Оптический способ контроля деформаций при обработке цилиндрических заготовок
Автор: Семенов К.О.
Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc
Рубрика: Машиностроение и машиноведение
Статья в выпуске: 6 т.26, 2024 года.
Бесплатный доступ
В статье рассматривается методика контроля деформаций для исследования особенностей их локализации по длине осесимметричных длинномерных образцов при растяжении. Это актуально для процесса термосиловой обработке, который заключается в использовании заданного силового и температурного воздействий на заготовку для обеспечения ее прямолинейности с выравниванием остаточных технологических напряжений. Так как процесс идет в пластической зоне нагружения и вытягивание заготовки происходит при поперечной деформации по сечениям, для формирования заданной точности размеров и равномерного распределения припуска на последующую механическую обработку необходимо знать закономерности изменения деформаций с учетом параметров нагружения. Для фиксации распределения полей смещений при нагружении используется оптический способ контроля деформации по поверхности на основе метода корреляции цифровых изображений. На основе анализа серий последовательных цифровых снимков деформируемого образца, предварительно подготовленного для съемки путем нанесения на него спекла в виде случайно распределенных черных точек краски на белой матовой поверхности, с использованием локального градиентного способа корреляции цифровых изображений фиксируется поле смещений и деформаций для заданных областей. Приведены результаты исследования влияния вида спекла на точность определения смещений и деформаций. Рассматривается методика получения и обработки цифровых снимков, включая преобразование в полутоновое изображение, коррекцию дисторсии и повышение резкости изображения с использованием фильтров. Приведены результаты исследований по определению деформаций с использованием оптимальных параметров размера окна корреляции, шага его смещения, порога чувствительности по градиенту освещенности, параметра используемого фильтра Гаусса. Использование предложенного способа контроля обеспечивает возможность отслеживания с необходимой точностью деформаций по длине цилиндрических длинномерных заготовок, что способствует выбору технологических режимов термосиловой обработки по величине и скорости деформации с целью обеспечения максимально равномерного распределения пластической деформации.
Термосиловая обработка, цифровой снимок, корреляционный анализ, спекл, деформация, оптический контроль
Короткий адрес: https://sciup.org/148330418
IDR: 148330418 | УДК: 621.78.01 | DOI: 10.37313/1990-5378-2024-26-6-86-95
Optical method for monitoring deformations when processing cylindrical workpieces
The article discusses a method for monitoring deformations to study the features of their localization along the length of axisymmetric long samples under tension. This is relevant for the process of thermal power processing, which consists in using a given force and temperature influence on the workpiece to ensure its straightness with equalization of residual technological stresses. Since the process takes place in the plastic loading zone and the workpiece is pulled out during transverse deformation along sections, in order to form a given dimensional accuracy and uniformly distribute the allowance for subsequent machining, it is necessary to know the patterns of changes in deformations taking into account the loading parameters. To record the distribution of displacement fields during loading, an optical method is used to control deformation on the surface based on the digital image correlation method. Based on the analysis of a series of sequential digital images of a deformable sample, previously prepared for shooting by applying speckle on it in the form of randomly distributed black dots of paint on a white matte surface, using a local gradient method of digital image correlation, a field of displacements and deformations is recorded for given areas. The results of a study of the influence of the type of speckle on the accuracy of determining displacements and deformations are presented. The technique of obtaining and processing digital images is considered, including conversion to a halftone image, distortion correction and image sharpening using filters. The results of studies on determining deformations using the optimal parameters of the size of the correlation window, the step of its displacement, the sensitivity threshold for the illumination gradient, and the parameter of the Gaussian filter used are presented. The use of the proposed control method provides the ability to monitor with the required accuracy deformations along the length of long cylindrical workpieces, which facilitates the selection of technological modes of thermal power processing in terms of the magnitude and rate of deformation in order to ensure the most uniform distribution of plastic deformation.
Список литературы Оптический способ контроля деформаций при обработке цилиндрических заготовок
- Groover, M.P., Weiss, M., Nagel, R.N. Industrial Robotics: Technology, Programming, and Applications. Industrial robotics: technology, programming, and applications. 1986. ISBN-10007024989X
- Haralick R., Shapiro L. Computer and robot vision. Addison-Wesley Pub. Co. 1993. ISBN: 9780201569438.
- Buluswar S.D., Draper B.A. Color machine vision for autonomous vehicles // Int J Eng Appl Artif Intell. 1998. 11(2). 245-256.
- Obstacle detection for unmanned ground vehicles: a progress report / Matthies L., Kelly A., Litwin T., Tharp G. // Proceedings of the IEEE Intelligent Vehicles ’95 Symposium. 1995. 475-486. https://doi.org/10.1007/978-1-4471-1021-7_52
- Liu, Y., Li, S., Wang, J. A computer vision-based assistant system for the assembly of narrow cabin products // Int J Adv Manuf Technol. 2015. 76. 281-293. https://doi.org/10.1007/s00170-014-6274-9
- Pun T., Gerig G., Ratib O. Image analysis and computer vision in medicine // Comput Med Imaging Graph. 1994. 18(2). 85-96. https://doi.org/10.1016/0895-6111(94)90017-5.
- Kleffner D.A., Ramachandran V.S. On the perception of shape from shading // Perception & Psychophysics. 1992. 52. 18-36.
- Shape-from-shading: a survey / Zhang R., Tsai P.-S., Cryer J.E., Shah M. // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence 21. 1999. 8. 690-706.
- Nayar S.K. Shape from focus system // IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. 1992. 302-308.
- Hartley R I., Sturm P. Triangulation // Computer Vision & Image Understanding. 1997. 68(2). 146-157.
- Chu T.C., Ranson W.F., Sutton M.A. Applications of digital image-correlation techniques to experimental mechanics // Experimental Mechanics 25. 1985. 232-244.
- Sutton M.A., Orteu J.-J., Schreier H. Image correlation for shape, motion and deformation measurements: basic concepts, theory and applications. Springer. 2009. 321 p. eBook ISBN 978-0-387-78747-3.
- Lyubutin P.S., Panin S.V. Measurement of deformation at the meso-level by analyzing optical images of the surface of loaded solids // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2006. 47(6). 905-910. DOI: https://doi.org/10.1007/s10808-006-0131-z/
- Nadezhdin K.D., Sharnin L.M., Kirpichnikov A.P. Visual methods for determining deformations and stresses on the surface of tested structures // Bulletin of the Technological University. 2016. 19(12). 143-146.
- Digital image correlation using Newton-Raphson method of partial differential correction / Bruck H., McNeill S., Sutton M., Peters W. // Experimental Mechanics. 1989. 29(3). 261-267.
- Hung P.-C., Voloshin A.S. In-plane strain measurement by digital image correlation // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 2003. 25(3).
- Peters W.H., Ranson W.F. Digital image techniques in experimental stress analysis // Opt. Eng. 1982. 21(3). 1982. 427-431. https://doi.org/10.1117/12.7972925.
- Vendroux G., Knauss W.G. Submicron deformation fi eld measurements: Part 2. Improved digital image correlation // Experimental Mechanics 1998. 38(2). 86-92. DOI https://doi.org/10.1007/BF02321649
- Lens distortion correction for digital image correlation by measuring rigid body displacement / Yoneyama S., Kikuta H., Kitagawa A., Kitamura K. // Opt. Eng 2006. 45(2). 023602.
- Development of patterns for digital image correlation measurements at reduced length scales / Scrivens W.A., Luo Y., Sutton M.A., Collette S.A., Myrick M.L., Miney P., Colavita P.E., Reynolds A.P., Li X. // Experimental Mechanics 2006. (47)1. 63-77.
- Schreier H.W., Garcia D., Sutton M.A. Advances in light microscope stereo vision // Experimental Mechanics 2004. 44(3). 278-288.
- Advances in two-dimensional and three-dimensional computer vision / Sutton M., McNeill S., Helm J., Chao Y. // In book: Photomechanics, Topics in Applied Physics (P. K. Rastogi, Ed.). Springer, Berlin. 2000. 323-372.
- Garcia D., Orteu J., Penazzi L. A combined temporal tracking and stereo-correlation technique for accurate measurement of 3D displacements: application to sheet metal forming // Journal of Materials Processing Technology 2002. 125-126. 736-742.
- Luo P.-F.. Chao Y.J., Sutton M.A. Application of stereo vision to three-dimensional deformation analyses in fracture experiments // Opt. Eng. 1994. (33)3. 981-990.
- Development of the digital image correlation method for studying the processes of deformation and destruction of structural materials / Lyubutin P.S., Panin S.V., Titkov V.V., Eremin A.V., Sunder R. // Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Mechanics. 2019. 1. 88-109.
- Patterns of localization of deformation at large-scale levels in steel with the structure of tempered martensite / Teplyakova L.A., Kozlov E.V., Ignatenko L.N., Popova N.A., Kasatkina N.F., Davydova V.A. // Bulletin of the Tambov University. Series: Natural and Technical Sciences. 2000. 52(2-3). 221-223.
- Tretyakov M.P., Wildeman V.E. Experimental study of the laws of supercritical behavior taking into account the heterogeneity of sample deformation // Mathematical modeling in natural sciences. 2016. 1. 549-553.
- Modeling of the bands of localization of plastic deformation “chessboard” taking into account the statistical dispersion of the parameters of polycrystal grains / Polyansky V.A., Belyaev A.K., Grishchenko A.I., Lobachev A.M., Modestov V.S., Pivkov A.V., Tretyakov D.A., Shtukin L.V., Semenov A.S., Yakovlev Yu.A. // Physical mesomechanics. 2017. 20(6). 40-47.
- Rekov A.M., Vichuzhanin D.I. Density of strain distribution in the plane of the VT1-00 sample under tension // Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Mechanics. 2018. 3. 53-60.
- Recent Progress in Digital Image Correlation: Background and Developments since the 2013 W MMurray Lecture / Sutton M.A., Fabio M., Rizos D.C., Ghorbani R., Rajan S., Mollenhauer D.H., Schreier H.W., Ortiz Lasprilla A.R. // Experimental Mechanics 2017. 57. 1-30.
- A novel to perform a thermoelastic analysis using digital image correlation and the boundary element method / Oberg M., Fernandes D, Goulart J., Anfl or C. // International Journal of Mechanical and Materials Engineering. 2020. 15.
- G’sell C., Hiver J.M., Dahoun A.M. Experimental characterization of deformation damage in solid polymers under tension, and its interrelation with necking // International Journal of Solids and Structures. 2002. 39. 3857-3872.
- Technological support for the uniformity of plastic deformation during thermal-force treatment / Rastorguev D.A., Semenov K.O., Dema R.R., Amirov R.N., Romanenko E.F., Latypov O.R., Matveev P.A. // Russian Metallurgy (Metally). 2022. 2022(13). 1795-1800.
