基于CCD激光熔覆成形过程在线监测与控制

论文摘要

激光熔覆快速成形制造技术是在激光熔覆技术和快速原型技术的基础上发展起来的一种新技术。激光熔覆快速成形过程中,熔覆层高度是由激光参数,加工工艺,粉末材料等多种因素共同决定。本文基于CCD实现了对制造过程的实时监测,并利用提取的熔覆件高度信息实现了反馈控制,确保了熔覆过程的顺利进行,提高了成形件的加工质量。熔覆成形试验利用本课题组专利技术——光内同轴送粉系统开展。该系统在单道熔覆时,显示出光粉耦合稳定、各向质量同性、粉末利用率高、熔层表面质量好等诸多优势。但实验中发现在高层堆积过程中,激光熔池中心到出粉口的距离随着熔覆层数的增加而增大,这将使得光粉耦合的效果越来越差,严重时将直接导致成形失败。本文利用熔池形成的光斑和熔池在激光头表面的反射光斑而构成的双光斑特征,通过提取两光斑形心距离作为高度控制量来反馈控制激光头Z向移动增量。本研究利用50万像素的彩色CCD对这两光斑进行实时监测,利用图像采集卡对图像进行采集,并利用数字图像处理技术来对采集图片进行分析处理计算出两光斑形心距离变化值。整套图像处理软件基于VC++平台开发而成。利用了数字图像处理中的图片灰度处理、高斯滤波平滑处理、二值阈分割、区域形心计算、形心坐标距离计算来对CCD采集的图片进行处理。经过高层复杂零件的堆积试验验证,表明该软件能实时反映激光头到熔池中心距离（即两光斑形心距离）,可据此相应调节激光头Z向移动增量,为激光熔覆快速成形制造技术的在线监测提供了新的手段。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.1.1 激光快速制造技术
• 1.1.2 激光熔覆技术
• 1.2 激光熔覆快速成形制造技术
• 1.2.1 激光熔覆快速成形制造技术原理
• 1.2.2 激光熔覆快速成形制造技术特点
• 1.3 激光熔覆快速成形过程中的实时检测与控制国内外的研究
• 1.4 熔覆层高度检测方法及研究现状
• 1.5 研究的内容及意义
• 第2章 CCD 技术及数字图像处理理论
• 2.1 CCD 技术
• 2.1.1 CCD 简介
• 2.1.2 CCD 传感器的检测原理
• 2.2 数字图像处理
• 2.2.1 图像的常用表示模型
• 2.2.2 图像处理技术简介
• 2.2.3 图像预处理
• 2.2.4 图像分割
• 2.2.5 特征提取
• 2.3 本章小结
• 第3章 激光熔覆成形CCD 监测系统设计
• 3.1 激光器系统
• 3.2 送粉系统
• 3.3 基于PMAC 开放式五轴联动数控系统
• 3.4 CCD 拍摄系统
• 3.4.1 CCD 型号
• 3.4.2 图像采集卡
• 3.5 计算机
• 3.6 本章小结
• 第4章 图像处理系统软件设计
• 4.1 图像处理系统软件简介
• 4.2 系统运行界面设计
• 4.3 基本功能模块设计
• 4.3.1 图像读取输入模块
• 4.3.2 转化为灰度图处理模块
• 4.3.3 图像区域截取模块
• 4.3.4 图像去噪处理模块
• 4.3.5 图像二值分割模块
• 4.3.6 形心与距离计算模块
• 4.3.7 其他模块
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验过程研究及数据分析
• 5.1 前言
• 5.2 实验材料
• 5.3 送粉头装置
• 5.4 保护气装备
• 5.5 环形激光模式的选择
• 5.6 实验工艺参数
• 5.7 实验模型及加工程序
• 5.8 实验过程
• 5.8.1 CCD 标定
• 5.8.2 功率调节
• 5.8.3 数据分析
• 5.9 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间取得的学术成果
• 致谢