基于齿形轮廓图像检测的激光增减材复合齿形修复

摘要

齿轮传动被广泛应用于机械传动结构中，同时也是机械系统中承载运动载荷的重要组成部分。齿轮在承载条件下连续运转且时常承受冲击的工作条件下容易发生齿面磨损、齿面点蚀和剥落、裂纹和断齿等失效，不仅影响机器的正常工作，严重时会发生事故。对于一些特殊的工作场合，齿轮制造成本高，对齿轮进行报废处理会造成资源的严重浪费，传统修复齿轮的方法针对所修复齿轮部位的不同主要有：调整换位法、变位加工法、堆焊法和热喷涂法等，新型修复齿轮方法采用激光增材制造技术，经修复后齿面的熔覆层性能优异、热影响区小，磨损齿轮经修复后便于后续加工。　　本文从齿形完整性角度出发，力求磨损齿轮经修复后拥有较高的齿形精度，采用激光增减材复合制造技术，熔覆粉末选用316L不锈钢粉末对磨损齿轮展开修复工作。　　重点搭建了基于齿形轮廓图像检测的激光增减材修复实验平台，该检测系统包括齿轮图像获取硬件设备和齿廓特征空间坐标确定算法两大部分，齿轮图像获取硬件设备获得齿轮图像作为输入，齿廓特征空间坐标确定算法通过相机标定校正失真图像，然后对所获得的图像进行灰度化处理、图像增强以及二值化处理得到齿廓特征像素信息，建立数学模型将像素信息转换为空间坐标信息，然后利用得到的空间坐标信息判断齿轮修复状态，确定修复过程中铣刀与齿轮之间的相对位置以及激光束与齿轮之间的相对位置关系。　　实验表明齿形轮廓图像检测系统能够满足磨损齿轮修复实验的精度要求，误差主要来源于齿廓特征空间坐标确定算法，比如图像中存在的噪声，阈值选择等,通过选用合适的滤波算法、多次实验确定最优阈值等途径来提高精度。　　基于该齿形轮廓图像检测系统，成功完成磨损齿轮激光增减材复合修复实验，最终在齿形完整性的层面上达到修复齿轮的目的，修复后尺寸误差为10%，证实了激光增减材复合技术用于修复复杂形状零件的可行性，很大程度上节约了资源，实现绿色制造。

目录

声明

第1章绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 激光增减材制造技术研究现状

1.2.1激光增减材制造技术概述

1.2.2激光增减材复合机床研究现状

1.3本课题背景知识及研究现状

1.3.1激光增材制造零件修复研究现状

1.3.2图像检测技术原理

1.3.3基于图像处理技术的工业应用现状

1.4研究内容及技术路线

1.5论文组织架构

第2章磨损齿轮修复实验方案及平台搭建

2.1实验研究对象

2.2磨损齿轮修复实验方案

2.2.1齿形轮廓图像检测系统搭建

2.2.2基于齿形轮廓图像检测的激光增减材齿形修复实验

2.3磨损齿轮修复实验平台搭建

2.3.1激光增减材修复模块

2.3.2.齿廓齿轮图像获取硬件设备模块

2.4本章小结

第3章齿廓特征空间坐标确定算法

3.1相机标定与图像校正

3.1.1相机标定

3.1.2图像校正

3.2齿廓图像预处理

3.2.1齿廓图像灰度化处理

3.2.2齿廓图像增强

3.2.3齿廓图像二值化处理

3.3齿廓空间坐标确定

3.3.1数学模型建立

3.3.2空间坐标转换

3.4检测系统可行性验证

3.4.1可行性验证实验

3.4.2误差分析

3.5本章小结

第4章磨损齿轮激光增减材修复实验

4.1实验前期准备

4.1.1齿轮拆卸

4.1.2齿轮夹具设计

4.2齿面预处理

4.2.1铣削工艺参数

4.2.2齿轮与铣刀相对位置确定

4.2.3预处理实验结果

4.3齿面激光增材修复

4.3.1熔覆粉末材料

4.3.2激光增材修复实验工艺参数

4.3.3齿轮熔覆时扫描顺序及分齿方法

4.3.4激光束与齿轮相对位置设计

4.3.5激光增材修复实验结果

4.4齿面铣削减材

4.5本章小结

总结与展望

一 总结

二 创新点

三 展望

参考文献

致 谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文及科研项目