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激光熔覆熔池尺寸检测与控制的研究

2020-12-08阅读(772)

激光熔覆熔池尺寸检测与控制的研究

论文摘要

激光熔覆快速成形是近40年来快速发展的一种增材制造技术,是激光熔覆技术与快速成形技术的结合体。相比于传统加工方法的切削式加工制造模式,激光快速成型技术是一种由下而上的层层叠加式的加工制造模式,该技术现已被运用在各个领域,如汽车制造业、航天航空、机械加工制造等。在激光熔覆成形过程中,熔覆件的成形质量受到加工参数的影响。实验表明不同加工参数下熔池的温度分布、尺寸大小也会不同,可以通过控制熔池的状态来控制最终熔覆件的成形质量。由于熔池具有高温度、高亮度、小尺寸等特点,在熔池检测环节有很多困难。为了确定熔池的准确位置并获取熔池表面清晰完整的图像,本文设计了双色CCD同轴熔池检测及闭环控制系统,并通过模拟实验与红外测温实验验证了熔池检测系统的准确性。为了快速有效地获取熔池区域信息并加以控制,设计了熔池尺寸闭环控制软件,使用阈值分割、边缘检测、最小外接矩形等算法,快速准确地获得熔池的尺寸信息,并反馈给PID控制器以调节激光输出功率,通过控制熔池宽度来改善熔覆件的成形质量。实验结果表明基于同轴拍摄熔池双色图像数据的熔池宽度闭环控制系统有效解决了激光往复扫描下薄壁工件的边缘凸起、弯曲处凹陷、以及上下宽度不均匀等问题。

论文目录

  • 致谢
  • 摘要
  • abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 课题研究背景
  •   1.2 激光熔覆熔池检测与控制的研究概况
  •     1.2.1 熔池温度场的监控
  •     1.2.2 激光熔池形态的监控
  •   1.3 激光熔覆熔池检测与控制的成果和不足
  •   1.4 本研究工作意义及论文的主要内容
  • 第二章 熔池实时监控系统
  •   2.1 熔池图像特点
  •   2.2 熔池双色图像的原理
  •   2.3 熔池检测方案
  •   2.4 熔池检测光学系统的组成
  •     2.4.1 彩色CCD相机
  •     2.4.2 成像镜头
  •     2.4.3 滤波片
  •     2.4.4 分束镜
  •     2.4.5 熔池大小标定
  •   2.5 数据采集与通讯系统
  •     2.5.1 AD转换器
  •     2.5.2 Ethercat协议通讯模块
  •   2.6 熔池实时检测软件
  •   2.7 本章小结
  • 第三章 熔池尺寸控制系统
  •   3.1 图像处理概述
  •   3.2 熔池图像处理方案
  •     3.2.1 图像去噪
  •     3.2.2 熔池温度分布计算
  •     3.2.3 阈值分割与二值化处理
  •     3.2.4 边缘检测
  •     3.2.5 长宽捕捉
  •   3.3 PID控制器
  •     3.3.1 PID控制原理
  •     3.3.2 PID控制器参数的选定
  •   3.4 熔池宽度在线检测软件设计
  •   3.5 本章小结
  • 第四章 熔覆过程中参数变化对熔覆质量的研究
  •   4.1 引言
  •   4.2 激光熔覆平台硬件配置
  •     4.2.1 激光器
  •     4.2.2 库卡机器人
  •     4.2.3 冷水机
  •     4.2.4 空气压缩机
  •     4.2.5 熔覆头
  •     4.2.6 送粉系统
  •     4.2.7 红外测温仪
  •   4.3 激光熔覆实验材料
  •   4.4 激光熔覆实验结果与分析
  •     4.4.1 熔池温度分布的数值模拟
  •     4.4.2 不同激光功率对熔池长宽的影响
  •     4.4.3 红外测温仪测量熔池温度分布
  •     4.4.4 分层分功率熔覆对熔覆质量的影响
  •     4.4.5 离焦量变化对熔覆件尺寸的影响
  •     4.4.6 不同扫描速度对熔覆件尺寸的影响
  •   4.5 本章小结
  • 第五章 熔池宽度控制实验及结果分析
  •   5.1 引言
  •   5.2 研究方案
  •   5.3 直线形单道薄壁件实验结果与分析
  •     5.3.1 恒定功率下激光熔覆
  •     5.3.2 控制模式下激光熔覆
  •   5.4 U形单道薄壁件实验结果与分析
  •     5.4.1 恒定功率下激光熔覆
  •     5.4.2 宽度控制下激光熔覆
  •   5.5 S形单道薄壁件实验结果与分析
  •     5.5.1 恒定功率下激光熔覆
  •     5.5.2 宽度控制下激光熔覆
  •   5.6 本章小结
  • 第六章 结论与展望
  •   6.1 论文工作总结
  •   6.2 研究展望
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 杨启

    导师: 袁自钧

    关键词: 激光熔覆快速成形,双色,同轴熔池检测,图像处理,熔池宽度控制

    来源: 合肥工业大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 物理学,无线电电子学,计算机软件及计算机应用

    单位: 合肥工业大学

    分类号: TP391.41;TN249

    总页数: 91

    文件大小: 6254K

    下载量: 177

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