高能束快速制造中计算机视觉技术应用的研究

论文摘要

金属零件快速制造技术采用高能束流作为成形热源熔化同步供给的金属材料,按计算机设定的扫描轨迹逐层自由熔积成复杂形状的高性能金属制件。金属零件高能束快速制造过程是传热、传质与几何边界呈瞬态时空剧烈交变的超常态成形过程,影响其制件成形质量的工艺因素繁多,如高能束流功率、扫描速度、材料供给速度、工作气体流量、喷枪位置、基体的形状与表面状况等。因此,成形过程射流形态与熔积层形貌的在线可视化监测,对于保证快速成形件质量的稳定可靠性成为必不可少的重要手段。为此,本文首先使用计算机视觉技术对固/液相等离子熔射快速成形过程进行在线监测,提出采用相同标准二阶中心矩椭圆长短轴比作为等离子熔射射流形貌特征值,以反映熔射能量相关工艺参数的变化。实验中使用工业CCD摄像机采集不同功率和工作气体流量下的固/液相等离子射流图像,利用MATLAB开发的图像处理软件进行射流边缘检测和特征值提取计算。实验结果表明,采用该特征值能够很好地适应射流的旋转和变形。随着熔射功率增大,特征值呈现单调递增趋势;随着Ar流量的增大,特征值总体呈现减小的趋势。在相同工艺参数下,液相等离子熔射特征值小于固相等离子熔射特征值。本系统的开发为固/液混相等离子熔射超常态成形新技术应用于低成本快速制备新型功能元件的工艺优化提供了重要的科学手段。其次,在基于工业机器人的金属零件三维熔积快速制造中,目前多采用离线示教编程实现,成形效率与成形精度受到很大的限制。为了保证三维熔积快速制造的零件形状尺寸精度和成形性能质量、提高成形效率,基于熔积高度实时跟踪的自适应切片轨迹规划和熔积弧长动态调控成为金属零件的工业机器人三维熔积快速制造核心技术,而熔积高度和焊道形貌的可视化监测是其关键技术基础。该技术不仅能用于复杂金属零件快速制造,而且能用于大型高性能关键零件与模具的机器人快速修复,因而具有非常重要而广阔的工程应用价值。本文采用可变焦工业摄像机单目视觉技术进行了熔积层定位和形貌特征识别技术的相关研究,提出利用几何光学聚焦及摄像机线性模型标定的技术来获取主光轴深度信息的方法。文中首先获取标定目标像素尺度随着物距变化的曲线,然后根据该曲线和熔积层像素宽度计算熔积成形件当前实际高度。此外,本文建立了通过目标点数字图像像素坐标求解空间坐标的光学几何模型,在此基础上开发了熔积层形貌特征提取和缺陷坐标定位的软件。在不同的摄像机俯仰角下采集熔积层数字图像,并用本研究开发的模型和软件进行图像分析处理,然后将熔积层形貌特征和缺陷坐标的计算值与理论值进行了比较。测试结果表明,该方法的定位精度达到了实际应用要求。以上研究成果为实现成形过程射流特征与熔积层形貌的在线可视化监测,保证快速成形件质量的稳定可靠性奠定了应用技术基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题背景与研究的目的和意义
• 1.3 计算机视觉技术在等离子熔射射流形态检测中的应用
• 1.4 计算机视觉技术在高能束快速制造中的应用
• 1.5 计算机视觉技术在视觉定位测量技术中的应用
• 1.6 论文的主要内容
• 2 数字图像处理技术基础
• 2.1 基于CCD 传感器的图像获取和数字化表述
• 2.2 数字图像像素相关基本概念
• 2.3 数字图像处理技术
• 3 等离子熔射成形射流视觉检测技术
• 3.1 固/液相等离子熔射成形设备及其主要工艺参数
• 3.2 熔射射流形貌在线视觉监测系统
• 3.3 基于同二阶中心矩椭圆的射流特征值识别
• 4 快速制造与修复的视觉定位及形貌识别技术
• 4.1 视觉引导机器人快速制造与修复金属零件技术
• 4.2 目标点定位数学模型的建立
• 4.3 熔积层形貌识别及定位软件开发
• 4.4 熔积层定位实验结果及分析
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 作者在攻读硕士学位期间发表的论文