基于红外图像温度分区的激光沉积成形扫描路径规划

硕 士 学 位 论 文论文题目 基于红外图像温度分区的激光沉积成形扫描路径规划研究生 范钦春专业 机械电子工程研究方向 激光增材制造技术指导教师 卞宏友（副研究员）二零一五年三月基于红外图像温度分区的扫描路径规划 沈阳航空航天大学分类号 密级 公开 U D C 学 位 论 文题目：基于红外图像温度分区的激 光沉积成形扫描路径规划研究生姓名 ：范钦春学科专业名称 ：机械电子工程研究方向 ：激光增材制造技术论文类型 ：应用研究申请学位 ：工学硕士指导教师姓名 ：卞宏友指导教师职称 ：副研究员指导教师单位 ：沈阳航空航天大学论文提交日期 ：2015 年 月 日论文答辩日期 ：2015 年 月 日沈 阳 航 空 航 天 大 学2015 年 03 月SHENYANG AEROSPACE UNIVERSITYTHESIS FOR MASTERS DEGREEA SACNNING PATH PLANNING METHOD BASED ON TEMPERATURE PARTITION IN INFRARED PICTURE OF LDSCandidate：Qinchun Fansupervisor：Hongyou BianSpecialty： Mechatronic engineeringDate: March, 2015原 创 性 声 明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立完成的。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果，也不包含本人为获得其他学位而使用过的成果。对本文研究做出重要贡献的个人或集体均已在论文中进行了说明并表示谢意。本声明的法律后果由本人承担。论文作者签名：年 月 沈阳航空航天大学硕士学位论文I摘 要近年来，人们在快速原型技术的基础上提出了金属激光沉积成形技术用于制造具有复杂形状的高性能金属结构件。该技术集机械、激光、计算机控制、数控技术等先进技术于一体，可在短时间内生产出具有传统机械加工产品性能及传统机械加工手段无法达到的复杂形状零件。现阶段采用金属激光沉积成形技术制造的几种典型合金的中小型零件的综合力学性能已与锻件相当，而典型大型结构件的生产制造也取得了突破性的进展。因此，金属激光沉积成形技术近年来得到了快速猛进的发展，同时也存在一些问题亟需解决。金属激光沉积成形技术中采用提前设置扫描间距、分层厚度等工艺参数的方式生成扫描路径沉积成形金属零件，加工过程中不可避免的出现温度累积的现象，造成零件几何精度不高、表面粗糙、翘曲变形严重等一系列问题。为此，国内外专家针对上述问题展开大量的研究工作，主要有采用实时监测熔池温度的方式反馈控制激光功率与扫描速度等工艺参数、通过有限元分析软件模拟金属激光沉积成形过程等方法。仅管如此，但上述问题并没有得到有效解决。本文作者注意到金属激光沉积成形过程中温度累积导致熔覆宽度、熔覆高度变化的现象，在此研究了基体温度对熔覆宽度、熔覆高度的影响规律，分析了成形零件翘曲变形与温度梯度的联系。在此基础上提出基于层面温度分区的激光沉积成形扫描路径生成方法，主要包括沉积层面温度的采集、温度分区轮廓提取与规则化、温度分区轮廓与分层轮廓的“交”运算、分区变扫描间距的路径生成等。实验表明：该扫描路径可有效提高成形层面质量、降低沉积成形过程中零件的温度梯度、减小成形零件的翘曲变形。关键词：温度梯度；残余应力；翘曲变形；温度分区；路径规划沈阳航空航天大学硕士学位论文IIAbstractIn recent years, it is proposed that laser deposition shaping (LDS) based on rapid prototyping technology can be used to manufacture Metal structural parts with high performance and complex shape. LDS combines machine, laser, computer controlling technology, Computer Numerical Control(CNC) and other advanced technologies, which can manufacture high performance and complex structure components in short time. The properties of several typical small and medium size parts made by LDS are comparable to the forgings in present, and the Manufacturing capacity of large-scale parts has also made a breakthrough. So LDS has achieved rapid development, but there are some problems need to be solved.However, process parameters of LDS such as scanning pitch, layer thickness and others are set in advance usually, as a result that temperature accumulation will be following in the course of process. Above of all will lead to low-precision geometrical dimensions, rough surface in parts, warping deformation and other serious problems. For above reasons, many professors coming from all over the world have done a lot of research, some of them use the way of real-time monitoring to control the process parameters like laser power ,scanning speed or others, but there are somebody simulating the process of LDS by Finite Element Analysis. Despite all of these, there are many issues need to be solved.It is lucky that we found temperature accumulation changing the cladding width and cladding height, and the influence of substrate temperature on cladding width or cladding height was studied, the relation of temperature gradient and warping deformation was analyzed at the same time. So “A scanning path planning Method based on temperature partition in infrared picture of LDS” is proposed, which includes real-time detection of shaped layer temperature, contour extraction and regularly-shaped of temperature partition, boolean operations of intersection between temperature partition contours and slice contours of CAD 沈阳航空航天大学硕士学位论文IIImodel, generating scanning path by changing scanning space for different partitions. Practical application shows that the scanning path can reduce the temperature gradient、decrease the warping deformation of parts、enhance the shaped layer quality effectively.Keyword: temperature gradient; residual stress; warping deformation; temperature Partition; scanning path沈阳航空航天大学硕士学位论文IV目 录第 1 章 绪论 .11.1 金属激光沉积成形技术简介 .11.2 金属激光沉积成形技术研究现状 .31.3 金属激光沉积成形技术存在的问题 .41.4 研究目的及主要研究内容 .6第 2 章 成形温度对成形尺寸及应力分布的影响规律 .82.1 基体温度对熔宽、熔高的影响规律 .82.1.1 基体温度对单道多层熔宽、熔高的影响规律 .82.1.2 基体温度对多道多层熔宽、熔高的影响规律 .92.1.3 结论 .112.2 扫描路径对零件残余应力与变形的影响 .112.2.1 不同扫描方式下成形零件表面应力的对比 .112.2.2 不同扫描方式下成形零件变形量的对比 .132.2.3 结论 .142.3 本章小结 .14第 3 章 成形层面温度采集及红外图像的温度分区轮廓提取方法 .153.1 激光沉积层面温度采集系统搭建 .153.2 图像的几何坐标计算与转换 .163.2.1 红外图像的几何坐标计算 .163.2.2 红外图像的坐标变换 .183.3 层面温度分区轮廓的提取 .183.3.1 图像数据的存储表达 .193.3.2 温度分区轮廓的提取 .203.3.3 温度分区轮廓的闭合连接 .213.4 应用实例 .243.5 本章小结 .25第 4 章 温度分区轮廓规则化处理及层面轮廓与温度分区轮廓“交”运算.264.1 沉积层面温度采集及温度分区轮廓提取实例 .26沈阳航空航天大学硕士学位论文V4.2 温度分区轮廓的规则化 .264.2.1 包络线规则化法 .274.2.2 极值点规则化法 .284.2.3 直线逼近规则化法 .294.3 分层轮廓与温度分区轮廓“交”运算 .304.3.1 分层轮廓与温度分区轮廓求交点 .304.3.2 分层轮廓与温度分区轮廓求 “交”算法 .314.3.3 分层轮廓与温度分区轮廓求 “交”计算实例 .334.5 本章小结 .34第 5 章 分区变间距扫描路径的生成 .355.1 扫描路径的研究现状 .355.2 三维模型的分层 .365.2.1 三维模型数据源 .365.2.2 基于 STL 文件模型的分