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基于结构光视觉传感的GMAW快速成形焊道形貌检测及控制

李永哲  
【摘要】:在快速成形的金属熔敷过程中,由于热积累的原因焊道有变矮和变宽的趋势,采用恒规范焊接无法获得均匀一致的熔敷焊道。为使每条熔敷焊道的尺寸都与预先设计的尺寸一致或在允许的误差范围内,本文设计了一套闭环自动控制系统,对快速成形单墙壁熔敷焊道信息进行在线检测,相应的调整熔敷速度,达到熔敷焊道宽度均匀控制的目的。 首先,设计并实现了快速成形闭环自动控制实验系统的计算机控制。整个实验系统由三部分组成:焊接电源系统、三维行走平台、线结构光传感器。针对GMAW快速成形过程闭环控制的要求,搭建的快速成形实验平台可对快速成形过程进行检测与控制。设计了一套基于线结构光的视觉传感器,并进行标定,能够可靠地采集快速成形焊道的激光条纹图像。 其次,对快速成形熔敷焊道结构光图像的处理算法进行了研究。分析了典形条纹图像的特征,在VC++平台上编写大模板高斯滤波和改进的重心法相结合的图像处理算法,该算法可有效地提取出结构光条纹中心线;然后采用图像融合的算法准确、直观地提取出当前熔敷焊道的形貌,并针对每一层中多道熔敷焊道和单墙壁熔敷焊道两种情况,分别提取熔敷焊道特征点,求取熔敷焊道的高度和宽度。 再次,研究了快速成形单墙体熔敷焊道宽度的单变量控制方法,对快速成形熔敷焊道宽度的控制规律进行研究。使用面积法辨识堆敷速度与熔敷焊道宽度的一阶传递函数,设计了PID控制器对熔敷焊道宽度进行控制,使用遗传算法对PID参数进行整定,并以此为基础通过Matlab对控制器的控制效果进行了仿真。 最后,进行了快速成形熔敷焊道熔宽控制实验。针对单道墙体零件的第三、四、五、六层,进行了恒规范的开环实验和基于结构光视觉传感的闭环控制实验。实验结果表明:本文设计的PID控制器控制效果良好。焊道宽度与设定值的最大偏差为0.7mm。控制器的适应性强,可得到满意的快速成形墙体零件。


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