增材制造的閉環(huán)智能監(jiān)控是增材領(lǐng)域的重要研究方向。熔池視覺反映了成形前的形狀、流動性等信息,可以監(jiān)測焊接過程是否異常;焊縫的三維測量反映了成形后的彎曲度、塌陷量等形狀信息,可以監(jiān)測增材的每一層焊縫和設(shè)計(jì)模型的偏差。清晰的熔池圖像和高精度的焊縫三維信息是增材制造閉環(huán)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵,本文就如何獲取這兩部分信息進(jìn)行了深入研究,主要研究內(nèi)容如下:（1）基于光譜分析的熔池最佳成像波段選擇方法。針對目前熔池成像波段選擇不統(tǒng)一,缺乏理論指導(dǎo),提出了基于光譜分析的熔池最佳成像波段選擇方法。該方法基于熔池自身輻射光譜和相機(jī)量子效率曲線,推導(dǎo)了相機(jī)對熔池自身輻射的響應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律,進(jìn)一步結(jié)合電弧光譜特性,計(jì)算出熔池最佳成像波段。同時基于焊接電流和光強(qiáng)的變化關(guān)系,設(shè)計(jì)了熔池圖像采集的FPGA觸發(fā)方案。通過不銹鋼GMAW平板焊的試驗(yàn)結(jié)果表明,依據(jù)本理論選擇出的850nm高通和660nm帶通拍攝到的熔池圖像清晰、信噪比高、細(xì)節(jié)豐富。（2）基于條紋編碼的雙目立體視覺。針對目前條紋投影輪廓術(shù)中投影儀標(biāo)定困難和雙目立體相機(jī)中圖像匹配困難的問題,構(gòu)建了基于條紋編碼的雙目立體視覺三維重建系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用相位信息和雙目極線約... 

【文章來源】：南京理工大學(xué)江蘇省211工程院校

【文章頁數(shù)】：72 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

頻閃視覺熔池圖像傳感：（a）原理圖；（b）GTAW焊接過程的熔池圖像

1緒論碩士學(xué)位論文2根據(jù)焊接成像過程中光源是外加輔助光源還是焊接輻射光源，熔池視覺采集系統(tǒng)分為主動視覺成像法和被動視覺成像法。1.2.1主動視覺成像法主動視覺成像法一般采用激光作為輔助光源，由于激光能量密度高、光譜帶寬窄，可抑制電弧光的干擾，已廣泛應(yīng)用于在焊接質(zhì)量控制和焊縫跟蹤系統(tǒng)中。1991年Agapakis等人提出了一種在高亮條件下檢測目標(biāo)的視覺方法，叫做“頻閃視覺”[10]。該方法的原理圖如圖1.1（a）所示，由電子快門攝像機(jī)和高能量密度的激光組成，激光能量通過單根光纖電纜送到焊接現(xiàn)場，從熔池表面反射回來的激光比電弧的直射和反射光更亮。高速攝像頭和頻閃激光器同步運(yùn)行，并通過和激光波段相同的窄帶濾波片進(jìn)一步抑制電弧光。該方法可以在等離子、脈沖非熔化極氣體保護(hù)焊（GasTungstenArcWelding,GTAW）等焊機(jī)過程中獲得了清晰的熔池圖像。圖1（b）為GTAW焊接過程采集到的熔池圖像，可以看出熔池圖像清晰，可以從中提取熔池寬度、熔池邊緣和熔池后拖角等信息。（a）（b）圖1.1頻閃視覺熔池圖像傳感：（a）原理圖；（b）GTAW焊接過程的熔池圖像。1996年美國肯塔基大學(xué)Kovacevic等搭建了如圖1.2所示的主動熔池視覺成像系統(tǒng)，研究用極坐標(biāo)模型表征熔池幾何信息[11,12]。試驗(yàn)中采用337nm脈沖激光，激光的平均功率為7mW，單個脈沖持續(xù)時間為3ns，脈沖激光的功率可達(dá)50kW�？刂葡鄼C(jī)與脈沖激光同步，在脈沖持續(xù)期間，激光功率遠(yuǎn)大于電弧光強(qiáng)。在GTAW焊接不銹鋼時，熔池表面發(fā)生鏡面反射，未融化的母材部分發(fā)生漫反射，利用圖像處理算法對采集到的不同形狀的熔池圖像提取熔池的輪廓，并用極坐標(biāo)方程來擬合熔池邊界，如圖1.3所示：圖1.2主動激光熔池成像系統(tǒng)示意圖

碩士學(xué)位論文熔池視覺與焊縫三維信息獲取技術(shù)3圖1.3熔池圖像和對應(yīng)的邊界圖2007年山東大學(xué)高進(jìn)強(qiáng)等人搭建了與Kovacevic類似的系統(tǒng)，使用脈沖激光作為主動照明光源，拍攝低碳鋼熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊（MetalActiveGas,MAG）焊接過程中的熔池圖像，并提取熔池圖像的輪廓信息，如圖1.4所示：圖1.4熔池圖像2008年南昌大學(xué)汪巖鋒等搭建了如圖1.5所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[14]。該系統(tǒng)用小功率激光器作為輔助光源，激光經(jīng)光柵調(diào)制在熔池表面形成變形激光條紋，選擇合適的激光入射角角度和CCD拍攝角度，成功地采集到熔池區(qū)域的變形條紋，熔池表面的變形條紋反映了熔池的下榻或上凸，并可以以此為基礎(chǔ)計(jì)算熔池的幾何參數(shù)。不同電流和不同焊速采集到的熔池圖像如圖1.6所示：圖1.5熔池主動成像系統(tǒng)（a）（b）（c）（d）圖1.6拍攝到的熔池圖像：（a）電流40A、焊速120mm/min；（b）電流40A、焊速110mm/min；（c）電流50A、焊速120mm/min；（d）電流50A、焊速110mm/min。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
[1]基于雙目視覺的弧焊機(jī)器人焊縫三維信息獲取研究[D]. 陳希章.上海交通大學(xué) 2007

碩士論文
[1]基于雙目結(jié)構(gòu)光的三維測量技術(shù)研究[D]. 陽鵬程.浙江大學(xué) 2014
[2]基于激光視覺的GTAW熔池三維自由表面動態(tài)行為的可視化[D]. 張剛.蘭州理工大學(xué) 2013
[3]鋁合金雙絲脈沖熔池視覺三維重建研究[D]. 孫科.南京理工大學(xué) 2010
[4]激光全熔透焊接304不銹鋼的熔池及溫度場特征研究[D]. 陳俊杰.武漢理工大學(xué) 2010
[5]基于結(jié)構(gòu)光反射的GTAW熔池表面三維形貌檢測[D]. 劉鳴宇.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2007



本文編號：3617861