基于CCD的激光熔覆在线检测系统的开发与应用研究

论文摘要

激光熔覆在汽车、冶金、国防工业等领域得到越来越广泛的应用。但由于激光熔覆过程中能量的传递机理和物理过程非常复杂,熔覆质量的影响因素众多,为了保证激光熔覆的质量,进行实时检测研究是十分必要的。此外,实时检测研究还有助于加深对激光熔覆过程本质的认识。本文利用电荷耦合器件（Charge Coupled Device）CCD摄像机、图像采集卡和计算机等设备建立了一套激光熔覆熔池视觉检测系统。通过VC++平台结合图像处理算法,对CCD采集到的熔池图像进行阈值分割处理和伪彩色等处理,自主开发了一套用于熔池图像处理的专用软件。利用本套检测系统提取了单道熔覆层连续的熔池形貌和温度场梯度分布的伪彩色图像。经试验验证,该系统能够较准确地描述激光熔覆熔池的形态和温度分布梯度特点,反映了激光熔覆过程的动态变化特征。通过与熔池图像对应的实际熔覆带宽度对比,该熔池计算机图像检测系统能够比较好的检测到熔覆带宽度信息,因此检测到的熔池参数可以作为熔覆带几何尺寸和粗糙度的判定依据,能够近似表征熔覆带表面宽度的起伏,且熔覆过程越稳定,两者之间的误差越小。并归纳出工艺参数（如激光功率、扫描速度、送粉大小）与熔池图像特征参数指标之间的对应关系。通过分析系统检测得到的熔覆带缺陷熔池图像,分析归纳了各种缺陷的熔池参数特征差异,包括熔池几何形状、熔池灰度分布、熔池图像的位置等方面。利用熔池特征逐级识别的原则,在分析熔池特征显著变化的基础上,建立了熔覆带表面缺陷与熔池图像特征之间的关系模型,为激光熔覆质量智能控制提供了良好的技术基础和有效工具。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 激光熔覆概述
• 1.1.1 激光熔覆基本原理和特点
• 1.1.2 激光熔覆应用现状及前景
• 1.2 激光熔覆过程的检测控制
• 1.2.1 激光熔覆检测控制的重要性
• 1.2.2 激光熔覆检测控制系统的组成要素
• 1.3 激光熔覆检测技术的现状与发展趋势
• 1.4 激光熔覆熔池检测中的传感器技术
• 1.4.1 温度传感器
• 1.4.2 光学传感器
• 1.5 激光熔覆熔池信息的计算机处理技术
• 1.6 激光熔覆过程中的闭环控制
• 1.7 本文的研究背景、意义及内容
• 1.7.1 课题背景和意义
• 1.7.2 主要研究内容
• 第2章 激光熔覆熔池在线检测系统设计
• 2.1 检测方案设计
• 2.1.1 熔池的形成和特征
• 2.1.2 检测原理
• 2.1.3 系统结构
• 2.2 熔池图像检测系统建立
• 2.2.1 CCD 相机
• 2.2.2 滤光系统选择
• 2.2.3 图像采集卡
• 2.2.4 图像处理软件
• 2.2.5 计算机
• 2.3 图像处理软件系统设计
• 2.3.1 图像处理软件设计思路
• 2.3.2 图像处理软件的实现
• 2.4 熔池几何特征尺寸参数的提取
• 2.5 本章小结
• 第3章 激光熔覆熔池在线检测系统试验验证
• 3.1 试验条件
• 3.2 试验设备
• 3.2.1 激光器
• 3.2.2 送粉系统
• 3.2.3 工作台
• 3.3 激光熔覆试验
• 3.3.1 单道熔覆试验
• 3.3.2 激光熔覆过程熔池的动态变化
• 3.3.3 动态试验情况下熔池的检测
• 3.4 工艺参数与熔池几何尺寸关系的研究
• 3.4.1 激光功率对熔池几何特征参数的影响
• 3.4.2 扫描速度对熔池几何特征参数的影响
• 3.4.3 送粉速度对熔池几何特征参数的影响
• 3.5 标定试验
• 3.6 误差分析
• 3.6.1 熔池参数误差
• 3.6.2 响应时间
• 3.6.3 误差来源分析与改进措施
• 3.7 本章小结
• 第4章 激光熔覆表面缺陷的检测与识别
• 4.1 熔覆带表面缺陷在线检测
• 4.1.1 熔覆带表面质量标准
• 4.1.2 熔覆带表面缺陷在线检测分析
• 4.2 熔覆带表面缺陷识别
• 4.3 熔覆表面缺陷解决方案
• 4.4 激光熔覆闭环控制原理
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录