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基于机器视觉的多自由度激光熔覆系统集成与过程监测研究

李壮  
【摘要】:激光作为一种特殊光源,在能量密度、单色性、方向性以及相干性四个方面具有强大的优势,并且激光熔覆层耐腐蚀、抗磨性、抗疲劳、抗氧化能力优越,所以激光熔覆在矿山装备、大型船舶、冶金行业和国防工业等领域的再制造方面得到了广泛的应用。但是激光熔覆过程中所传递的能量在机理方面非常复杂多变,熔覆质量受加工工艺参数、基体和粉末的材料特性、外部环境、零件尺寸等多种因素影响。一般来说工艺参数的改变对熔覆质量会产生较大的影响,在熔覆的过程中合理的控制激光熔覆的工艺参数是十分重要的。为了保证熔覆质量,在加工过程中实时监测熔覆质量与控制工艺参数是必不可少的。针对科研需要与现实工况需求,本项目使用西门子PLC集成了一套机器人激光熔覆控制系统,并构建了基于CCD相机的熔池实时监测系统,在H13基板上做了熔覆316L合金粉末的工艺实验,分析了熔覆缺陷与熔池图像的特征关系。并通过改变熔覆参数和计算熔池面积大小,建立了熔覆速度、熔覆功率、熔覆倾角与熔池面积的相关性。主要研究内容如下:(1)基于PLC的激光熔覆控制系统集成。由于现有的激光熔覆设备集成度不高、视觉系统独立、操作复杂等问题,提出基于S7-1200PLC的激光熔覆机器人系统集成方案。采用S7-1200PLC的通信模块与I/O端口将激光器、冷却机、机器人、送粉器等集成为整体的控制系统,并使用WINCC创建人机交互界面。采用PLC与PC端通信,实现激光熔覆控制系统与机器视觉监测系统的结合,从而达到基于机器视觉的多自由度激光熔覆控制与监测的目的。(2)基于机器视觉的熔池实时监测方法研究。针对复杂曲面修复过程中存在的问题,提出一种基于CCD的六自由度激光熔覆同轴监测方法。由于在激光熔覆过程中,在图像的获取、传输、转换的过程中,多方面的原因会导致熔池图像受到干扰,因此本文对比了多种滤波算法并选择了中值滤波消除噪音干扰。并通过阈值处理与图像分割获取理想区域。为了满足熔覆过程中需要将激光器倾斜一定的角度,根据倾斜角度的空间坐标转换将熔池形貌参数转换为垂直熔覆形貌参数。由于在熔覆过程中监测到的熔池形状为不规则图形,本文通过边缘检测算法提取到熔池的边缘轮廓,并得出熔池图像的面积特征。算法验证完成后利用C#语言与Halcon视觉算法包在Winform架构下构建了软件平台。(3)激光熔覆质量与熔池图像特征关系的研究。为了探究熔覆质量与熔池图像之间的特征关系,采用图像处理技术,分析了熔覆过程中出现的不同缺陷与熔池面积之间的关系,以及在变功率、变倾斜角度、变速度不同的工艺参数下,通过实时采集熔池图像,计算出熔池面积来分析不同工艺参数对于熔池面积的影响。本论文根据实际项目需要,完成了激光熔覆系统集成与视觉监测系统的搭建,并在此基础上对熔覆质量进行了实验分析,为激光熔覆表面修复技术的研究完善了设备基础并验证了视觉监测方法的可行性。该论文有图63幅,表16个,参考文献85篇。


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