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1、华中科技大学 硕士学位论文 高能束快速制造中计算机视觉技术应用的研究 姓名：于洋 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：张海鸥 2011-01-18 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 摘 要 金属零件快速制造技术采用高能束流作为成形热源熔化同步供给的金属材料， 按计算机设定的扫描轨迹逐层自由熔积成复杂形状的高性能金属制件。金属零件高 能束快速制造过程是传热、 传质与几何边界呈瞬态时空剧烈交变的超常态成形过程， 影响其制件成形质量的工艺因素繁多，如高能束流功率、扫描速度、材料供给速度、 工作气体流量、喷枪位
2、置、基体的形状与表面状况等。因此，成形过程射流形态与 熔积层形貌的在线可视化监测，对于保证快速成形件质量的稳定可靠性成为必不可 少的重要手段。 为此， 本文首先使用计算机视觉技术对固/液相等离子熔射快速成形过程进行在 线监测，提出采用相同标准二阶中心矩椭圆长短轴比作为等离子熔射射流形貌特征 值，以反映熔射能量相关工艺参数的变化。实验中使用工业 CCD 摄像机采集不同 功率和工作气体流量下的固/液相等离子射流图像，利用 MATLAB 开发的图像处理 软件进行射流边缘检测和特征值提取计算。实验结果表明，采用该特征值能够很好 地适应射流的旋转和变形。随着熔射功率增大，特征值呈现单调递增趋势；随着 A
3、r 流量的增大，特征值总体呈现减小的趋势。在相同工艺参数下，液相等离子熔射特 征值小于固相等离子熔射特征值。 本系统的开发为固/液混相等离子熔射超常态成形 新技术应用于低成本快速制备新型功能元件的工艺优化提供了重要的科学手段。 其次，在基于工业机器人的金属零件三维熔积快速制造中，目前多采用离线示 教编程实现，成形效率与成形精度受到很大的限制。为了保证三维熔积快速制造的 零件形状尺寸精度和成形性能质量、提高成形效率，基于熔积高度实时跟踪的自适 应切片轨迹规划和熔积弧长动态调控成为金属零件的工业机器人三维熔积快速制造 核心技术，而熔积高度和焊道形貌的可视化监测是其关键技术基础。该技术不仅能 用于复
4、杂金属零件快速制造，而且能用于大型高性能关键零件与模具的机器人快速 修复，因而具有非常重要而广阔的工程应用价值。本文采用可变焦工业摄像机单目 视觉技术进行了熔积层定位和形貌特征识别技术的相关研究，提出利用几何光学聚 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II 焦及摄像机线性模型标定的技术来获取主光轴深度信息的方法。文中首先获取标定 目标像素尺度随着物距变化的曲线，然后根据该曲线和熔积层像素宽度计算熔积成 形件当前实际高度。此外，本文建立了通过目标点数字图像像素坐标求解空间坐标 的光学几何模型，在此基础上开发了熔积层形貌特征提取和缺陷坐标定
5、位的软件。 在不同的摄像机俯仰角下采集熔积层数字图像，并用本研究开发的模型和软件进行 图像分析处理，然后将熔积层形貌特征和缺陷坐标的计算值与理论值进行了比较。 测试结果表明，该方法的定位精度达到了实际应用要求。以上研究成果为实现成形 过程射流特征与熔积层形貌的在线可视化监测，保证快速成形件质量的稳定可靠性 奠定了应用技术基础。 关键词：关键词：金属零件快速制造 计算机视觉 图像处理 视觉定位 工业机器人 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III Abstract The rapid manufacturing of metal com
6、ponents uses high energy beam as heat source to melt the metallic materials which are supplied synchronously. Then the materials are free deposited layer by layer to the path set up by the computer and finally become metal components of complex shape. The rapid manufacturing of metal components is a
7、 complex hypernormal forming process of heat transfer and materials transfer, which has many parameters that can affect final quality of components such as high energy beam power, torch scanning speed, materials feed speed, working gas flow rate, position of torch, substrate shape and surface condit
8、ion and so on. Thus, the online visualization for plasma spray jet morphology and the shape of deposition layer have become a necessary and important approach to assure stabilized and reliable parts quality. First, in order to study the energy related process parameters affect on the powder and the
9、newly emerging liquid plasma spray jet, a real-time image collection system for plasma spray process was developed. The axial ratio of the ellipse that has the same normalized second-order central moments was proposed to be the eigenvalue of plasma spray jet morphology. In the experiment, the CCD se
10、nsor was used to capture the images of spray jet which were on different spray power and working gas flow rates. The images were processed to detect the edge and calculate the jet eigenvalues in MATLAB. The results indicate that this eigenvalue can fit in the jet transformation or rotation quite wel
11、l. With the spraying power increases, the jet eigenvalues become greater. With the Ar gas flow rate increases, the jet eigenvalues dont increase but decrease. The liquid spray jet eigenvalue is less than the powder spray when using the same process parameters. This system provides an important proce
12、ss parameters optimization approach for the rapid and low cost manufacturing of new functional components using powder or liquid plasma spray process. Second, the metal components industrial robot 3-D deposition rapid manufacture is 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IV based on off-line
13、 and teaching programming technology and thus its efficiency and precision are significantly limited. To improve the components dimensional accuracy, forming property quality and efficiency, the technology of self-adaption path planning based on deposition height tracking and arc length self-adaptio
14、n control have become the key technology of industrial robot 3-D deposition rapid manufacture. As the foundation key technology, the visualized monitor for deposition height and deposition layer shape are used not only for complex metal components rapid manufacturing, but also for rapid auto-repair
15、of large key parts and mould. The deposition layer location and shape detection system was studied systemically based on monocular vision using a vari-focal CCD sensor. To obtain the principal optical axis length, the method that used geometry optical focusing and CCD camera model calibration techno
16、logy was presented. At first, the curves determined by the relationships between physical dimension and pixel dimension of the calibration target on different object distances were found out. Then the target object distances and the deposition layer height were calculated according to the deposition layer pixel dimension. In addition, the target point 3D locating optical geometry model was set up. Based on that, the deposition layer shape detection and defect location software was developed
