CO2激光增材制造熔覆高度实时检测与闭环控制

摘要

以激光作为热源的增材制造（Laser addictive manufacturing,LAM）方法以其柔性化程度高，环境要求低，成形精度高等特点受到学者关注，广泛应用于国防、汽车制造以及医学等领域。目前，激光熔覆成形主要侧重于熔覆工艺探索以及成形构件组织性能的研究，对熔覆过程的稳定性以及熔覆表面质量的关注鲜有涉及。针对目前状况，本文将主要研究以CO2激光为热源的熔覆过程的稳定性，并对熔覆高度进行检测与控制。
　　本文重点进行了基于CCD被动视觉传感的检测与控制，开发了检测与控制软件系统，实现了以CO2激光为热源的熔覆过程高度信息的检测、实时显示、存储以及回放等功能。借助开发软件以及数据采集卡等设备，完成了外接设备与原有设备的通信，实现了熔覆过程的远程控制。
　　图像处理算法的开发是实现熔覆过程检测的关键，考虑到熔覆过程中光致等离子体的干扰，选取合适的检测位置，将平滑、滤波、阈值分割、Sobel边缘提取等图像处理技术应用在激光熔覆过程检测中，实现了熔覆层高度特征的提取，最终获得的高度检测重复误差小于0.1mm。在此基础上，本文进行了熔覆实验，验证了影响每层熔覆高度增长量的主要影响因素是熔覆速度与送粉速率，为后续闭环控制奠定了基础。
　　鉴于熔覆过程单层熔覆高度随熔覆层数的增加而降低，本文建立了单层熔覆平均高度与熔覆速度之间的关系模型；开发了相应的算法，将每层熔覆平均高度作为被控量，熔覆速度作为控制量。通过比较熔覆高度设定值与实际值的偏差以及偏差变化率进行熔覆速度调节，并在此基础上利用MATLAB工具箱进行了仿真。仿真结果表明，模糊控制对熔覆高度变化响应及时，为后续实验过程提供了依据。
　　在上述基础上，利用CO2激光喷粉设备进行了熔覆高度实验，分别进行了开环与闭环熔覆实验，并对开环实验过程中出现的现象进行了分析。通过对比恒定参数下与闭环控制下的单层熔覆平均尺寸，以验证熔覆过程中模糊控制策略的实际效果。结果证明，以单层熔覆平均高度作为输入参数的情况下，熔覆过程稳定，能够按照预设高度进行熔覆。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 实验系统设计

2.1 系统总体设计

2.2 视觉传感系统搭建

2.3 CO2激光增材制造软件系统搭建

2.4 本章小结

第3章 CO2激光熔覆图像处理及成形实验

3.1 熔覆图像处理

3.2 CO2熔覆过程成形尺寸控制

3.3 本章小结

第4章 CO2激光熔覆过程模糊控制

4.1 阶跃实验

4.2 模糊控制原理与数学基础

4.3 模糊控制器的设计与实现

4.4 模糊控制器仿真

4.5 本章小结

第5章 多层单道CO2激光增材制造成形实验

5.1 实验条件

5.2 恒定参数熔覆实验

5.3 单墙体高度模糊控制实验

5.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢