激光淬火过程检测与控制系统设计

论文摘要

激光淬火技术是一种材料表面改性技术,由于该技术能够提高各种材料的产品质量,延长产品的使用寿命,因此它在很多行业都得到了重要的应用。本文论述了激光淬火的原理、特点和国内外发展趋势,重点针对提高激光淬火质量这一研究方向,总结和分析了国内外研究现状,提出传统的通过优化工艺参数来提高激光淬火质量的方法具有其局限性。为了实现激光淬火过程的自动化,进一步提高激光淬火质量,提出了一种激光淬火过程实时监测与控制方案,并对激光淬火检测及其控制系统的硬件和软件设计进行了深入研究。针对硬化层均匀控制对激光淬火质量的重要影响,本文通过比较各种检测与控制方案,提出了采用电荷耦合器件图像传感器（Charge Coupled Device, CCD）在线检测激光淬火硬化层宽度,提出通过实时改变激光扫描速度实现硬化层宽度的比例积分微分（Proportion Integral Derivative, PID）控制的策略。文章具体阐述了激光淬火控制系统的硬件设计,论述了控制系统硬件设备选型方法及其系统集成,其中包括CCD传感器、滤光片、位移台及其驱动控制单元、图像采集卡等设备的选型和集成。为了实现计算机在线控制,利用Visual C++平台丌发了一套软件系统,该软件系统主要实现激光淬火实时检测,利用数字图像处理提取激光淬火硬化带区域,获得淬火过程中硬化带宽度值,并实现硬化带宽度的闭环控制,软件系统主要包括图像采集、图像处理以及PID控制系统的设计。利用所设计的控制系统在45钢材料上进行大量的激光淬火检测和控制实验,通过实验分析激光工艺参数对硬化带宽度的影响,同时验证所设计系统的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 插表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 激光淬火技术概述
• 1.1.1 激光淬火基本原理
• 1.1.2 激光淬火工艺的特点
• 1.1.3 激光淬火的输入输出参数
• 1.2 国内外激光淬火技术应用与研究现状
• 1.2.1 激光淬火技术应用现状
• 1.2.2 激光淬火技术研究现状分析
• 1.3 国内外提高激光淬火质量的主要策略
• 1.3.1 提高激光淬火质量的方法
• 1.3.2 激光淬火存在的主要问题
• 1.4 国内外激光淬火过程的检测与控制的研究现状
• 1.5 课题的来源和意义
• 1.5.1 课题的来源
• 1.5.2 课题的意义
• 1.6 课题研究的主要内容
• 第2章 激光淬火控制系统方案设计
• 2.1 检测对象和控制参数的确定
• 2.1.1 检测对象的确定
• 2.1.2 控制参数的确定
• 2.2 检测与控制方案的确定与原理介绍
• 2.2.1 检测传感器的确定
• 2.2.2 CCD在线检测硬化带宽度的原理
• 2.2.3 PID控制原理
• 2.3 本章小结
• 第3章 激光淬火控制系统硬件设计
• 3.1 硬件系统总体结构
• 3.2 激光器
• 3.3 位移台系统
• 3.3.1 电控位移台选型
• 3.3.2 位移台控制器选型
• 3.3.3 位移台驱动器选型
• 3.4 CCD检测系统
• 3.4.1 CCD传感器的选型
• 3.4.2 镜头的选型
• 3.4.3 滤光片的选型
• 3.4.4 图像采集卡选型
• 3.5 控制中心
• 3.6 本章小结
• 第4章 激光淬火控制系统软件设计
• 4.1 激光淬火控制系统软件设计总体结构
• 4.1.1 软件设计开发平台工具选择
• 4.1.2 软件系统总体结构
• 4.2 CCD检测系统
• 4.2.1 CCD检测系统总体结构
• 4.2.2 图像采集模块设计
• 4.2.3 图像剪裁与缩放模块设计
• 4.2.4 灰度化处理
• 4.2.5 图像平滑去噪处理
• 4.2.6 伪彩色处理
• 4.2.7 阈值分割处理
• 4.3 位移台控制系统软件设计
• 4.3.1 位移台控制系统总体结构设计
• 4.3.2 PID控制模块软件设计
• 4.3.3 位移台运动与控制设置软件设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 试验及结果分析
• 5.1 激光淬火实验方案
• 5.1.1 试验目的
• 5.1.2 试验方法
• 5.1.3 试验材料
• 5.1.4 工艺参数选择
• 5.2 激光淬火检测试验及结果分析
• 5.2.1 像素精度标定试验
• 5.2.2 激光淬火实验
• 5.2.3 激光淬火检测实验
• 5.3 激光淬火工艺参数对硬化带宽度的影响试验
• 5.4 激光淬火实时控制试验
• 5.5 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文
• 附录B 攻读学位期间所参与的课题