基于激光视觉的GTAW熔池三维自由表面动态行为的可视化

摘要

有着丰富经验的焊工可通过观察焊接熔池表面形貌的动态变化，调整焊枪姿态，控制焊接速度和电弧长度等参数来稳定焊接过程，保证焊接质量。由此说明，熔池表面形貌承载着丰富的表征焊接质量优劣信息，如熔透状态等。而且，测量熔池表面实验数据对于建立复杂焊接过程数学模型，研究熔池物理变化行为，实现、发展自动化焊接及提高焊接质量具有十分重要的理论意义和实用价值。因此，针对已有熔池自由表面传感测量法存在强弧光和熔池表面反射等干扰敏感问题，本文利用熔池表面的类镜面反射特点和熔池表面与工件表面不同的光束反射特性，提出了一种新型的熔池自由表面三维激光视觉传感测量法，并基于下述几方面研究了熔池表面动态行为变化:
　　(1)根据激光视觉测量原理，建立了激光视觉传感试验系统。该试验系统采用复合滤光技术进一步消除弧光干扰，实现了对熔池表面动态变化信息的测量。
　　(2)通过GTAW熔池自由表面三维测量工艺试验，研究了激光光路参数和焊接参数对熔池自由表面三维信息测量的影响。试验结果表明，在焊接规范参数一定时，变化激光光路参数对传感质量影响较大。为缩短焊接试验周期，定性分析了各激光光路参数对熔池表面三维信息传感的影响，获得了各参数的调节范围。同时，在激光光路参数选定时，试验研究了焊接电流、电弧长度和焊接速度对熔池表面三维信息测量的作用。结果表明，焊接电流与焊接速度的相互匹配对传感熔池表面信息影响很大，通过试验获得了焊接电流与焊接速度的匹配范围。
　　(3)为提取点阵信息，重建熔池自由表面三维形貌提出基于反射点更新的三维恢复算法，建立熔池二维边界模型实现了熔池表面的三维恢复。进一步验证恢复算法的有效性和结果的准确性，从试验系统、预设参数和恢复算法三个角度计算分析了不同焊况下的熔池自由表面三维恢复误差。结果表明，试验系统和预设参数对熔池表面三维恢复结果影响较小。通过计算实际熔池表面反射激光点与计算熔池表面反射激光点在成像屏上位置间的误差表明，采用该恢复算法获得的熔池表面能够很好的反映焊接过程中实时变化的熔池表面，具有较小的误差。
　　(4)采用动态可视化技术研究了GTAW熔池三维自由表面的动态行为演化规律，并基于VC++和Matlab软件初步实现了先前焊接过程中熔池三维自由表面形貌的可视化动态恢复，获取了GTAW熔池自由表面动态变化过程中熔池表面在宽度和深度方向上的变化信息，为进一步建立焊接过程热物理模型和焊接过程控制提供了一种新型方法。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 弧焊熔池信息的测量研究现状

1．3 GTAW熔池表面形貌视觉测量研究现状

1．3．1 二维视觉测量熔池表面形貌

1．3．2 三维视觉测量熔池表面形貌

1．4 在焊接领域可视化技术应用研究现状

1．5 本文研究方法及研究内容

1．5．1 本文研究内容

1．5．2 研究技术路线

1．5．3 本文主要创新点

第2章 基于激光视觉的GTAW熔池三维自由表面测量

2．1 激光视觉法测量熔池三维自由表面原理

2．2 GTAW焊熔池自由表面三维测量试验系统设计

2．3 激光光路参数和焊接规范对熔池表面传感质量的影响

2．3．1 激光光路参数对熔池表面传感质量的影响

2．3．2 焊接参数对熔池表面传感质量的影响

2．4 GTAW熔池自由表面三维测量试验结果

2．5 本章小结

第3章 GTAW熔池自由表面的三维恢复算法研究

3．1 熔池表面三维恢复算法的提出

3．2 三维恢复熔池表面形貌原理

3．3 三维恢复算法设计及实现

3．3．1 熔池宽度、长度计算及基准点的标记

3．3．2 基于反射点更新的熔池表面重建算法

3．4 熔池表面的三维恢复

3．5 GTAW熔池表面三维测量误差分析

3．5．1 三维传感熔池表面信息试验系统误差

3．5．2 预设系统参数误差

3．5．3 三维熔池表面形貌恢复算法误差

3．6 本章小结

第4章 GTAW熔池表面三维形貌动态可视化研究

4．1 三维动态可视化方法的提出

4．2 GTAW熔池三维表面动态可视化原理

4．3 GTAW熔池三维自由表面动态可视化实现

4．4 动态可视化结果讨论

4．5 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文