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基于激光器的金属零件直接成形熔积层轮廓识别研究

基于激光器的金属零件直接成形熔积层轮廓识别研究

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作者：丁尧禹华中科技大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：金属零件直接成形一字形激光器数字图像处理多道横向高度单道纵向三维形貌

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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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