宽束激光熔覆熔池几何形态检测与控制研究
发布时间：2021-12-24 21:46
汽车覆盖件模具等零件结构复杂,型面质量要求高,由于长期工作在复杂重载工况下,易发生表面磨损失效。利用再制造技术能够有效恢复零件磨损失效面的尺寸及性能,使零件重新投入使用。大功率半导体宽束激光器具有输出功率高、激光波长短、光斑尺寸大等特点,通过对宽束激光熔覆过程中熔池几何形态的准确检测与合理控制,可以有效提高熔覆层成形精度与质量,实现结构复杂零件的高质量、高效率再制造修复。本文针对宽束激光熔覆熔池温度高、亮度大导致的检测、控制难等问题,设计了一种宽束激光熔覆熔池视觉检测方案,分析熔池几何形态特征及其动态特性,并制定了相应的熔池控制策略。主要内容如下:首先,开展了宽束激光熔覆熔池检测装置的选型与设计;建立像素坐标系与世界坐标系之间的逆透视变换模型,并编写基于局部分割框架与主动轮廓模型的轮廓提取算法,实现了宽束激光熔覆熔池轮廓提取与熔池几何特征测量;开发熔池检测软件系统,集成了相机标定、图像预处理与熔池轮廓提取等功能。其次,设计宽束激光单道单层熔覆全因素试验,研究了激光功率、扫描速度、粉末厚度对熔池宽度、熔池长度及熔池面积的影响规律;对工艺参数与熔池几何形态特征进行回归分析,并建立熔池几何模...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
大功率半
武汉理工大学硕士学位论文8对象，设计扫描速度输入信号进行系统辨识试验；针对试验采集到的熔池宽度数据进行拓展，采用遗传算法优化的神经网络模型，建立当前时刻熔池宽度的预测模型，为后续熔池几何形态闭环控制策略制定奠定基矗（4）熔池几何形态闭环控制策略研究制定熔池宽度模糊PID控制策略，采用模糊推理系统对PID控制算法的比例环节系数、积分环节系数和微分环节系数进行实时调节，实现PID控制器参数自适应整定。基于熔池宽度神经网络动态预测模型，对模糊PID控制策略、PID控制策略、模糊控制策略进行仿真对比，验证模糊PID控制策略的控制效果，实现熔池宽度闭环控制。本研究的技术路线如图1-4所示：图1-4技术路线图
武汉理工大学硕士学位论文11图2-1镜头组件结构图2.1.4相机支架设计相机支架用于连接激光头与镜头组件。镜头组件随着激光头运动，与激光光斑保持相对位置固定，熔覆过程中实时采集熔池图像。由于熔池同轴检测需要对激光头内部结构进行改造，在原有激光光路中增设专用的检测光路，实现较为复杂，因此本实验采用侧轴检测方式，即镜头组件与激光光路中心呈一定角度安装。考虑到实际熔池检测需求，对相机支架设计提出以下要求：（1）具有角度、距离调节功能。当宽束激光熔覆离焦量等工艺参数发生变化时，相机支架能够在适当范围内调节角度及距离，使镜头组件始终对准熔池。（2）具有一定刚度。镜头组件与激光光斑保持相对位置固定，不会随着机器人关节的运动而发生错位、抖动。（3）设有保护气通道。在镜头组件前端形成保护气帘，防止熔覆过程中飞溅的高温颗粒损坏镜头，影响熔池成像质量。（4）工作距离及角度合适。由于熔池温度较高，为了确保镜头组件始终工作在理想温度，镜头组件前端与激光光斑需保持合适距离；同时镜头组件光路中心轴与基体表面法线夹角设置为30°~45°，以减少侧轴检测带来的误差。因此，设计了如图2-2所示的相机支架，支架连接件板材厚度为5mm。该结构与激光头固定连接，随激光头一起运动。吹气防渣装置出口设计为26mm×2mm矩形，使保护气进入该装置后在镜头组件前端形成保护气帘。相机支架实物图如图2-3所示。保护镜片中性衰减片窄带滤光片光学镜头CCD相机
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光沉积成形熔池尺寸分析与预测[J]. 钦兰云,徐丽丽,杨光,刘奇,王维. 红外与激光工程. 2018(11)
[2]钛合金激光沉积制造热累积与熔池形貌演化[J]. 钦兰云,徐丽丽,杨光,刘奇,王维. 稀有金属材料与工程. 2017(09)
[3]激光熔覆熔池图像检测研究[J]. 陈殿炳,曹朋,邓琦林. 电加工与模具. 2014(06)
[4]激光熔覆熔池检测控制技术的研究进展[J]. 陈殿炳,邓琦林. 电加工与模具. 2014(05)
[5]激光熔覆熔池温度监测与控制系统的研究现状[J]. 胡晓冬,于成松,姚建华. 激光与光电子学进展. 2013(12)
[6]基于改进Snake算法的坡口中光致等离子体图像分割[J]. 谢文静,蔡艳,孙大为,吴岳. 热加工工艺. 2013(11)
[7]大功率半导体激光表面改性的研究进展[J]. 郭士锐,陈智君,张群莉,姚建华. 激光与光电子学进展. 2013(05)
[8]基于区域粗定位与Chan-Vese主动轮廓模型的MAG焊视觉图像熔池边缘提取[J]. 李静,秦小麟,李芳,朱伟,钱鲁泓. 机械工程学报. 2011(12)
[9]基于CCD的激光熔覆熔池宽度的在线检测研究[J]. 杨柳杉,刘金水,刘继常,伍耀庭,王迎丽. 激光技术. 2011(03)
[10]表面工程领域科学技术发展[J]. 徐滨士,谭俊,陈建敏. 中国表面工程. 2011(02)
博士论文
[1]变间隙铝合金脉冲GTAW熔池视觉特征获取及其智能控制研究[D]. 樊重建.上海交通大学 2008
硕士论文
[1]激光熔覆熔池图像检测试验研究[D]. 陈殿炳.上海交通大学 2015
[2]热作模具激光仿生熔凝及合金化修复研究[D]. 刘星雨.吉林大学 2014
[3]基于CCD的激光熔覆在线检测系统的开发与应用研究[D]. 杨柳杉.湖南大学 2011
本文编号：3551251
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
大功率半
武汉理工大学硕士学位论文8对象，设计扫描速度输入信号进行系统辨识试验；针对试验采集到的熔池宽度数据进行拓展，采用遗传算法优化的神经网络模型，建立当前时刻熔池宽度的预测模型，为后续熔池几何形态闭环控制策略制定奠定基矗（4）熔池几何形态闭环控制策略研究制定熔池宽度模糊PID控制策略，采用模糊推理系统对PID控制算法的比例环节系数、积分环节系数和微分环节系数进行实时调节，实现PID控制器参数自适应整定。基于熔池宽度神经网络动态预测模型，对模糊PID控制策略、PID控制策略、模糊控制策略进行仿真对比，验证模糊PID控制策略的控制效果，实现熔池宽度闭环控制。本研究的技术路线如图1-4所示：图1-4技术路线图
武汉理工大学硕士学位论文11图2-1镜头组件结构图2.1.4相机支架设计相机支架用于连接激光头与镜头组件。镜头组件随着激光头运动，与激光光斑保持相对位置固定，熔覆过程中实时采集熔池图像。由于熔池同轴检测需要对激光头内部结构进行改造，在原有激光光路中增设专用的检测光路，实现较为复杂，因此本实验采用侧轴检测方式，即镜头组件与激光光路中心呈一定角度安装。考虑到实际熔池检测需求，对相机支架设计提出以下要求：（1）具有角度、距离调节功能。当宽束激光熔覆离焦量等工艺参数发生变化时，相机支架能够在适当范围内调节角度及距离，使镜头组件始终对准熔池。（2）具有一定刚度。镜头组件与激光光斑保持相对位置固定，不会随着机器人关节的运动而发生错位、抖动。（3）设有保护气通道。在镜头组件前端形成保护气帘，防止熔覆过程中飞溅的高温颗粒损坏镜头，影响熔池成像质量。（4）工作距离及角度合适。由于熔池温度较高，为了确保镜头组件始终工作在理想温度，镜头组件前端与激光光斑需保持合适距离；同时镜头组件光路中心轴与基体表面法线夹角设置为30°~45°，以减少侧轴检测带来的误差。因此，设计了如图2-2所示的相机支架，支架连接件板材厚度为5mm。该结构与激光头固定连接，随激光头一起运动。吹气防渣装置出口设计为26mm×2mm矩形，使保护气进入该装置后在镜头组件前端形成保护气帘。相机支架实物图如图2-3所示。保护镜片中性衰减片窄带滤光片光学镜头CCD相机
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光沉积成形熔池尺寸分析与预测[J]. 钦兰云,徐丽丽,杨光,刘奇,王维. 红外与激光工程. 2018(11)
[2]钛合金激光沉积制造热累积与熔池形貌演化[J]. 钦兰云,徐丽丽,杨光,刘奇,王维. 稀有金属材料与工程. 2017(09)
[3]激光熔覆熔池图像检测研究[J]. 陈殿炳,曹朋,邓琦林. 电加工与模具. 2014(06)
[4]激光熔覆熔池检测控制技术的研究进展[J]. 陈殿炳,邓琦林. 电加工与模具. 2014(05)
[5]激光熔覆熔池温度监测与控制系统的研究现状[J]. 胡晓冬,于成松,姚建华. 激光与光电子学进展. 2013(12)
[6]基于改进Snake算法的坡口中光致等离子体图像分割[J]. 谢文静,蔡艳,孙大为,吴岳. 热加工工艺. 2013(11)
[7]大功率半导体激光表面改性的研究进展[J]. 郭士锐,陈智君,张群莉,姚建华. 激光与光电子学进展. 2013(05)
[8]基于区域粗定位与Chan-Vese主动轮廓模型的MAG焊视觉图像熔池边缘提取[J]. 李静,秦小麟,李芳,朱伟,钱鲁泓. 机械工程学报. 2011(12)
[9]基于CCD的激光熔覆熔池宽度的在线检测研究[J]. 杨柳杉,刘金水,刘继常,伍耀庭,王迎丽. 激光技术. 2011(03)
[10]表面工程领域科学技术发展[J]. 徐滨士,谭俊,陈建敏. 中国表面工程. 2011(02)
博士论文
[1]变间隙铝合金脉冲GTAW熔池视觉特征获取及其智能控制研究[D]. 樊重建.上海交通大学 2008
硕士论文
[1]激光熔覆熔池图像检测试验研究[D]. 陈殿炳.上海交通大学 2015
[2]热作模具激光仿生熔凝及合金化修复研究[D]. 刘星雨.吉林大学 2014
[3]基于CCD的激光熔覆在线检测系统的开发与应用研究[D]. 杨柳杉.湖南大学 2011
本文编号：3551251
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