基于激光器的金属零件直接成形熔积层轮廓识别研究

摘要

电弧熔积直接成形技术除了具有増材制造成形技术所固有的优点，还有成形件综合力学性能优良的特点，从而受到诸多研究者的重视。但是电弧熔积过程是一个及其复杂的成形过程，若不能实时地获取熔积过程信息，熔积层过程单道质量、多道搭接以及多层堆积质量将难以控制，最终会严重影响金属零件的成形精度和成形质量。为了获得高质量高精度的熔积零件，需要对熔积成形过程进行实时监控，根据获得的有效熔积过程信息来合理的调整机器人行走轨迹和熔积电流、电压、弧长等参数，以保证均匀而又高质量的金属零件内部组织性能。
　　首先，针对课题组在熔积成型过程中对熔积层形貌检测的需求，提出了一套采用激光主动光源的熔积层形貌检测系统，考虑到装配空间的紧凑，本文采取了一字型激光发生器倾斜扫描熔积层的安装方式，为保证熔积层累高后不丢失基准线，巧妙安装了跟随采集系统运动的基准薄片，通过激光线相对于基线的偏移量算取对应位置点的高度信息，推导出了熔积层上任意激光点处的相对高度以及两种测量方式对应的累计高度计算方法。
　　然后，根据连续图片的等距性推导计算了多道横向高度变化曲线，基于求算的高度信息开发了一种网格状单道纵向三维形貌重构算法；基于matlab工具箱采用张正友法对CCD内部参数进行了标定，另外，在采集系统常用工作区间（薄片±5mm内）对图片中单个像素点代表的实际物理尺寸dx、dy进行了标定，同时求取了激光面与CCD光轴夹角α；采集到原始图片后，通过中值滤波、两次形态学开运算、最大熵图像分割、canny边缘提取后获得激光线信息较为完整充满的二值图，开发了适应性较强的基线及熔积层激光线提取算法，保证了后续高度计算及形貌曲线恢复的可靠性。
　　最后，通过对后段加磁的单道堆高熔积件以及对某厚壁回转件径向进行扫描检测，采用开发的算法对熔积层求取了累计高度。实验结果显示，对于单道堆高熔积件，重建的三维形貌能较好反应出真实的熔积层，堆到10层后累计高度误差在0.55mm以内；对于厚壁回转件，高度变化曲线能准确反应被测处横向多道高度变化规律，高度误差保证在0.7mm内，两种均能为下一层的行走轨迹提供有力支持。可见，该检测系统具有良好的熔积层形貌检测效果，具有实用价值。

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1 绪论

1.1 选题背景

1.2 课题来源

1.3 金属零件弧焊直接成形技术概况

1.4 激光机器视觉技术在熔积层形貌检测的应用

1.5 激光条纹提取算法简介

1.6 论文的主要工作

2 激光器熔积层形貌检测系统及其原理

2.1 熔积层形貌检测系统搭建

2.2 激光发生器测高度原理描述

2.3 三维空间几何模型的建立

2.4 单道纵向三维形貌的重构推导

2.5 多道横向高度曲线的计算推导

3 图像采集与处理过程

3.1 CCD光路模型几何参数标定

3.2 图像预处理

3.3 激光覆盖区域提取

3.4 激光特征线条提取

4 实验过程与数据处理分析

4.1 多道横向高度曲线的实验与分析

4.2 单道纵向三维形貌重建的实验分析

4.3 实验小结

5 全文总结与工作展望

5.1 全文总结

5.2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录1作者在攻读硕士学位期间发表的论文