法数字化、在线的扩孔率测量方法很大程度上改善扩孔率测量精度，避免人为因素引起的测量结果不稳定性。

本发明数字化测量采用高精度ccd相机，该相机的景深足够满足板料从初始状态到破裂时刻对清晰度的要求，且该相机的拍摄频率可以根据试验要求进行调节。

本发明方法可以根据设定的阈值自动判断裂纹产生的时刻，避免了人为判断裂纹产生的随机性，提高了测量结果的稳定性；

本发明方法可以实现扩孔率的在线测量，不需取下试样手工测量，通过计算机在线对目标时刻的图像进行处理，获得边缘轮廓进而求得扩孔后孔径，计算得到扩孔率，测量效率和精度更高；

本发明提出的扩孔后孔径计算方法有五种，分别为最小直径法、直径平均法、最大集中数区间最小值法、最大集中数区间平均值法和最小二乘法，在实际操作时均可实现，但不排除其它孔径计算方法应用的可能性。

因此，本发明扩孔率测量方法是一种数字化、在线式测量方法，能够自动判别裂纹的产生，且孔径测量由计算机完成，较好的保证扩孔率测量精度和稳定性。

附图说明

图1为本发明数字化扩孔率在线测试系统示意图。

图2为本发明位移、载荷、ccd图像-时间关系同步输出示意图。

图3为本发明方法中扩孔后图像处理及识别示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

参见图1，所示为本发明在国标gb/t24524中所提到的60度锥形凸模扩孔试验上的应用。

在原有扩孔模具的基础上增加了高精度ccd相机及图像采集和分析系统。凸模1、凹模2为扩孔试验模具，为带有预制孔的坯料--压料板3。图中所示坯料和实线为试验初始时刻，虚线所示为凸模1上行h高度后的状态。该系统可以通过计算机系统4控制ccd相机5的图像采集频率，以及控制凸模1的运动，使图像采集和凸模运动完成同步。凸模1的位置可以根据ccd相机的景深来定，保证试样-压料板3在初始时刻至出现裂纹时刻能足够清晰。ccd相机5通过安装支架固定在试验机上。如图2所示，控制系统可以控制试验冲头的上升速度和高度，并且在此过程中实时、同步测量冲头位移、试样承受的载荷和ccd相机拍摄的图像。

扩孔实验在mts成形试验机上进行，所涉及的锥形扩孔试验模具由锥形凸模1-冲头、凹模2和压料板3组成，凸模1安装在试验机的下滑块上，凹模2固定在工作台面，压料板3安装在试验机上滑块，并将预制孔直径为10mm、边长为90mm的方形试样对中放置在凹模和压料板之间，整个试验部分由计算机系统4进行控制。在试验机上滑块中间区域开有一直径约100mm的通孔，将一高精度长景深的ccd相机镜头5固定在该通孔中，调节镜头的位置，使能够清晰的拍摄到试样从开始扩孔至裂纹产生过程，图像的采集由计算机系统4进行控制，其可以实现图像采集频率调节以及对采集后图像进行分析处理。

保证图像识别系统和扩孔试验的同步，扩孔试验开始时mts的控制系统会发送一信号到图像识别系统触发该系统工作，开始图像采集工作。试验时，扩孔凸模以10mm/min的速度匀速上行，图像采集频率分两个阶段，见图3，在0-t1阶段由于扩孔量较小，设置较低的采集频率，6帧/秒；在t1-t2阶段，扩孔量逐渐增大，则设置较大的图像采集频率，12帧/秒，以保证后续极限时刻选择足够精确，其中t2时刻对应试样破裂时刻thf。

采用图像处理技术中的边缘检测技术，首先将具有256个亮度等级的彩色图像通过灰度调整和控制，获得可以反映图像整体和局部特征的二值化图像。实施例采用cvcanny算法或sobel算法或已知的其它算法，进行边缘检测，对原始灰度图像先进行高斯滤波，去除干扰因素，得到边缘平滑的图像，进一步进行边缘线的跟踪，得到扩孔后沿厚度两侧的边缘轮廓，如图3所示。由于试样有一定的厚度，因此存在两个边界：靠近圆孔中心的内边界l1，和靠近试样法兰边的外边界l2，c为裂纹。

所述图像识别系统具有裂纹自动判别功能，针对采集到的图像，首先进行二值化灰度图像，基于其内部像素识别和边缘检测算法，当识别到图3所示的圆环截面区域的像素减少量达到设定的阈值q时，认为破裂发生，对当前图像中的圆环边界进行识别，获得两条边缘曲线。

对该目标图像进一步处理，采用最小二乘近似方法对内部边界进行曲线拟合，拟合方程为圆，最后得到拟合后的圆半径为r。

进一步参考公式1计算得到该材料极限扩孔率为：

基于上述测量破裂时刻扩孔率的方法，由于本发明系统可以得到中间过程区域的实时图像和对应的力、位移数据，因此，该试验还可以得到不同时刻下位移、载荷、扩孔率的对应关系，以及三者随时间的变化曲线，如图2所示。

综上所述，扩孔率直接反映了材料在类似扩孔成形状态的极限变形能力，对零件设计具有重要的指导作用，其准确测量至关重要。现有标准和已公开的试验方法均不能很好的解决这一问题，且相同材料从不同的实验室测得的扩孔率数值差别很大，不能统一。本发明测量方法通过相机实时捕捉到的图像实时传输到计算机控制系统，计算机通过图像处理方法对图像中扩大后孔的边缘状态进行分析处理，通过设定一定的阈值来自动判断扩孔是否达到极限状态；同时，计算机对所判别的极限时刻对应照片上的孔边缘分析，来处理得到扩孔后的实时孔径。使用该方法，裂纹判断实现了自动化避免了人为因素的影响，结果较为稳定；同时，所测孔径基于图像处理的边界识别算法，避免了人为测量误差，同时属于在线测量而非取下试样回弹后的孔径，提高了测量精度。