一种基于机器视觉的制孔及铆接质量控制方法及其装置
阅读说明：本技术 一种基于机器视觉的制孔及铆接质量控制方法及其装置 (Hole making and riveting quality control method and device based on machine vision ) 是由 郝博 王明阳 王鹏 郭嵩 闫俊伟 王杰 尹兴超 于 2021-08-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于机器视觉的制孔及铆接质量控制方法及其装置,该装置通过第一滑台、第二滑台、第一滑块、第二滑块、连杆联动可实现CCD相机对工件上平面孔或曲面孔的拍摄,并通过灰度处理、中值滤波、阈值分割、边缘提取、最小二乘法拟合等操作来检测孔的直径和圆度,结构稳固、自动化程度高、操作简单、检测精度高,在对曲面孔进行检测时可避免失真；该方法基于工程计算法,在考虑镦头端面摩擦力对正应力影响的情况下得出压铆力与镦头尺寸的关系模型,给工人配备过程监控铆枪来通过压铆力间接控制镦头尺寸,压铆质量控制精度高,可以实现及时发现、及时补救,避免误差累积,从而提高压铆质量和效率。(The invention discloses a hole making and riveting quality control method and a device thereof based on machine vision, the device can realize the shooting of a CCD camera to a plane hole or a curved hole on a workpiece through the linkage of a first sliding table, a second sliding table, a first sliding block, a second sliding block and a connecting rod, and detect the diameter and the roundness of the hole through the operations of gray processing, median filtering, threshold segmentation, edge extraction, least square fitting and the like, the device has the advantages of stable structure, high automation degree, simple operation and high detection precision, and can avoid distortion when the curved hole is detected; the method is based on an engineering calculation method, a relation model of the riveting force and the size of the upset is obtained under the condition that the influence of the friction force of the end face of the upset on the normal stress is considered, a process monitoring riveter is provided for workers to indirectly control the size of the upset through the riveting force, the control precision of the riveting quality is high, timely discovery and timely remediation can be realized, the error accumulation is avoided, and the riveting quality and efficiency are improved.)
技术领域
本发明涉及铆接技术领域，特别是涉及一种基于机器视觉的制孔及铆接质量控制方法及其装置。
背景技术
铆接工艺因其过程简单、连接强度稳定可靠等特点广泛应用于航空、航天领域装备制造。但是，随着装备制造业高质量、高效率的发展要求，对压铆质量提出了更高的要求，而制孔质量以及压铆后镦头的尺寸则直接影响压铆质量，因此，研制制孔质量检测装置以及研究镦头尺寸控制方法具有重要现实意义。
现阶段的专利公开以及文献资料显示：1)专利(CN201410683172.3)将视觉成像系统安装在数控运动机构的运动末端，由运动机构带动视觉成像系统移动至待测导孔的孔轴方向上适当拍摄距离处拍摄待测导孔图像，但该运动机构在拍摄曲面孔时将导致失真；2)专利(CN201910747724.5)将单目视觉相机安装在滑台上来检测孔的直径，但是，当被检测工件较大时，导轨将很长，而细长导轨的刚度较弱，其扰动甚至振动将影响相机的拍摄清晰度，从而直接影响最终的孔径检测精度；3)专利(CN201810350485.5)将线阵扫描式CCD相机安装在滑杠上来检测生产线上冲孔缺陷，设备稳定性差，且只能检测孔是否封闭、完整以及个数是否达标，检测精度较低，无法实现孔径、圆度等信息的检测；4) 专利(CN201611180634.5)采用数值逼近算法计算压铆力推荐值所对应的铆钉镦头高度推荐值，然后进一步计算得到铆钉成形后的镦头直径，采用了逼近算法，且未考虑镦头端面摩擦力对正应力的影响，在压铆力和镦头直径的关联计算上将产生较大的误差。
综上，现有的研究成果和方法虽然在一定程度上可以实现制孔质量检测以及压铆质量控制，但存在制孔质量检测精度低、无法检测曲面孔、铆接质量控制精度低等诸多问题，而在航空、航天领域装备制造中存在大量的曲面孔，实施效果未能满足高端装备制造复杂化、高质量、高效率的发展要求。
发明内容
本发明的目的就在于解决上述问题而提供一种基于机器视觉的制孔及铆接质量控制方法及其装置，装置结构稳固、自动化程度高、操作简单，可选择白光灯、绿光灯两种光源，无论是检测大工件还是小工件的制孔质量，都可以采集到清晰的原始图片；原始图片经过灰度处理、中值滤波处理、阈值分割、边缘提取等处理，并用bwareaopen和imdilate命令去除图中的干扰点，可显著提高制孔质量检测精度；通过第一滑块和第二滑块联动可带动圆锥头移动到待测孔的位置，并通过拉出推杆使圆锥头插入孔中，根据圆锥头的自动定心功能使圆锥头对准待测孔，然后通过回转架旋转180度来实现CCD相机对准待测孔，从而实现曲面孔质量的检测，避免了失真现象；基于工程计算法，在考虑镦头端面摩擦力对正应力影响的情况下得出压铆力与镦头尺寸的关系模型，精度高，可通过压铆力来间接控制镦头尺寸，进而提高压铆质量；给工人配备过程监控铆枪来通过压铆力控制镦头尺寸，可以实现及时发现、及时补救，避免误差累积，从而提高装配质量和效率。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
本发明提供一种基于机器视觉的制孔及铆接质量控制方法及其装置，其特征在于：实现制孔及铆接质量控制的技术架构包括孔心对准阶段、原始图像采集阶段、图像处理阶段、镦头质量监测阶段，具体包括以下步骤：(1)第一滑台、第二滑台、第一滑块、第二滑块以及连杆联动实现CCD相机对准工件上平面孔或曲面孔；(2)通过第一滑块、第二滑块以及连杆位置的微调实现回转架上的圆锥头对准平面孔或曲面孔的中心；(3)然后通过回转架回转180度并锁紧位置来实现CCD相机对准孔的中心，并进行拍摄；(4)基于拍摄到的原始图片，通过灰度处理、中值滤波、阈值分割、边缘提取、最小二乘法拟合处理以及MajorAxisLength命令来检测孔的直径和圆度；(5)依据检测到的孔径，利用压铆力与镦头尺寸的关系模型来通过监测压铆力间接的监测镦头尺寸是否合格，从而实现镦头尺寸的控制，进而提高镦头质量乃至压铆质量；(6)在实际铆接装配过程中，循环上述步骤(1)～(5)直至工件上所有孔检测完毕以及铆接工作保质保量完成。
进一步的，箱体下端设置有支脚，箱体一侧设置有箱门，箱体内侧设置有抽屉和控制器，抽屉上端设置有电脑，箱体靠近箱门一侧设置有凹槽块，箱体上端设置有底座，底座上端设置有第一直线导轨，第一直线导轨上端设置有第一滑台，第一滑台上端设置有第二直线导轨，第二直线导轨上端设置有第二滑台，第二滑台内侧设置有玻璃板，第二滑台为空心，玻璃板嵌入第二滑台，玻璃板下端设置有绿光灯，玻璃板上端设置有工件，底座前侧设置有立柱，立柱后端设置有测头，测头上设置有第一吊耳，第一吊耳内侧设置有丝杠安装座，丝杠安装座下端设置有丝杠，丝杠前端设置有导向板，丝杠外侧设置有第一滑块，第一滑块后端设置有回转架安装座，回转架安装座下端设置有回转架，回转架的凹槽里设置有挡板，回转架下端设置有推杆安装座，推杆安装座下端设置有推杆，推杆下端设置有圆锥头，回转架下端相对推杆安装座另一侧设置有相机安装座，相机安装座内侧设置有CCD相机，CCD相机四周设置有白光灯，导向板下端设置有第二吊耳，第二吊耳内侧设置有插销，导向板前侧设置有滑轨，滑轨内侧设置有第二滑块，第二滑块上设置有连杆。
进一步的，在进行检测时，箱门可打开，拉出抽屉可以使用电脑处理CCD 相机采集的图片，当仪器使用完毕后，可推入抽屉，箱门上对应凹槽块的位置嵌有吸铁石，可以与凹槽块吸紧，从而关紧箱门，当装置所处环境光线较暗时，通过白光灯提供光源，当光线较亮时，通过绿光灯提供光源，从而提高图片的清晰度。
进一步的，电脑获取到CCD相机采集的图片后，依次通过灰度处理、中值滤波处理、阈值分割、边缘提取来获得孔的轮廓，其中，在进行边缘提取时，用MATLAB中bwareaopen和imdilate命令去除图中的干扰点，用Canny算法提取内、外孔边缘，然后再用最小二乘法拟合孔的轮廓曲线，最后用 MajorAxisLength命令测量孔轮廓曲线的长轴和短轴的长度，从而测出该孔的直径和圆度。
进一步的，第一直线导轨可带动第一滑台前、后移动，第二直线导轨可带动第二滑台左、右移动，第一滑块可以通过丝杠带动回转架安装座上、下移动，且第一滑块与丝杠可以自锁，在仅受重力作用时，第一滑块不会下移，第一直线导轨、第二直线导轨、第一滑块均由控制器控制移动。
进一步的，回转架的凹槽与回转架安装座上的凹槽在共线时可以插入挡板，当拔出挡板时，回转架可以在回转架安装座内转动，当插入挡板时，回转架锁死，圆锥头和CCD相机的光心到回转架回转中心的距离相等。
进一步的，第二滑块具有磁力，并且可通过旋钮控制磁力大小，插销拔出后，第二滑块通过在滑轨内移动从而带动连杆移动，连杆将推动导向板摆动，当摆动到一定角度时，将第二滑块的磁力设置到最大，从而锁死当前位置。
本发明还提供一种基于机器视觉的制孔及铆接质量控制方法，其特征在于：压铆时，钉杆形成镦头的过程可视为圆柱体沿轴线镦粗，变形过程呈轴对称特点。在镦粗成型阶段，压铆力F逐渐增大直至到达最大值，作用在镦头上的正应力σz也随之增大，而镦头与冲头接触表面摩擦切应力τf的大小及分布情况也直接影响到正应力σz的分布规律。结合翁克索夫关于摩擦切应力的研究可知，压铆过程中，镦头与冲头接触表面上的摩擦力区域包括停滞区和制动区，圆柱体端面摩擦停滞区范围为0≤r≤h，摩擦制动区范围为h＜r≤rb，由于各个区域采用的摩擦条件不同，求得的接触表面正应力乃至压铆力也势必不同，因此，冲头对镦头的压铆力F应分为两个部分，记停滞区、制动区的压铆力分别为F1、 F2。平锥头铆钉压铆过程可视为轴对称镦粗，因此，有平衡方程式：由等价无穷小的性质可知并忽略二阶微量的影响，式(1)可简化为：σθhdr-2τfrdr-σrhdr-rhdσr＝0(2)，式中，σθ为周向正应力，σr为径向正应力，τr为冲头与钉杆接触面摩擦切应力，r为镦头半径，dr为镦头半径的微分， dσr为径向正应力的积分。由于已假设钉杆为均匀镦粗变形，所以σr＝σθ，从而式(2)简化为：仍按绝对值列简化屈服方程，因σr＝σθ，所以有：σz-σr＝Y(4)、dσz＝dσr(5)，式中，σz为钉杆受到的轴向正应力。联立式(3)、(5)可得：在摩擦制动区(h＜r≤rb)，τf＝0.5σs，代入式(6)可得：对式(7)两侧不定积分可得： 由圆柱体镦粗时接触面上摩擦切应力τf分布曲线可得，当r＝rb时，故代入式(8)可得： 在摩擦制动区的区域范围内对式(9)积分可得： 在摩擦停滞区(0≤r ≤h)，代入式(6)可得：对式(11)两侧不定积分可得：由圆柱体镦粗时接触面上摩擦切应力τf分布曲线及式(9)可得，当r＝h时，有故 代入式(12)可得：在摩擦停滞区内对式(13)积分得： 因此，冲头对镦头的压铆力为： 式中，σs为铆钉试件的屈服强度，h为镦头高度，μ为冲头与钉杆端面间的摩擦系数，rb为镦头端面的直径。
进一步的，钉杆压铆后形成镦头，镦头的轮廓曲线类似二次函数曲线，将镦头轮廓曲线上的坐标点(0,0.5d)，(0.5h,0.5db)，(-0.5h,0.5db)代入二次函数方程得镦头轮廓曲线方程为：压铆结束后，镦头的体积为：由于对于确定装配点位的压铆连接，式(17)中的参数d0、l、d1、s均为已知，所以等号右侧可记为常数C。联立式(16)、(17)可得：式(18)中db与d、h有关，满足关系式：式(18)、(19)联立可得db、h、d相互之间的关系，从而，当限定d的尺寸时，可得到相应db、h的大小，代入式(15) 可得镦头尺寸合格时所需的压铆力。
进一步的，由于镦头的尺寸无法直接控制，但是，根据上述理论模型可以得到镦头尺寸合格时所需要的压铆力，在压铆过程中，给工人配备过程监控铆枪，工人根据过程监控铆枪采集到的压铆力数据来判断该压铆点位的镦头是否合格，若采集到的压铆力数据不在规范的压铆力区间内，则认定该铆接点镦头疑似不合格并进行检测，反之，则继续进行压铆作业。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提供的一种基于机器视觉的制孔及铆接质量控制装置，结构稳固、自动化程度高、操作简单，并且根据仪器所处环境的光线情况，可选择白光灯、绿光灯两种光源，无论是检测大工件还是小工件的制孔质量，都可以采集到清晰的原始图片；
本发明提供的一种基于机器视觉的制孔及铆接质量控制装置，原始图片经过灰度处理、中值滤波处理、阈值分割、边缘提取等处理，并用bwareaopen和 imdilate命令去除图中的干扰点，可显著提高制孔质量检测精度；
本发明提供的一种基于机器视觉的制孔及铆接质量控制装置，通过第一滑块和第二滑块联动可带动圆锥头移动到待测孔的位置，并通过拉出推杆使圆锥头插入孔中，根据圆锥头的自动定心功能使圆锥头对准待测孔，然后通过回转架旋转180度来实现CCD相机对准待测孔，从而实现曲面孔质量的检测，避免了失真现象；
本发明提供的一种基于机器视觉的制孔及铆接质量控制方法，包括：基于工程计算法，在考虑镦头端面摩擦力对正应力影响的情况下得出压铆力与镦头尺寸的关系模型，精度高，可通过压铆力来间接控制镦头尺寸，进而提高压铆质量；
本发明提供的一种基于机器视觉的制孔及铆接质量控制方法，给工人配备过程监控铆枪来通过压铆力控制镦头尺寸，可以实现及时发现、及时补救，避免误差累积，从而提高装配质量和效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明提供的一种基于机器视觉的制孔及铆接质量控制装置的轴测图；
图2是本发明提供的一种基于机器视觉的制孔及铆接质量控制装置的主视全剖视图；
图3是本发明提供的回转架及其内部结构的示意图；
图4是本发明提供的第二滑块的示意图；
图5是本发明提供的制孔质量检测流程图；
图6是本发明提供的工件上曲面孔与平面孔的示意图；
图7是本发明提供的压铆示意图；
图8是本发明提供的铆钉镦粗变形及基元受力分析图；
图9是本发明提供的镦头轮廓曲线解析计算坐标系示意图；
图10是本发明提供的过程监控铆枪实时采集压铆力数据的界面图。
附图标记说明如下：
1、箱体；2、支脚；3、箱门；4、凹槽块；5、抽屉；6、电脑；7、控制器；8、底座；9、第一直线导轨；10、第一滑台；11、第二直线导轨；12、第二滑台；13、工件；14、立柱；15、测头；16、第一吊耳；17、丝杠安装座；18、丝杠；19、导向板；20、第一滑块；21、回转架安装座；22、挡板；23、回转架；24、推杆安装座；25、推杆；26、圆锥头；27、相机安装座；28、白光灯； 29、CCD相机；30、第二吊耳；31、插销；32、滑轨；33、第二滑块；34、连杆； 35、玻璃板；36、绿光灯。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。此处所说明的附图是本申请的一部分，用来对本发明作进一步解释，但并不构成对本发明的限定。
如图1-图6所示，一种基于机器视觉的制孔及铆接质量控制装置，其特征在于：如图1、2所示，箱体1下端设置有支脚2，箱体1与支脚2通过螺栓连接，箱体1一侧设置有箱门3，箱体1与箱门3通过合页连接，箱体1内侧设置有抽屉5和控制器7，抽屉5上端设置有电脑6，箱体1靠近箱门3一侧设置有凹槽块4，凹槽块4与箱体1通过螺钉连接，在进行检测时，箱门3可打开，拉出抽屉5可以使用电脑6处理CCD相机29采集的图片，当仪器使用完毕后，可推入抽屉5，箱门3上对应凹槽块4的位置嵌有吸铁石，可以与凹槽块4吸紧，从而关紧箱门3，箱体1上端设置有底座8，箱体1与底座8通过胶接，底座8 上端设置有第一直线导轨9，底座8与第一直线导轨9通过螺钉连接，第一直线导轨9上端设置有第一滑台10，第一滑台10上端设置有第二直线导轨11，第一滑台10与第二直线导轨11通过螺钉连接，第二直线导轨11上端设置有第二滑台12，第一直线导轨9可带动第一滑台10前、后移动，第二直线导轨11可带动第二滑台12左、右移动，第二滑台12内侧设置有玻璃板35，第二滑台12 为空心，玻璃板35嵌入第二滑台12，玻璃板35下端设置有绿光灯36，玻璃板 35上端设置有工件13，底座8前侧设置有立柱14，立柱14与箱体1通过螺栓连接，立柱14后端设置有测头15，测头15与立柱14通过焊接连接，测头15 上设置有第一吊耳16，第一吊耳16与测头15通过焊接连接，第一吊耳16内侧设置有丝杠安装座17，第一吊耳16与丝杠安装座17通过销轴连接，丝杠安装座17下端设置有丝杠18，丝杠安装座17与丝杠18通过螺纹连接，丝杠18前端设置有导向板19，丝杠18外侧设置有第一滑块20，丝杠18与第一滑块20 通过螺纹连接，第一滑块20后端设置有回转架安装座21，第一滑块20可以通过丝杠18带动回转架安装座21上、下移动，且第一滑块20与丝杠18可以自锁，在仅受重力作用时，第一滑块20不会下移，第一直线导轨9、第二直线导轨11、第一滑块20均由控制器7控制移动，回转架安装座21与第一滑块20通过螺钉连接，回转架安装座21下端设置有回转架23，回转架安装座21与回转架23通过螺纹连接，回转架23的凹槽里设置有挡板22，回转架23的凹槽与回转架安装座21上的凹槽在共线时可以插入挡板22，当拔出挡板22时，回转架 23可以在回转架安装座21内转动，当插入挡板22时，回转架23锁死，圆锥头 26和CCD相机29的光心到回转架23回转中心的距离相等，如图3所示，回转架23下端设置有推杆安装座24，推杆安装座24与回转架23通过焊接连接，推杆安装座24下端设置有推杆25，推杆25与推杆安装座24通过过盈配合连接，推杆25下端设置有圆锥头26，圆锥头26与推杆25通过螺纹连接，回转架23 下端相对推杆安装座24另一侧设置有相机安装座27，相机安装座27与回转架 23通过焊接连接，相机安装座27内侧设置有CCD相机29，相机安装座27与CCD 相机29通过螺钉连接，CCD相机29四周设置有白光灯28，当装置所处环境光线较暗时，通过白光灯28提供光源，当光线较亮时，通过绿光灯36提供光源，从而提高图片的清晰度，如图5所示，电脑6获取到CCD相机29采集的图片后，依次通过灰度处理、中值滤波处理、阈值分割、边缘提取来获得孔的轮廓，其中，在进行边缘提取时，用MATLAB中bwareaopen和imdilate命令去除图中的干扰点，用Canny算法提取内、外孔边缘，然后再用最小二乘法拟合孔的轮廓曲线，最后用MajorAxisLength命令测量孔轮廓曲线的长轴和短轴的长度，从而测出该孔的直径和圆度，导向板19下端设置有第二吊耳30，所示第二吊耳30与测头15通过焊接连接，第二吊耳30内侧设置有插销31，导向板19前侧设置有滑轨32，滑轨32与测头15通过螺钉连接，滑轨32内侧设置有第二滑块 33，第二滑块33与滑轨32通过卡槽连接，第二滑块33上设置有连杆34，连杆 34与第二滑块33通过铰链连接，连杆34与导向板19通过铰链连接，如图4所示，第二滑块33具有磁力，并且可通过旋钮控制磁力大小，插销31拔出后，第二滑块33通过在滑轨32内移动从而带动连杆34移动，连杆34将推动导向板19摆动，当摆动到一定角度时，将第二滑块33的磁力设置到最大，从而锁死当前位置。
如图6所示，当需要检测工件13上平面孔的直径和圆度时，首先，将工件 13放置于玻璃板35上，打开箱门3，抽出抽屉5，启动电脑6，通过控制器7 控制第一直线导轨9和第二直线导轨11带动第一滑台10和第二滑台12在水平方向移动，从而使工件13上平面孔处于CCD相机29正下方，然后，根据仪器所处环境光线的亮与暗，选择打开白光灯28光源或绿光灯36光源，最后，第一滑块20通过丝杠18带动回转架安装座21上、下移动，从而带动CCD相机29 移动，从而使CCD相机29聚焦于工件13平面对孔进行拍摄，获得平面孔的图像。
当需要检测工件13上曲面孔的直径和圆度时，由于CCD相机29的光心并不与曲面孔的轴线共线，从而拍摄出的曲面孔将失真，无法准确检测其直径和圆度，本发明针对该问题采取的方法为：首先，将工件13放置于玻璃板35上，打开箱门3，抽出抽屉5，启动电脑6，通过控制器7控制第一直线导轨9和第二直线导轨11带动第一滑台10和第二滑台12在水平方向移动，从而使工件13 上曲面孔处于CCD相机29后侧，然后，根据仪器所处环境光线的亮与暗，选择打开白光灯28光源或绿光灯36光源，最后，拔出插销31，第一滑块20通过丝杠18带动回转架安装座21上、下移动，第二滑块33磁力设置到最小，通过在滑轨32内侧上、下移动从而带动连杆34推动回转架安装座21摆动，进而使推杆25上的圆锥头26对准曲面孔，通过抽出推杆25带动圆锥头26插入曲面孔，根据圆锥的自动定心效应来确保圆锥头26对准了曲面孔，此时，拔出挡板22，将回转架23旋转180度，然后再插入挡板22，锁死当前位置，由于CCD相机 29的光心和圆锥头26的轴心到回转架23回转中心的距离相等，从而此时CCD 相机29的光心对准了该曲面孔，此时，将第二滑块33的磁力设置到最大，锁死该摆动角度，然后第一滑块20再次通过丝杠18带动回转架安装座21上、下移动从而使得CCD相机29聚焦于该曲面孔，对孔进行拍摄，获得曲面孔的图像。
获得平面孔或曲面孔的图像后，CCD相机29通过有线传输将图片传输至电脑6。电脑6获取到CCD相机29采集的图片后，依次通过灰度处理、中值滤波处理、阈值分割、边缘提取来获得孔的轮廓，其中，在进行边缘提取时，用MATLAB 中bwareaopen和imdilate命令去除图中的干扰点，用Canny算法提取内、外孔边缘，然后再用最小二乘法拟合孔的轮廓曲线，最后用MajorAxisLength命令测量孔轮廓曲线的长轴和短轴的长度，从而测出该孔的直径和圆度，检测完毕后，关闭控制器7、电脑6，推入抽屉5，关闭箱门3。
本发明提供的一种基于机器视觉的制孔及铆接质量控制装置实施例主要部件采用的型号规格为：控制器7的型号为TK-180，第一直线导轨9的型号为 GCH10-L5-400-BC-M10B-C4，第二直线导轨11的型号为GCH10-L5-600-BC-M10B -C2，丝杠安装座17、丝杠18、导向板19、第一滑块20组成的丝杠滑块组件的型号为YH120-S350-FO-1610，推杆25的型号为XC6000，CCD相机29的型号为 SZ7D-200HD。
如图7-图10所示，一种基于机器视觉的制孔及铆接质量控制方法，其特征在于：如图7所示，压铆时，钉杆形成镦头的过程可视为圆柱体沿轴线镦粗，变形过程呈轴对称特点。在镦粗成型阶段，如图8所示，压铆力F逐渐增大直至到达最大值，作用在镦头上的正应力σz也随之增大，而镦头与冲头接触表面摩擦切应力τf的大小及分布情况也直接影响到正应力σz的分布规律。结合翁克索夫关于摩擦切应力的研究可知，压铆过程中，镦头与冲头接触表面上的摩擦力区域包括停滞区和制动区，圆柱体端面摩擦停滞区范围为0≤r≤h，摩擦制动区范围为h＜r≤rb，由于各个区域采用的摩擦条件不同，求得的接触表面正应力乃至压铆力也势必不同，因此，冲头对镦头的压铆力F应分为两个部分，记停滞区、制动区的压铆力分别为F1、F2。平锥头铆钉压铆过程可视为轴对称镦粗，因此，有平衡方程式： 由等价无穷小的性质可知并忽略二阶微量的影响，式(1)可简化为：σθhdr-2τfrdr-σrhdr-rhdσr＝0(2)，式中，σθ为周向正应力，σr为径向正应力，τr为冲头与钉杆接触面摩擦切应力，r为镦头半径，dr为镦头半径的微分，dσr为径向正应力的积分。由于已假设钉杆为均匀镦粗变形，所以σr＝σθ，从而式(2)简化为：仍按绝对值列简化屈服方程，因σr＝σθ，所以有：σz-σr＝Y(4)、dσz＝dσr(5)，式中，σz为钉杆受到的轴向正应力。联立式(3)、(5)可得：在摩擦制动区(h＜r≤rb)，τf＝0.5σs，代入式(6)可得：对式(7)两侧不定积分可得：由圆柱体镦粗时接触面上摩擦切应力τf分布曲线可得，当r＝rb时，故代入式(8) 可得：在摩擦制动区的区域范围内对式(9)积分可得： 在摩擦停滞区(0≤r≤h)，代入式(6)可得： 对式(11)两侧不定积分可得：由圆柱体镦粗时接触面上摩擦切应力τf分布曲线及式(9)可得，当r＝h时，有故代入式(12)可得：在摩擦停滞区内对式(13)积分得：因此，冲头对镦头的压铆力 式中，σs为铆钉试件的屈服强度，h为镦头高度，μ为冲头与钉杆端面间的摩擦系数，rb为镦头端面的直径。钉杆压铆后形成镦头，如图9所示，镦头的轮廓曲线类似二次函数曲线，将镦头轮廓曲线上的坐标点(0,0.5d)， (0.5h,0.5db)，(-0.5h,0.5db)代入二次函数方程得镦头轮廓曲线方程为：压铆结束后，镦头的体积为： 由于对于确定装配点位的压铆连接，式(17)中的参数d0、l、d1、s均为已知，所以等号右侧可记为常数C。联立式(16)、(17) 可得：式(18)中db与d、h有关，满足关系式：式(18)、(19)联立可得db、h、d相互之间的关系，从而，当限定d的尺寸时，可得到相应db、h的大小，代入式(15)可得镦头尺寸合格时所需的压铆力。由于镦头的尺寸无法直接控制，但是，根据上述理论模型可以得到镦头尺寸合格时所需要的压铆力，在压铆过程中，给工人配备过程监控铆枪，如图10所示，工人根据过程监控铆枪采集到的压铆力数据来判断该压铆点位的镦头是否合格，若采集到的压铆力数据不在规范的压铆力区间内，则认定该铆接点镦头疑似不合格并进行检测，反之，则继续进行压铆作业，至此，通过监测压铆力的大小来间接的监测压铆后镦头的尺寸，做到及时发现，及时补救，避免误差累积，从而提高压铆质量乃至装配质量。其中，该理论模型的有效性已经过试验验证，在确定压铆力作用下，镦头直径和高度尺寸平均误差小于5％。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方案进行修改或者等同替换，而这些并未脱离本发明精神和范围，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
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