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材料热处理学报 2024年第3期45卷 195-204页

作者：周祥曼王印权王礴允柏兴旺付君健田启华三峡大学机械与动力学院湖北宜昌443002 南华大学机械工程学院湖南衡阳421001

搭接中心距对电弧增材搭接熔积的熔池流动及熔积层形貌有重要影响,为探究其影响机理,建立了钨极气体保护焊(Tungsten inert gas welding, TIG)电弧增材成形过程的三维数值模型,研究了不同搭接中心距对熔池流动及熔积层形貌的影响。结果... 详细信息

搭接中心距对电弧增材搭接熔积的熔池流动及熔积层形貌有重要影响,为探究其影响机理,建立了钨极气体保护焊(Tungsten inert gas welding, TIG)电弧增材成形过程的三维数值模型,研究了不同搭接中心距对熔池流动及熔积层形貌的影响。结果表明:不同搭接中心距下熔池表面温度峰值相近,约为1900 K,表面流速呈非对称的双峰式分布。当搭接中心距小时,由于第一道焊道的支撑作用,使得第二道焊道横截面熔池流动和形貌不对称,熔池深而窄,熔池流动为单向的顺时针环流,左侧流速普遍大于右侧;随着搭接中心距的增大,第一道焊道的支撑作用逐步减弱,使得搭接焊道横截面熔池流动逐渐变为以第二道焊枪中心线为对称轴,左侧顺时针、右侧逆时针的两个环流,两侧流动逐渐对称,搭接熔池宽度逐渐增大、深度逐渐减小,两焊道逐渐分离并出现波谷,当搭接中心距为6 mm时熔积层形貌最平整。模拟与试验结果基本吻合,本研究结果可为电弧增材工艺参数调控提供理论支撑。

关键词：电弧增材搭接中心距数值模拟熔积层形貌

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基于线结构光的电弧增材制造熔积层形貌三维测量

基于线结构光的电弧增材制造熔积层形貌三维测量

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作者：李友浩华中科技大学

学位级别：硕士

在增材制造技术中,电弧增材制造技术由于其生产效率高、成本低、成形金属零部件力学性能优良的特点,越来越受到许多学者的重视。但是,电弧增材制造过程复杂,高温液态金属堆积所得的焊道形貌难以预测,如若不能实时地得到熔积层形貌的信息... 详细信息

在增材制造技术中,电弧增材制造技术由于其生产效率高、成本低、成形金属零部件力学性能优良的特点,越来越受到许多学者的重视。但是,电弧增材制造过程复杂,高温液态金属堆积所得的焊道形貌难以预测,如若不能实时地得到熔积层形貌的信息,以合理地调整堆积成形的路径、电压、电流以及焊接速度等参数,熔积层的单道堆积、多道搭接乃至多层堆积的质量会变得难以控制,最终影响到成形金属零部件的堆积尺寸精度和冶金结合强度。本文针对课题组在电弧增材制造过程中的熔积层形貌实时检测的需求,开发了基于线结构光的熔积层形貌三维测量系统。首先,设计一套固件装夹装置,该装置一方面可固定线激光与工业相机的相对位置;另一方面因熔积过程环境恶劣,其壳状的装夹装置可对激光与工业相机起保护作用。接下来,利用Matlab自带的工具箱对工业相机进行标定,得到摄像机的焦距、主相点、畸变系数等内参数;采用锯齿靶标法,标定摄像机坐标系与线激光平面所在世界坐标系的相对位置关系,得到测量系统的外参数,即旋转矩阵与平移矩阵。然后,将自适应阈值法与灰度重心法相结合,优化现有的激光线条纹中心提取算法,以提取高精度的条纹中心像素位置,并结合标定所得摄像机内参数与系统外参数,得到当前线激光测量截面的熔积层形貌数据。最终,随着数控机床或焊接机器人的运动,实现对熔积层形貌的三维测量。本文开发的熔积层形貌三维测量系统,其高度方向测量误差小于量程的千分之四,能较好地满足电弧增材制造的形貌检测精度的需求。自主开发的三维测量软件能实时地将熔积层当前的形貌信息反馈给路径规划软件,为下一步的堆铣复合成形提供有效的数据支持。实验结果显示,本文开发的基于线结构光的熔积层形貌三维测量系统具有较强的实用价值。

关键词：电弧增材制造三维测量熔积层形貌线结构光图像处理

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基于三维反求的熔积层形貌检测技术研究

基于三维反求的熔积层形貌检测技术研究

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作者：邱立朋华中科技大学

学位级别：硕士

金属零件熔积直接成形技术变革了金属零件传统的体积成形和减材加工方式，在高形状复杂度、高性能零件制造方面具有巨大优势，代表着先进材料短流程制造技术的发展方向。由于机器人具有工作范围大、自由度多、响应迅速等优点，因此基于... 详细信息

金属零件熔积直接成形技术变革了金属零件传统的体积成形和减材加工方式，在高形状复杂度、高性能零件制造方面具有巨大优势，代表着先进材料短流程制造技术的发展方向。由于机器人具有工作范围大、自由度多、响应迅速等优点，因此基于机器人的金属零件熔积成形技术受到关注。金属零件机器人熔积成形是超常态成形过程，蕴含着多参数的复杂非线性影响作用。若不对该过程进行实时的监测和控制，则难以获得满足成形质量和成形精度的金属零件。因此，有必要开发金属熔积成形过程熔积层三维形貌监测系统，以保证制件质量的稳定性和可靠性。本文首先研究了熔积层三维形貌监测方法对机器视觉系统的要求，并根据其工作原理与要求选择了合适的三维形貌监测系统硬件配置。采用针孔模型和多幅标定图像对所使用的工业摄像机进行了标定，得到了形状反求所需的摄像机参数。其次，通过直方图变换和图像平滑等图像预处理方式对熔积层图像进行处理消除熔积层图像的噪声，使熔积层图像能够通过三维形貌反求得到接近真实的熔积形状。利用局部球面分析的方法，详细论述了求解实际光源的偏角和倾角的方法，并进一步进行了熔积层表面法矢和高度的求解，得到了熔积层表面形貌。利用制作的半圆柱形标定块对高度方向Z进行了标定，据此可由熔积层CCD图像反求出熔积层三维形貌。最后，本文利用前述的基于灰度值的三维反求方法对金属熔积层进行三维形貌反求，进行了前述反求模型与方法的实验验证。以反求的熔积层三维形貌为基础对其宽度、高度、截面形状、中心线位置形状、熔积层缺陷特征与位置进行检测与判别。对熔积层三维形貌反求的误差来源进行了分析，并提出了改进措施。实验表明，本基于灰度值的三维反求系统的反求高度方向误差小于0.2mm，宽度方向误差小于1mm，宽度方向误差小于，图像处理周期小于156ms，所以，在精度和响应频率上能够满足金属零件熔积直接成形过程成形质量可视化实时监测的要求。同时由于本方法只需要单幅熔积层数字图像即可重构熔积层的三维表面形貌，具有数据处理速度快、结构简单、成本低等优点，具有工程应用价值。因此，本研究为金属零件机器人熔积直接成形技术走向实用化提供了一定的技术基础。

关键词：金属零件直接成形三维反求熔积层形貌熔积缺陷机器人

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电弧增材成形中熔积层表面形貌对电弧形态影响的仿真

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物理学报 2016年第3期65卷 323-334页

作者：周祥曼张海鸥王桂兰柏兴旺华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室武汉430074 华中科技大学材料学院模具技术国家重点实验室武汉430074 南华大学机械学院衡阳421001

电弧增材成形常采用单道多层或多道搭接的熔积方式,不同的熔积方式下对应的熔积层表面形貌不同,从而影响电弧的形态及其传热传质过程.本文建立了纯氩保护电弧增材成形的电弧磁流体动力学三维数值模型,以及不同表面形貌的熔积层模型,并... 详细信息

电弧增材成形常采用单道多层或多道搭接的熔积方式,不同的熔积方式下对应的熔积层表面形貌不同,从而影响电弧的形态及其传热传质过程.本文建立了纯氩保护电弧增材成形的电弧磁流体动力学三维数值模型,以及不同表面形貌的熔积层模型,并在保持阳极与阴极之间距离和熔积电流不变的条件下,通过模拟计算获得增材成形特有的单道和多道搭接熔积条件下的不同表面形貌对应的电弧形态以及相应的温度场、流场、电流密度、电磁力、电弧压力分布.数值模拟结果表明:平面基板上起弧情况下电弧中心具有较高的温度、速度、电流密度以及压强;单道多层熔积情况下熔积层数对电弧的各个参量影响较小;多道搭接熔积情况下电弧呈非对称分布,电弧中心温度较前两者低,电流密度、电磁力和电弧压强的分布偏向熔积层一侧.

关键词：电弧增材成形熔积层形貌电弧数值模拟

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基于线结构光的电弧增材制造熔积层三维测量

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工具技术 2018年第4期52卷 123-127页

作者：李友浩张海鸥张弓韩彰秀王卫军侯至丞徐征蔡君义广州中国科学院先进技术研究所机器人与智能装备中心华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室

针对电弧增材制造过程中熔积层形貌信息的实时检测问题,开发了基于线结构光的熔积层形貌三维测量系统。建立了测量系统的数学模型,利用MATLAB标定工具箱并采用锯齿靶标法,得到测量系统的内外参数;将自适应阈值法与灰度重心法相结合,优... 详细信息

针对电弧增材制造过程中熔积层形貌信息的实时检测问题,开发了基于线结构光的熔积层形貌三维测量系统。建立了测量系统的数学模型,利用MATLAB标定工具箱并采用锯齿靶标法,得到测量系统的内外参数;将自适应阈值法与灰度重心法相结合,优化激光线条纹中心提取算法;通过数控机床的运动实现对熔积层形貌的三维测量。试验结果表明,熔积层形貌三维测量系统高度方向测量误差小于量程的0.4%,配套的三维测量软件能实时将熔积层形貌信息反馈给路径规划软件,为堆铣复合成形提供有效的数据支持。

关键词：电弧增材制造三维测量线结构光熔积层形貌

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