（材料加工工程专业论文）基于ccd的激光熔覆在线检测系统的开发与应用研究.pdf

s t u d yo nc c d b a s e dd e t e c t i o ns y s t e mf o rl a s e rc l a d d i n g b y y a n gl i u s h a b e ( n a n h u au n i v e r s i t y ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e m a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rl i uj i n s h u i a p r i l ，2 0 1 1 棚15 舢95伸0 9册舢丫 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：柱柳穆 日期：2 0 t 年6 月1日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在一年解密后适用本授权书。 ， 2 、不保密留。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 档铆彳i 试食l c 日期：6 。年6 月1日 日期：莎口，1 年6 月f 日 硕j ：学位论文 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( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) c c d 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v c + + 平台结合图像处 理算法，对c c d 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。 关键词：c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) ；激光熔覆；在线检测；图像处理；熔池 参数；缺陷识别； l i 基于c c d 的激光熔覆在线榆测系统的开发与应用研究 a b s t r a c t l a s e rc l a d d i n gh a sb e e n w i d e l yu s e di n s o m ef i e l d s ，s u c ha s a u t o m o b i l e ， m e t a l l u r g y ，a n d n a t i o n a ld e f e n s e i n d u s t r y ，e t c h o w e v e r , b e c a u s e l a s e r e n e r g y t r a n s i t i o na n dp h y s i c a lp r o c e s s e so fl a s e rc l a d d i n ga r en o t a b l yc o m p l e x ，a sw e l la s ， t h ec l a d d i n g q u a l i t y i sa f f e c t e d b yv a r i o u sf a c t o r s ，m e r e l ya d j u s t i n gc l a d d i n g p a r a m e t e r st og u a r a n t e et h eq u a l i t yi sn o ts u f f i c i e n t t h u s ，i ti sl a s e rc l a d d i n gq u a l i t y r e a l - t i m em o n i t o r i n gt h a ts e r v e st ob ev i t a lt oo b t a i nh i g h - q u a l i t yd e e pp e n e t r a t i o n c l a d ，t oe x e r tl a s e rc l a d d i n g sf e a t u r e so fh i g hs p e e da n de f f i c i e n c ya n dd oa c c e l e r a t e i t si n d u s t r i a la p p l i c a t i o np r o c e s s a l s o ，t h ee s s e n c eo fl a s e rc l a d d i n gp r o c e s sc a nb e b e t t e ru n d e r s t o o db yt h er e s e a r c h i nt h i sp a p e r ，i ti si n t r o d u c e dt h a tas y s t e mc a nb eu s e di nm o n i t o rt h em e l tp o o lb y a p p l y i n gc c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) c a m e r a ，f r a m eg r a b b e ra n dt h ed i g i t a li m a g e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h em e l tp o o li m a g e sa r ep r o c e s s e db yt h eu s eo ft h es o f t w a r e ， w h i c hw a sd e v e l o p e do nt h ev i s u a lc + + ，i m a g ep r o c e s s i n gm a k e st h eg r a yv a l u e d i s t r i b u t i o nd i s p l a y e dc l e a r l yt h r o u g hs e g m e n t i n gt h ei m a g et h r e s h o l d t h eg e o m e t r ya n dt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o no fl a s e rm o l t e np o o la r em e a s u r e d ， w h i c hc a na c c u r a t e l yr e v e a ls o m ec h a n g e si nt h ep r o c e s so fl a s e rc l a d d i n g ，t h em e l t p o o li m a g ed e t e c t i n gs y s t e m c a ne f f e c t u a l l yd e t e c tt h ew i d t h o f c l a d d i n gb y c o n t r a s t i n gt h ed a t ao fd e t e c t i n gw i t ht h ed a t ao fe x p e r i m e n t ，t h ep a r a m e t e r so ft h e m o l t e np o o lc a nr e f l e c tt h eq u a l i t yo fc l a d d i n g t h ee f f e c t so ft e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r ， s u c ha sp o w e r ，s c a ns p e e da n dp o w d e rs p e e d ，o nt h em o l t e np o o lc h a r a c t e r i s t i c sa r e o b t a i n e db a s e do ns o m er e s u l t sf r o mt h ee x p e r i m e n t s t h r o u g ht h ee x p e r i m e n ta n dt h em o l t e np o o l si m a g e s ，t h ed e f e c t sa r er e s e a r c h e d o nt h es u r f a c eo fl a s e rc l a d d i n gl a y e r i n c l u d i n gt h em o l t e np o o l sg e o m e t r y ，g r a y v a l u e ，e t c t h ep a p e rp r o p o s e sam e t h o do fd e v i a t i o nr e c o g n i t i o na n dt h el a s e r c l a d d i n gl a y e rt r e n d ，t h ep r e s e n t e ds y s t e mi su s e f u lf o ri m p r o v i n gt h ec l a d d i n gl a y e r q u a li t y k e y w o r d s ：c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) ；l a s e rc l a d d i n g ；r e a l t i m em o n i t o r i n g ； i m a g ep r o c e s s i n g ；m o l t e np o o lp a r a m e t e r s ；d e f e c t sr e c o g n i t i o n i i i 硕i ：学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 激光熔覆概述l 1 1 1 激光熔覆基本原理和特点l 1 1 2 激光熔覆应用现状及前景l 1 2 激光熔覆过程的检测控制2 1 2 1 激光熔覆检测控制的重要性2 1 2 2 激光熔覆检测控制系统的组成要素3 1 3 激光熔覆检测技术的现状与发展趋势4 1 4 激光熔覆熔池检测中的传感器技术5 1 4 1 温度传感器6 1 4 2 光学传感器8 1 5 激光熔覆熔池信息的计算机处理技术9 1 6 激光熔覆过程中的闭环控制1 0 1 7 本文的研究背景、意义及内容1 1 1 7 1 课题背景和意义l l 1 7 2 主要研究内容12 第2 章激光熔覆熔池在线检测系统设计1 3 2 1 检测方案设计13 2 1 1 熔池的形成和特征1 3 2 1 2 检测原理l4 2 1 3 系统结构l4 2 2 熔池图像检测系统建立：1 5 2 2 1c c d 相机15 2 2 2 滤光系统选择1 7 2 2 3 图像采集卡17 2 2 4 图像处理软件。l7 2 2 5 计算机18 2 3 图像处理软件系统设计1 8 2 3 1 图像处理软件设计思路1 8 i v 基fc c d 的激光熔覆4 ：线榆测系统的开发j 应用研究 2 3 2 图像处理软件的实现1 9 2 4 熔池几何特征尺寸参数的提取一2 3 2 5 本章小结2 4 第3 章激光熔覆熔池在线检测系统试验验证2 5 3 1 试验条件一2 5 3 2 试验设备2 6 3 2 1 激光器一2 6 3 2 2 送粉系统一2 6 3 2 3 工作台2 7 3 3 激光熔覆试验2 8 3 3 1 单道熔覆试验2 8 3 3 2 激光熔覆过程熔池的动态变化3 0 3 3 3 动态试验情况下熔池的检测3 l 3 4 工艺参数与熔池几何尺寸关系的研究3 2 3 4 1 激光功率对熔池几何特征参数的影响3 3 3 4 2 扫描速度对熔池几何特征参数的影响3 3 3 4 3 送粉速度对熔池几何特征参数的影响3 4 3 5 标定试验一3 4 3 6 误差分析3 6 3 6 1 熔池参数误差一3 6 3 6 2 响应时间3 7 3 6 3 误差来源分析与改进措施一3 8 3 7 本章小结一3 8 第4 章激光熔覆表面缺陷的检测与识别4 0 4 1 熔覆带表面缺陷在线检测4 0 4 1 1 熔覆带表面质量标准一4 0 4 1 2 熔覆带表面缺陷在线检测分析4 0 4 2 熔覆带表面缺陷识别4 7 4 3 熔覆表面缺陷解决方案一4 8 4 4 激光熔覆闭环控制原理4 9 4 5 本章小结5 0 结论 5l 参考文献一5 2 致谢 5 6 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 7 v 硕l ：学位论文 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 激光熔覆是利用高能密度( 1 0 4 - 1 0 6 w c m 2 ) 激光束，在金属表面扫描，同时添加 熔覆材料，使熔覆材料和基体表面薄层发生熔化实现冶金结合。可以得到细微的 接近均匀的表层组织，通常具有较高的抗磨损抗腐蚀性能等h 2 1 。激光熔覆是有 相互衔接的粉末熔化和基体加热两个步骤组成，最终实现两者间的冶金结合。由 于需要保持熔覆层的高性能，基体金属熔化愈少愈好，即稀释率愈小愈好。 与传统相似工艺比较，激光熔覆的主要优点如下4 1 ： ( 1 ) 在实现基体与粉末良好冶金结合的同时，熔覆层稀释率小； ( 2 ) 激光束热作用区很小，基体的热变形小； ( 3 ) 熔覆层尺寸可较准确地控制，很容易完成熔覆过程的智能化； ( 4 ) 熔覆后的机械加工量小； ( 5 ) 高的冷却速度，使其能够成形特殊性能要求的合金熔覆层。 1 1 2 激光熔覆应用现状及前景 激光熔覆属于一种激光表面强化技术，虽然它在加工比例中很少，但是应用 面很广，发展也很早，而且有不断发展的趋势。上个世纪8 0 年代以来，激光熔覆 技术应用范围不断拓宽，经济效益和技术附加值显著，激光熔覆开始从实验室进 入实际工业应用。整个9 0 年代，激光熔覆成为我国激光加工研究的持续热点。近 年来，国内外大量在激光熔覆方面进行深入研究，在不同的工业领域中已取得不 少进展。主要运用于以下几方面哺1 ： ( 1 ) 涂覆 涂覆是在已经选好的基体表面堆积很薄的一层材料( 金属或者陶瓷等) 而形成 的一种工艺。它使基材表面的性能趋向于堆积材料的性能。涂层一般是耐用、防 腐的表面层，如铬、钛，镍等许多类型的材料都可以用于金属涂覆加工。 目前有很多种涂覆技术，但是，选择涂覆的依据主要涂覆工件大小、基材冶 金性能、涂覆材料适应性、设备费用等等，因此激光熔覆为工业中各种金属涂覆 提供了有利的手段，它在金属涂覆中的应用主要受昂贵的激光设备和比较低的加 工速度所限制，随着最新技术的革新，特别是光纤激光和高能二极管的发展，激 光熔覆将在越来越多的工业领域中应用于涂覆加工。 幕fc c d 的激光熔覆n ：线检测系统的开发j 应用研究 ( 2 ) 零部件修复和改性 常规零部件修复技术包括电镀、电弧、火焰堆焊和热喷涂火焰等，这些传统 修复技术与基体结合差，对零件基体热影响很大，容易造成零件变形，甚至产生 开裂，对尺寸精度要求很高或者特殊材料零件，如硬质合金、陶瓷等几乎无法用 常规技术进行修复，致使一些贵重部件因得不到修复而报废。随着激光熔覆技术 的不断发展，重大昂贵装备的修复成为可能，如刀具、涡轮叶片等出现损坏通过 修复能够恢复原有或近形尺寸。据不完全统计，全球范围内，对飞机发动机涡轮 和压缩机叶片进行修复，每年节约了约2 0 亿美元，降低了设备成本，提高了使用 效率。 ( 3 ) 快速成型和制造 激光熔覆快速成型和制造是以激光熔覆为技术平台，加上现代先进制造、快 速成形技术等理念，发展而成的新兴成型工艺。该技术可以降低生产费用，缩短生 产周期，能够直接成型零部件甚至是高精密零部件，成形效率高，冶金质量好， 材料实用范围广，成功实现了材料合成与成形过程的一体化，并且能够成型很多 复杂形状，如凹形、脊形、腔以及特定的内部特征。 直接由金属粉末制造出零件的全自动快速成型技术，以世界知名的激光及金 属处理专家一一美国密歇根大学的m a z u m d e r 教授哺1 所带领的研究小组所做的工 作最为突出，并且他们已经将该技术商业化运用。该研究小组通过将激光束快速准 确照射金属粉末微粒，一层一层添加材料的方法制造成型零件，实现了均匀致密 的微观结构，其相对密度高达9 9 9 8 ，生产周期缩短1 5 ，使部件重量减少了7 5 ， 无废料产生，其带来的经济效益不言而喻。 国内西安交通大学盯1 、华中科技大学随1 、清华大学阳1 、天津工业大学3 、上 海交通大学1 等高校也开展了对激光熔覆快速成型致密金属零件的试验研究，且 取得了一定的成就。 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 高功率激光加工技术，尤其是激光切割、熔覆和表面改性，在汽车、航天等 领域的应用越来越大，同时人们也对激光加工质量提出了更高要求。激光熔覆也 从简单的表面处理和表面修复发展成为制造行业中一项基础工艺和快速成型高精 密零部件的生产手段引。 激光熔覆过程是受多个工艺参数影响的复杂过程，如激光功率、扫描速度、 离焦量( 工件表面偏离光束焦平面的大小) 等。在长时间激光熔覆过程中，这些参 量势必发生改变，直接影响熔覆带质量的波动，例如：在激光熔覆过程中，如果 2 硕l ：学位论文 熔覆带表面由于工艺不稳定而产生凹凸，在多次层叠加工过程中就可能形成恶性 循环，凹处越凹、凸处越凸。由于激光熔覆对干扰的高敏感性，除了上述工艺参数 对熔覆带质量有影响外，还受到其他各种不确定因素的影响。为了充分发挥激光 熔覆的优势，保证熔覆带质量，因此，在激光熔覆过程中对熔覆过程和质量进行 实时的检测和优化是必不可少的。 在现代生产策略中，对产品质量的控制更多是通过加工过程的检测控制技术 来实现，而不是对已有缺陷的产品进行后处理。为得到高质量的熔覆层，只能通 过在线检测生产过程以及控制生产部件的特征来保证。随着传感器技术、计算机 技术、智能化技术的发展和应用，实现激光熔覆的检测控制已成为一种迫切的需 求，它不仅可以大大提高生产效率，更重要的是可以确保熔覆质量的稳定，改善 操作环境，激光熔覆检测控制技术已经成为一种不可阻挡的趋势n 引。 1 2 2 激光熔覆检测控制系统的组成要素 鉴于激光加工过程的复杂性，迄今为止许多加工都是依靠熟练的工人紧盯熔 覆带进行操作，工人通过观察加工过程中熔池的行为、激光头的位置、熔池反射 出的火花亮光等特征，结合长期的实际加工经验预测熔覆带的形状和尺寸参数并 判断熔覆带质量，如果实际熔覆带质量不能满足生产需要，可以通过手动调节各 种工艺参数使之达到最佳，以获取高质量的熔覆带，保证熔覆带质量稳定。 经验丰富的工人所表现出的高度适应能力，是任何机器人都无法比拟的。如 果要实现激光熔覆智能化和自动化，在某种意义上来说，检测控制系统就是在各 种加工环境下用机械装置和计算来代替经验丰富的工人进行操作，见图1 1 。除 了对整套设备能在不影响熔覆过程的情况下实现检测外，还需要下面三个重要部 分1 ： 1 、需要类拟经验丰富工人感官的传感器：相当于人类的感觉器官。这种传感 器是对影响激光熔覆结果的内部和外部条件的感应检测器，即主要用来检测过程 状态，为控制系统提供反映过程特征的信息，以供识别诊断时应用，因此传感信 号必须真实可靠； 2 、需要类似于工人对熔覆过程的认识：即能够正确描述激光熔覆各种过程状 态的知识，也就是对激光熔覆过程数学模型化，这个模型暗含了过程输入输出特 性的知识，必须能清楚地知道如何改变工艺参数来获得想要的输出结果，一个好 的数学模型应该能够较好地反映实际加工过程； 3 、需要类似于人脑思维的控制器：以实现合理的控制规律，实现最终所要求 达到的质量，并由类拟人类手足的执行装置完成控制任务。 基于c c d 的激光熔覆拍：线检测系统的开发j 应用研究 人体 图1 1 检测控制系统与人体的关系 模拟有经验工人的行为，建立激光熔覆检测控制系统是质量控制的发展趋势， 通过传感器检测反映熔覆过程发展变化规律的各种参数，将检测信息与熔覆过程 数学模型进行分析对比，一旦出现异常情况时，就会由控制器发出指令马上停止 加工或者通过合适的反馈行为对质量的下降进行补偿，使加工过程处于所选工况 的最佳状态，实现熔覆层质量控制。其中激光熔覆检测系统是检测控制系统的最 前沿，通过获取被测信号并处理，再将有用的信息输出给自动控制系统或者操作 者。激光熔覆的主要任务是：在采用先进的激光器、检测和工艺过程控制的基础 上，建立不需要人直接参与激光熔覆的加工方法和工艺方案，以及各个机械装备 和熔覆系统的结构与匹配n 副。 1 3 激光熔覆检测技术的现状与发展趋势 在过去的几十年里，激光熔覆过程的实时检测控制一直是研究的重点和难点， 许多学者对激光熔覆检测这个领域进行了大量的研究，推动了激光熔覆商业化道 路的进程，带动了一大批新兴产业的产生和发展。近年来，人们利用模拟仿真技 术结合模糊控制技术和强大的具有非线性信息处理能力的人工神经网络相结合， 使得激光熔覆过程带有一定的可预见性。姜淑娟6 3 等人，建立了一套误差反向传 播神经网络模型，实现了利用激光熔覆工艺参数预测熔覆高度，完成了网络算法 设计，通过采集试验样本训练模型，并完成网络测试样本的可行性检验。 目前来说，对激光熔覆过程参数的检测主要包括粉末流检测、激光参数检测、 熔池( 温度场和尺寸特征) 检测。 ( 1 ) 粉末流的检测 激光束熔化来自送粉系统的添加粉末，并快速凝固形成熔覆层，因此粉末的 检测对熔覆层质量非常重要。喷嘴中喷射出的粉末流速度、粉末颗粒的分布、送 4 硕上学位论文 粉气体流量等都会影响熔池中粉未的摄入量，从而影响最终熔覆质量。 m e r i a u d e a u 7 1 等人利用一个c c d 检测进入熔池前的粉末流分布情况，得到粉 末颗粒的速度和形状，并以此获取保护气体参数；利用光电管获取反射光线，通 过粉末流速度的平均值获取熔池过程动力学变化情况。 d o u b e n s k a i a 8 1 等人利用c c d 与带通滤光片相结合，检测到粉木流中粉末颗 粒的分布和特征参数，包括粉末颗粒速度、大小、温度。为研究进入熔池的粉末 颗粒的动力学、能量等分析提供了试验依据。 ( 2 ) 激光参数的检测 激光束各参数指标直接影响熔覆区域能量的获取。能量大小和传递方式取决 于激光束类型( 连续或者脉冲) ，激光束参数可以通过激光能量器检测到，比如激 光功率平均值、每脉冲能量值和脉冲持续时间等的检测。 f o x 刚等人通过对比接收器中两组波长的焦距长度差异，得到激光束焦平面 与基体表面距离，利用实验数据，能够检测到激光束的偏移距离。 ( 3 ) 熔池的检测 在激光熔覆过程中能够反应熔覆过程稳定与否、判定熔覆层质量好坏，且被 用作被控过程参量的信号主要是熔池。而且，熔覆带的几何尺寸和成形控制是影 响激光熔覆质量的重要因素，而熔池的形状和大小直接决定着熔覆带的成形和内 在质量，因此熔池参数的检测控制对于激光熔覆质量控制的实现非常重要心引。熔 池检测技术的发展直接反映了激光熔覆检测技术的发展现状。熔池参数的检测主 要包括熔池和熔池尺寸温度场的检测。 早期关于熔池尺寸的检测，仅仅是获取熔池区域图像，并没有实现图像处理 算法与试验结果结合。近年来，随着c c d 摄像机的发展，研究学者对熔池参数 的检测，主要集中在使用一个或者多个c c d 摄像机，或者是直接利用高度传感 器技术，获取熔池宽度和高度，并对比其与实际熔覆带尺寸间的区别。 19 9 0 年，l i 2 1 1 等人利用光电二极管直接拍摄熔池反射的光线得到熔池温度 场，但是由于光电二极管不能显示温度场的空间分布状态。后来，d o u b e n s k a i a 引 利用波长高温计和二维高温计检测熔池表面温度，高温计由许多光电二极管组成， 获取温度场分布图。但是，难以得到熔池实际温度值分布状态。 1 4 激光熔覆熔池检测中的传感器技术 传感器是人们获取激光熔覆加工信息的工具，传感器技术是现代信息技术的 三大支柱之一。没有功能正常的传感器，就不能迅速而准确地采集并转换所需的 熔覆加工信息。利用新材料、新工艺等开发出的新型传感器，提高了传感器的性 能和适应性，实现了传感器与激光加工设备之间的集成化。它能自动校准，进行 误差补偿和复杂的计算处理，完成故障自诊断、检测，还具有一定的故障自恢复 基于c c d 的激光熔覆n ：线检测系统的开发与应用研究 能力等。几十年来，随着实时检测跟踪技术的进步，传感器的种类繁多，原理各 异，所构成的系统千差万别。 对于熔覆过程传感器，一般认为，一个传感器，如能检测熔覆质量的外部和 内部状况，并将检测值作为信号输出，以检测和控制熔覆生产过程，则可以称之 为熔覆传感器。采集到最接近实际激光熔覆熔池信息是判断检测系统质量的重要 前提，最合适传感器的选择成为一个至关重要的问题，一个合适的传感器是保证 实现检测的重要基础，从某种意义上讲对控制系统性能起决定性作用心引。传感器 进行选择和设计时，要充分考虑激光熔覆加工特点，在了解被测对象和各种传感 器的特性的基础上，根据被测量精度要求、被测量变化范围、被测对象所处的环 境条件、传感器的体积以及整个检测系统的性能要求等限制，合理地选择传感器。 在激光熔覆过程中，反映熔覆质量的过程信息有许多，包括熔池的可见光和 红外热辐射信号、加工中可听发声信号、超声波信号等。不同的研究对象，采用 的传感检测技术不同，之前一般采用某一种信号为检测参量，近年来不同的多个 传感器检测多种信号，综合识别诊断技术实现激光熔覆缺陷的实时控制。根据激 光熔覆熔池特征( 温度、尺寸) 选择传感器，大致可以分为两大类：温度传感器和 图像传感器。 1 4 1 温度传感器 熔池温度反映了基体稀释率，当熔池温度太低，进入熔池的粉末不能充分熔 化，当温度过高，导致熔覆带出现过熔，熔覆质量均不能满足要求。激光熔覆的 温度梯度很大，其温度范围从材料的气化温度变化至常温，变化时间很短，作用 区的尺寸比较小，对传感器的要求相对高，一般的商业传感器很难满足要求。最 常用的是测量红外光或者可见光热辐射能量的非接触温度传感器阳3 l ，包括以下几 大类： ( 1 ) 辐射高温计心引 激光熔覆熔池具有温度高、热辐射强烈等特点，辐射测温计是基于普朗克四 次方定律( 即黑体的全辐射能和它的绝对温度的四次方成正比) 的非接触式温度传 感器，以熔池辐射的红外线为依据测量其温度分布。由于感温元件所接收的是辐 射能，其温度不必达到被测对象的温度，所以从理论上讲，辐射高温计的测温上 限是不受限制的。辐射测温的常用方法有亮度法、全辐射法、比色法和多色法。 常用的辐射温度计包括光学高温计、全辐射高温计和比色高温计等。 采用辐射温度计检测激光熔覆过程中熔池行为，不仅可以得到加工区域中二 维的熔池及其热影响区的实际温度分布，直观地描述熔覆熔池及周围热影响区的 状况，还能准确反映熔池大小和面积等信息。 s m u r o v 等人陋朝使用辐射高温计测量加工区域熔池的温度分布，分析热辐射高 6 硕1 二学位论文 温计上的数据可以得到熔池温度的最大值以及熔池温度分布梯度。此类温度计还 可以同于测量熔池形状与面积，由于熔池的面积和熔池的深度有关联，最终能够 间接计算出熔覆层的高度。 m l g r i f f i t h 等人乜引通过使用比色成像分析系统，获取熔池及周边热场的温度 场分布情况，系统检测到的熔池及附近区域温度场分布能够客观反映激光熔覆过 程状态。利用温度场信息作为激光快速成形系统的反馈信息，实现质量控制。 ( 2 ) 光学高温计 亮度法为非接触式测温方法，该方法主要是基于高温度物体的温度与单色辐 射强度成一定函数关系。即高温物体不仅有亮度而发光，且根据其亮度大小可得 到物体的温度。通常系统检测到的是被测物体亮度温度，然后以其光谱发射率校 正后确定被测对象的真实温度。许多研究者运用光学高温计测量加工过程的激光 功率。西北工业大学心7 1 采用该方法测量激光快速成型时熔池的温度。 光学高温计接受辐射能量较小，抗环境干扰能力较强。但是光学高温计是按 黑体刻度的，而激光熔覆熔池为非黑体，故所测得的温度不是被测物体真实温度， 而是亮度温度，要通过标准温度灯修正后才能求得真实温度。 ( 3 ) 声和超声波测温计 声和超声波的传播时间与温度有一定的参数关系，声和超声波温度计通过测 量声或超声波在激光熔覆加工区域的传播时间计算得到温度心8 。但是声和超声波 容易受到外界因素的干扰，信号发射频率高、信号微弱，一般要求在邻近加工 区域放置压电传感器。另外声和超声波信号的检测分析过程复杂，成本很高。 但是，这种测温传感器在信号传输过程中，存在传输速度低、信号严重滞后、 获取的信息量小等缺点，所以在熔池参数检测中运用具有一定局限性。对于表面 状况不好的工件，干扰较大，其探测准确性必然受到很大的影响，效果很差。 ( 4 ) 热电偶温度传感器 它的基本原理是热电效应，不同成分金属导体首尾相连形成闭合回路，若两 接点温度不同，则回路中产生热电动势，形成热电流，通过测量电动势得到被测 物体的温度。热电偶温度传感器具有结构简单、准确度高等优点，广泛应用于不 同的工业领域。有学者妇们应用钨一铼和铂一铑热电偶于激光熔覆加工中测量温度的 分布。但是热电偶是接触式传感器，测量端要处于真正代表熔池温度的地方，因 此使用热电偶测量熔池中温度的分布的实用价值不大。 目前在传感器的选用中，接触式传感器由于精度不太高、设备笨重等原因渐 渐被淘汰。但是非接触式温度传感器很多时候不能检测出熔池具体的温度，而且 激光熔覆过程中基体材料、传感器的类型原理等差异因素，若想得到熔池的实际 温度值，传感器的温度场标定也是一项繁琐而困难的工作，标定后得到的温度值 与通过热过程模拟理论计算结果比较，两者之间仍存在很大的差异，误差较大。 7 基于c c d 的激光熔覆在线检测系统的开发0 j 衄用研究 随着现代测量手段的不断发展，运用数字图像处理技术检测高温物体温度场成为 检测技术发展的新趋势。基于光学传感器的数字图像处理技术在激光熔覆检测中 应用越来越广泛。 1 4 2 光学传感器 由于激光熔覆是一个高温高辐射的过程，研究人员在进行熔覆试验过程中， 往往希望能在避免人体受到侵害的同时又能够对熔覆过程进行观察及获取信息。 另外，人所感知的外界信息8 0 以上是由视觉得到的，视觉提供了更多感知的信息 量。因此，图像视觉检测系统便在激光加工中被采用了。 光学传感器凹们是进行光电信号转换的传感器。它包括光源( 普通光源、激光、 红外等) 和接收器两部分。光学器件设备成本越来越低，图像处理技术效果得到提 高，使得光学传感器在不同领域中得到越来越广泛的应用。光学传感器在激光熔 覆中的应用包括用于熔覆位置控制与形状识别、激光熔覆过程控制、同时进行熔 覆带跟踪。 根据光学器件所工作的波段不同，光学传感器分为x 射线传感器、视觉传感器 和红外传感器三种。目前在激光熔覆检测控制中，以光学c c d 器件为核心的视觉 传感器应用最为广泛阳。 视觉传感器2 1 是利用光电器件的光电转换功能，将光学图像转换成一维时序 信号的器件，视觉传感器感光面分成许多小单元，这些光敏单位简称为“像素 或“像点”。视觉传感器的核心是电荷转移器件，应用最为普遍的是电荷耦合器 件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) ，简称c c d ，它是一种是以m o s 电容器为基本单元的半 导体装置，c c d 的作用就像胶片一样，但它是将图像转换成数字信号。由于其传 感信息直观、分辨力高、实时传输好等优点，已经被越来越广泛的应用于视觉检 测系统中。 利用视觉传感器能直观观察到动态熔池的二维或者三维信息，检测到的熔池 信息直接反映了熔覆过程的熔化金属动态行为，非常适合激光熔覆过程熔化区域 的动态行为的在线质量控制。与温度传感器相比，视觉传感器无需像温度传感器 那样只有经过温度标定以后才能得到熔覆区各部分。主要是通过检测熔池发射出 的可见光成像于c c d 光敏单元上，检测到的图像信息与熔覆区各部分一一对应。 具有与工件无接触、抗干扰能力强、获取的信息量大，检测的精度和灵敏度都很 高、响应时间短等优点。通过熔池自身光谱辐射特点，选择合适辐射区域，实现 从单一辐射区域获取想要的熔池综合信息，可提高可见光波长范围内熔池和熔覆 带的成像清晰度。由于其设备简单成本低，不需要其他附件系统，在实际工业中 得到不断重视。国内外许多学者在此领域进行了不少有实效的研究工作，取得了 一些有意义的成果。 8 硕j ：学位论文 清华大学的于栋等人阳3 利用c c d 摄像机得到熔池动态变化过程，提取熔池的 特征，推导出熔池相对高度变化，实现了激光熔覆高度起伏的表征。 西北工业大学的陈静等人叫建立视觉传感系统，实现熔池行为的实时观察， 获取熔覆区熔池形状和尺寸变化规律。 m a t h e wa s s e l i n 等人3 1 利用三个互成1 2 0 。的c c d 摄像机构成激光熔覆熔池 图像检测系统，通过三个c c d 摄取的图像进行视图转换还原出熔池原貌，提取 熔池高度、宽度和实时凝固速度 m e h r d at r a v a n i t a b r i z i p o u r 等人口们利用图像处理算法处理来自图像检测系统 的熔池图像，提取近椭圆熔池特征，计算出熔池高度，其与熔覆带实际高度最大 误差为1 2 。 图像传感器不仅用于熔池尺寸和形状的检测，也越来越被更多的学者用于熔 池温度场的测量。g u i j u nb i 等人5 1 利用同轴c c d 光学系统检测提取激光熔池发出 的红外温度信号，成功实现激光熔覆过程的检测控制。 基于图像传感器的视觉系统用于检测激光熔覆熔池时，关键问题是如何实时 从接收到的熔池图像中获取熔池的正确参数信息，并实时输出检测参数。由于激 光熔覆的工作环境对视觉系统而言有很大的干扰，火花飞溅、基体粉末材料各异 等因素对视觉系统是个很大的考验。通常通过图像传感系统得到熔池图像，再利 用图像处理算法提取熔池特征参数，最后实现熔池参数的预测及反馈控制。 1 5 激光熔覆熔池信息的计算机处理技术 视觉检测控制系统除了包括熔池视觉系统以外，计算机图像处理技术( 软件和 硬件) 是另一个重要组成部分引。计算机视觉是在图像处理的基础上发展起来的 新兴学科，计算机视觉检测系统的快速、可靠、低成本等特点是应用越来越广泛 的重要因素。计算机处理技术主要从三方面来实现图像的提取：信息处理层次， 视觉信息的认知，视觉信号的处理算法。 激光熔覆熔池数字图像处理与图像识别是通过计算机编程实现的。与传统的 检测系统中包含的信号调理、信号处理、现实与记录设备等组成部分不同，计算 机图像处理系统具有信号调理与处理功能的通用或专用电路板以及计算机。目前 已成为传感器与检测技术的主要发展趋势引。 在使用图像传感器进行在线检测激光熔覆熔池时，基本任务是获取与熔覆带 质量相关的熔池参数信息，由于激光熔覆过程中采集的信号不停摆动，引起采集 图像的剧烈变化，为了准确检测出熔覆过程中熔池的具体参数，至少要每秒钟采 样和处理2 0 帧以上的图像，须合理选择设计硬件( 图像处理系统) 和软件( 图像处 理算法) 。因此，计算机图像检测技术便在激光熔覆过程中得到广泛的利用。图像 处理技术可以减少或消除来自等离子体、粉末颗粒等对熔池图像的干扰，得到更 9 基于c c d 的激光熔覆住线柃测系统的开发与戍用研究 加准确的熔池信息。 图像传感系统获取的图像信息量大，图像处理要求搞，实时传输过程对图像 的帧、场时间有严格限制，因此要求图像处理系统必须能够完成强大的图像运算， 并具有两项基本功能：其一是对输入、输出通道的控制管理功能；其二是对数据 的分析、处理功能。对闭环控制系统而言，还应具有对系统进行自检和故障自诊 断的功能以及软件开发、调试功能等。 天津工业大学的雷剑波、杨洗陈等人口8 1 利用c c d 测量熔池温度场，开发专 用的激光再制造熔池温度场图像处理软件，对熔池热辐射图像进行温度分析，得 到熔池温度场分布。 苏州大学的郁玲玲b 引利用高速c c d 拍摄激光立体成形的熔池图像，结合数字 图像处理技术，对c c d 应用软件进行二次开发，通过红外测温仪标定以后得到熔 池温度场分布。 1 6 激光熔覆过程中的闭环控制 工业激光加