基于紅外圖像溫度分區(qū)的激光沉積成形掃描路徑規(guī)劃

1、<p>　　碩 士 學(xué) 位 論 文</p><p><b>　　二零一五年三月</b></p><p>　論文題目基于紅外圖像溫度分區(qū)的激光沉積成形掃描路徑規(guī)劃</p><p>　研究生范欽春</p><p>　專業(yè)機(jī)械電子工程</p><p>　研究方向激光增材制造技術(shù)</p&g

2、t;<p>　指導(dǎo)教師卞宏友（副研究員）</p><p>　　分類號 密級 公開 </p><p>　　U D C </p><p>　　學(xué) 位 論 文</p><p>　　題目：基于紅外圖像溫度分區(qū)的激

3、 光沉積成形掃描路徑規(guī)劃</p><p>　　沈 陽 航 空 航 天 大 學(xué)</p><p><b>　　2015年03月</b></p><p>　　SHENYANG AEROSPACE UNIVERSITY</p><p>　　THESIS FOR MASTER’S D

4、EGREE</p><p>　　A sacnning path planning Method based on temperature partition IN infrared picture OF LDS</p><p>　　candidate：Qinchun Fan</p><p>　　supervisor：Hongyou Bian</p>&

5、lt;p>　　Specialty： Mechatronic engineering</p><p>　　Date: March, 2015</p><p><b>　　原 創(chuàng) 性 聲 明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表

6、或撰寫過的作品或成果，也不包含本人為獲得其他學(xué)位而使用過的成果。對本文研究做出重要貢獻(xiàn)的個人或集體均已在論文中進(jìn)行了說明并表示謝意。本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。</p><p><b>　　論文作者簽名：</b></p><p>　　年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p>

7、<p>　　近年來，人們在快速原型技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了金屬激光沉積成形技術(shù)用于制造具有復(fù)雜形狀的高性能金屬結(jié)構(gòu)件。該技術(shù)集機(jī)械、激光、計(jì)算機(jī)控制、數(shù)控技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)于一體，可在短時間內(nèi)生產(chǎn)出具有傳統(tǒng)機(jī)械加工產(chǎn)品性能及傳統(tǒng)機(jī)械加工手段無法達(dá)到的復(fù)雜形狀零件。現(xiàn)階段采用金屬激光沉積成形技術(shù)制造的幾種典型合金的中小型零件的綜合力學(xué)性能已與鍛件相當(dāng)，而典型大型結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)制造也取得了突破性的進(jìn)展。因此，金屬激光沉積成形技術(shù)近年來得到了快

8、速猛進(jìn)的發(fā)展，同時也存在一些問題亟需解決。</p><p>　　金屬激光沉積成形技術(shù)中采用提前設(shè)置掃描間距、分層厚度等工藝參數(shù)的方式生成掃描路徑沉積成形金屬零件，加工過程中不可避免的出現(xiàn)溫度累積的現(xiàn)象，造成零件幾何精度不高、表面粗糙、翹曲變形嚴(yán)重等一系列問題。為此，國內(nèi)外專家針對上述問題展開大量的研究工作，主要有采用實(shí)時監(jiān)測熔池溫度的方式反饋控制激光功率與掃描速度等工藝參數(shù)、通過有限元分析軟件模擬金屬激光沉積成形

9、過程等方法。僅管如此，但上述問題并沒有得到有效解決。</p><p>　　本文作者注意到金屬激光沉積成形過程中溫度累積導(dǎo)致熔覆寬度、熔覆高度變化的現(xiàn)象，在此研究了基體溫度對熔覆寬度、熔覆高度的影響規(guī)律，分析了成形零件翹曲變形與溫度梯度的聯(lián)系。在此基礎(chǔ)上提出基于層面溫度分區(qū)的激光沉積成形掃描路徑生成方法，主要包括沉積層面溫度的采集、溫度分區(qū)輪廓提取與規(guī)則化、溫度分區(qū)輪廓與分層輪廓的“交”運(yùn)算、分區(qū)變掃描間距的路徑生

10、成等。實(shí)驗(yàn)表明：該掃描路徑可有效提高成形層面質(zhì)量、降低沉積成形過程中零件的溫度梯度、減小成形零件的翹曲變形。</p><p>　　關(guān)鍵詞：溫度梯度；殘余應(yīng)力；翹曲變形；溫度分區(qū)；路徑規(guī)劃</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In recent years, it is proposed that laser

11、 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 techn

12、ology, 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

13、 made by LDS are comparable </p><p>　　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 follo

14、wing 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 ov

15、er the world have done a lot of research, some of them use the way of real-time monitoring to control the proc</p><p>　　It is lucky that we found temperature accumulation changing the cladding width and cla

16、dding 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 p

17、lanning 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 </p><p>　　Key

18、word: temperature gradient; residual stress; warping deformation; temperature Partition; scanning path</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　

19、　1.1金屬激光沉積成形技術(shù)簡介1</p><p>　　1.2金屬激光沉積成形技術(shù)研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3金屬激光沉積成形技術(shù)存在的問題4</p><p>　　1.4研究目的及主要研究內(nèi)容6</p><p>　　第2章 成形溫度對成形尺寸及應(yīng)力分布的影響規(guī)律8</p><p>　　2.1基體溫度

20、對熔寬、熔高的影響規(guī)律8</p><p>　　2.1.1基體溫度對單道多層熔寬、熔高的影響規(guī)律8</p><p>　　2.1.2基體溫度對多道多層熔寬、熔高的影響規(guī)律9</p><p>　　2.1.3結(jié)論11</p><p>　　2.2掃描路徑對零件殘余應(yīng)力與變形的影響11</p><p>　　2.2.1不同

21、掃描方式下成形零件表面應(yīng)力的對比11</p><p>　　2.2.2不同掃描方式下成形零件變形量的對比13</p><p>　　2.2.3結(jié)論14</p><p>　　2.3本章小結(jié)14</p><p>　　第3章 成形層面溫度采集及紅外圖像的溫度分區(qū)輪廓提取方法15</p><p>　　3.1激光沉積層面溫

22、度采集系統(tǒng)搭建15</p><p>　　3.2 圖像的幾何坐標(biāo)計(jì)算與轉(zhuǎn)換16</p><p>　　3.2.1 紅外圖像的幾何坐標(biāo)計(jì)算16</p><p>　　3.2.2 紅外圖像的坐標(biāo)變換18</p><p>　　3.3 層面溫度分區(qū)輪廓的提取18</p><p>　　3.3.1 圖像數(shù)據(jù)的存儲表達(dá)19&l

23、t;/p><p>　　3.3.2 溫度分區(qū)輪廓的提取20</p><p>　　3.3.3 溫度分區(qū)輪廓的閉合連接21</p><p>　　3.4 應(yīng)用實(shí)例24</p><p>　　3.5 本章小結(jié)25</p><p>　　第4章 溫度分區(qū)輪廓規(guī)則化處理及層面輪廓與溫度分區(qū)輪廓“交”運(yùn)算26</p>

24、<p>　　4.1沉積層面溫度采集及溫度分區(qū)輪廓提取實(shí)例26</p><p>　　4.2溫度分區(qū)輪廓的規(guī)則化26</p><p>　　4.2.1包絡(luò)線規(guī)則化法27</p><p>　　4.2.2極值點(diǎn)規(guī)則化法28</p><p>　　4.2.3直線逼近規(guī)則化法29</p><p>　　4.3分層輪廓

25、與溫度分區(qū)輪廓“交”運(yùn)算30</p><p>　　4.3.1分層輪廓與溫度分區(qū)輪廓求交點(diǎn)30</p><p>　　4.3.2分層輪廓與溫度分區(qū)輪廓求 “交”算法31</p><p>　　4.3.3分層輪廓與溫度分區(qū)輪廓求 “交”計(jì)算實(shí)例33</p><p>　　4.5本章小結(jié)34</p><p>　　第5章

26、分區(qū)變間距掃描路徑的生成35</p><p>　　5.1掃描路徑的研究現(xiàn)狀35</p><p>　　5.2三維模型的分層36</p><p>　　5.2.1 三維模型數(shù)據(jù)源36</p><p>　　5.2.2 基于STL文件模型的分層37</p><p>　　5.3掃描路徑的生成39</p>

27、<p>　　5.3.1 分區(qū)變間距掃描路徑生成方法39</p><p>　　5.3.2掃描路徑的生成實(shí)例41</p><p>　　5.4本章小結(jié)42</p><p>　　第6章 分區(qū)掃描路徑實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析43</p><p>　　6.1掃描路徑生成驗(yàn)證43</p><p>　　6.2兩種掃描方式零件

28、表面形貌與殘余應(yīng)力的比較44</p><p>　　6.2.1不同掃描方式零件表面形貌對比44</p><p>　　6.2.2不同掃描方式零件表面殘余應(yīng)力對比44</p><p>　　6.2.3不同掃描方式零件基板變形量對比46</p><p>　　6.3本章小結(jié)46</p><p><b>　　結(jié)

29、 論48</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)51</b></p><p><b>　　致 謝54</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　20世紀(jì)80年代后期，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用，產(chǎn)品造型與設(shè)計(jì)能

30、力空前提高。但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成、批量生產(chǎn)之前，仍采用傳統(tǒng)樣品預(yù)制的范式獲取產(chǎn)品設(shè)計(jì)的反饋信息，完成產(chǎn)品的可行性評估與論證工作。在市場競爭日益激烈的今天，時間就是效益，因此有必要在保證產(chǎn)品研發(fā)質(zhì)量的前提下減少產(chǎn)品的研發(fā)時間。而快速原型技術(shù)的出現(xiàn)，為解決上述問題提供了有效地途徑。</p><p>　　幾乎所有的快速原型技術(shù)都是針對制造原型而非高強(qiáng)度力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)件，所采用的材料多為紙、蠟、樹脂、金屬等, 因此快速原型技

31、術(shù)可以制造承受較小力學(xué)載荷的金屬或陶瓷注料模具。1995年西北工業(yè)大學(xué)凝固實(shí)驗(yàn)室黃衛(wèi)東[1]教授在快速原型技術(shù)的基礎(chǔ)上大膽的提出采用快速原型技術(shù)的實(shí)體自由成形原理制造具有復(fù)雜形狀的高性能金屬結(jié)構(gòu)件的創(chuàng)新性想法。21世紀(jì)初期，我校也展開了相關(guān)技術(shù)的研究，即金屬激光沉積成形技術(shù)。</p><p>　　1.1金屬激光沉積成形技術(shù)簡介</p><p>　　金屬激光沉積成形技術(shù)是在快速原型技術(shù)與激光

32、熔覆表面強(qiáng)化技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。該技術(shù)利用高能激光束局部融化金屬表面形成微小熔池，同時將金屬原材料同軸或側(cè)向送入熔池中與基體冶金結(jié)合，形成稀釋率很低的新的金屬層的技術(shù)。由于金屬激光沉積成形技術(shù)快速凝固的特性，成形的零件具有均勻細(xì)密的枝晶組織和優(yōu)良的質(zhì)量，其密度和性能與采用傳統(tǒng)加工方式加工出的零件相當(dāng)，可直接或僅需少量精加工即可使用。</p><p>　　與傳統(tǒng)材料成形方法相比，金屬激光沉積成形技術(shù)

33、具有成形零件復(fù)雜、性能優(yōu)良、加工材料范圍廣，可實(shí)現(xiàn)材料梯度功能、柔性制造、制造周期短等優(yōu)點(diǎn)；材料利用率、研制周期、制造成本均優(yōu)于傳統(tǒng)的鑄造與鍛造技術(shù)。與快速原型技術(shù)相比，該技術(shù)具有直接加工金屬零件或模具、可對零部件進(jìn)行三維修復(fù)、加工后的零件可直接使用等優(yōu)點(diǎn)。因此該技術(shù)近幾年受到國內(nèi)外廣泛的關(guān)注。</p><p>　　金屬激光沉積成形技術(shù)集合了激光技術(shù)、材料技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等先進(jìn)的制造技術(shù)。

34、通過將零件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型逐層離散劃分生成掃描路徑，激光、送粉噴嘴在數(shù)控系統(tǒng)控制下按照預(yù)先生成的掃描路徑逐線逐層融化、堆積金屬粉末，沉積成形金屬零件。</p><p>　　金屬激光沉積成形技術(shù)具有如下幾個特征：</p><p>　?。?）通過CAD模型可直接驅(qū)動進(jìn)行加工；</p><p>　?。?）成形過程中無需專用夾具；</p><

35、;p>　?。?）可以制造復(fù)雜的三維立體幾何實(shí)體；</p><p>　　（4）成形過程中人為干預(yù)少甚至不用人為干預(yù)；</p><p>　?。?）適用小批量生產(chǎn)，節(jié)約成本。</p><p>　　對于基于離散、堆積原理的金屬激光沉積成形技術(shù)而言，其成形工藝過程如圖1.1所示：</p><p>　　圖1.1金屬激光沉積成形工藝流程</p&

36、gt;<p>　　圖1.1中所示，金屬激光沉積成形技術(shù)工藝主要由三維建模、模型分層、掃描路徑規(guī)劃、成形加工組成。產(chǎn)品的三維建模采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件（如UG,CATIA ,Solid Works等）進(jìn)行建模，將建立的模型轉(zhuǎn)化為通用的快速原型系統(tǒng)所應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)文件類型（STL格式）；模型的離散分層則根據(jù)不同的加工設(shè)備沉積成形不同材料單層時的高度進(jìn)行逐層劃分，保證加工過程中設(shè)備按照分層高度逐層堆積生成零件；掃描路徑規(guī)劃則使用激光

37、掃描線根據(jù)不同的掃描策略填充每個分層切片，通過合理的掃描順序規(guī)劃可以有效減小加工零件的翹曲變形；成形加工則使用計(jì)算機(jī)控制成形頭（送粉噴嘴與激光頭）按照生成的掃描路徑掃描，逐層堆積材料，最終得到所要加工的產(chǎn)品。</p><p>　　從金屬激光沉積成形技術(shù)的工藝過程可以看出，該技術(shù)與快速原型技術(shù)的基本思路一致，實(shí)質(zhì)是CAD模型驅(qū)動下的激光三維熔覆過程。國內(nèi)外各研究單位對金屬激光沉積成形技術(shù)有不同的命名，但其實(shí)質(zhì)相同，

38、即都是基于同步送粉（送絲）激光熔覆數(shù)字化制造。如美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室-Laser Engineered Net Shaping(LENS)；英國伯明翰大學(xué)-Direct Laser Fabrication(DLF)；加拿大國家研究委員會集成制造技術(shù)研究所-Laser Consolidation ；瑞士洛桑理工學(xué)院-Laser Metal Forming(LMF)；國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)凝固實(shí)驗(yàn)室-激光立體成形（LSF）等。</p&

39、gt;<p>　　1.2金屬激光沉積成形技術(shù)研究現(xiàn)狀</p><p>　　西北工業(yè)大學(xué)凝固實(shí)驗(yàn)室黃衛(wèi)東教授分別從幾種典型合金激光立體成形件的力學(xué)性能、激光立體成形凝固組織形成特性與控制、激光立體成形熱處理研究、激光立體成形過程的冶金缺陷控制、激光立體成形主要技術(shù)應(yīng)用情況、高性能激光修復(fù)等六個方面詳細(xì)闡述了現(xiàn)今金屬激光沉積成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀。值得注意的是黃衛(wèi)東教授指出采用金屬激光沉積成形技術(shù)制造的鈦合

40、金、高溫合金、鋼等常用合金零件的室溫拉伸力學(xué)性能普遍達(dá)到鍛件的標(biāo)準(zhǔn)，由此佐證了采用金屬激光沉積成形技術(shù)制造具有復(fù)雜形狀的高性能金屬結(jié)構(gòu)件的可行性。同時也指出部分合金力學(xué)性能與鍛件的指標(biāo)存在一定的差距，但對于歷史并不久遠(yuǎn)的金屬激光沉積成形技術(shù)來說，并不能由此否定其應(yīng)用價值。相信通過更深入的研究完全可以解決上述問題。</p><p>　　金屬激光沉積成形技術(shù)優(yōu)點(diǎn)突出、應(yīng)用前景廣泛，因此備受國內(nèi)外關(guān)注。國外以美國為主的

41、相關(guān)研究報道較多，并已經(jīng)達(dá)到實(shí)用階段，文獻(xiàn)[2]指出1998年成立的AeroMet公司采用激光沉積成形技術(shù)制造的飛機(jī)零件在美國已經(jīng)獲準(zhǔn)在實(shí)際飛機(jī)上使用，分別為F-22戰(zhàn)斗機(jī)的連接頭與F/A-18E/F的機(jī)翼翼根吊環(huán)和降落連接桿；美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室研究開發(fā)的LENS系統(tǒng)加工零件的精度在x、y方向已經(jīng)達(dá)到0.05mm，z方向精度達(dá)到0.38mm，并可通過逐漸改變粉末成分的方式實(shí)現(xiàn)零件的梯度功能制造；Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)

42、的DLF系統(tǒng)帶有粉末回收裝置，可將未熔化的金屬粉末進(jìn)行回收再利用。該系統(tǒng)可采用四種不同粉末實(shí)現(xiàn)懸臂零件和功能梯度材料的制造，零件表面粗糙度可達(dá)10，精度達(dá)。國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，但所取得的成果也較多，主要涉及金屬激光沉積成形技術(shù)的理論、組織、工藝、設(shè)備、軟件等各方面。如清華大學(xué)研究開發(fā)了激光熔覆成形的同軸送粉系統(tǒng)，并研究了加工過程的閉環(huán)控制；西北工業(yè)大學(xué)凝固實(shí)驗(yàn)室黃衛(wèi)東教授在快速成形工藝、快速成形組織定向凝固和力學(xué)性能方面做了大量的研究

43、工作；北京航空航天大學(xué)王華明[3]教授主</p><p>　　由此可見，僅管采用金屬激光沉積成形技術(shù)制造的零件與采用傳統(tǒng)機(jī)械加工范式加工的零件相比較仍然存在一定的差距，但是該技術(shù)的使用價值已初見端倪，發(fā)展前景不可估量。</p><p>　　1.3金屬激光沉積成形技術(shù)存在的問題</p><p>　　僅管金屬激光沉積成形技術(shù)很多方面優(yōu)于傳統(tǒng)的機(jī)械加工制造技術(shù)，但是由于該

44、技術(shù)過程復(fù)雜、影響因素較多，導(dǎo)致該項(xiàng)技術(shù)在使用過程中仍然存在一些問題亟需解決。</p><p>　　金屬激光沉積成形技術(shù)亟需解決的四個典型問題[4]：</p><p>　　活性金屬激光沉積成形制造動態(tài)保護(hù)</p><p>　　金屬激光沉積成形技術(shù)采用高能激光束局部融化金屬表面逐步堆積生成零件，堆積過程中零件自身溫度較高，根據(jù)不同的工藝參數(shù)零件自身溫度也不盡相同。在沒

45、有保護(hù)措施情況下，活性金屬易與空氣中的氧、氮、氫等元素反應(yīng)，造成零件內(nèi)部雜質(zhì)較多、質(zhì)量低下，從而影響金屬零件的力學(xué)性能。對于活性金屬激光沉積成形制造常采用惰性氣體保護(hù)的方式進(jìn)行沉積制造，上述方式僅適用于小型零件的生產(chǎn)，但對大型構(gòu)件的生產(chǎn)制造仍然存在幾何尺寸限制等問題，因此對活性金屬激光沉積成形技術(shù)的動態(tài)保護(hù)有待進(jìn)一步改進(jìn)。</p><p>　　金屬激光沉積成形制造效率低下、精度不高</p><

46、p>　　僅管金屬激光沉積成形技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展取得了一些成果、積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但與傳統(tǒng)機(jī)械加工相比該技術(shù)仍存在效率低下與精度不高的問題。金屬激光沉積成形制造堆積的速度較低，約為，成形質(zhì)量和精度還處于較低的水平，所制造的零件多屬于近形件，仍需進(jìn)行后續(xù)的機(jī)械加工處理方可使用。</p><p>　　由金屬激光沉積成形技術(shù)離散-堆積的原理可以看出，效率與精度相互矛盾。零件三維模型離散過程中，層與層之間的距離設(shè)置越

47、大，零件的堆積效率越高，同時零件的精度也會隨之降低；再者零件堆積制造過程中，由于熱量累積而導(dǎo)致熔池尺寸和溫度在動態(tài)變化，進(jìn)而直接導(dǎo)致沉積熔覆寬度(熔寬)和沉積熔覆高度(熔高)等過程參量隨之改變，路徑規(guī)劃的關(guān)鍵參數(shù)分層厚度和掃描間距也在隨之改變等實(shí)際情況，這容易造成成形工件的表面凸凹不平、掃描道與道以及成形層與層的熔合不良等缺陷，進(jìn)而影響零件的幾何精度與表面形貌。</p><p>　　金屬激光沉積成形制造過程熱應(yīng)力

48、與應(yīng)變控制</p><p>　　金屬激光沉積成形技術(shù)是以激光為熱源，以金屬粉末為原材料，基于層層疊加制造的快速原型原理，來成形具有三維形狀的金屬零件。沉積成形制造過程中，由于激光光束局部加熱，沉積零件不同部位熱傳導(dǎo)和輻射條件不同，導(dǎo)致零件局部熱量累積集中，造成成形零件內(nèi)部溫度場分布不均勻，局部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而引起成形零件變形開裂的問題，如圖1.2所示。金屬激光沉積成形制造零件變形開裂問題的產(chǎn)生與工藝參數(shù)、

49、組織因素和材料因素等密切相關(guān)，影響因素較多，控制難度較大。金屬零件變形開裂一旦產(chǎn)生與擴(kuò)展，會大大降低零件的使用性能，造成零件的報廢，由此阻礙該技術(shù)順利發(fā)展與拓展應(yīng)用。</p><p>　　圖1.2 零件變形開裂現(xiàn)象</p><p>　　金屬激光沉積成形技術(shù)中掃描路徑的生成</p><p>　　現(xiàn)階段掃描路徑的生成多采用預(yù)先設(shè)置工藝參數(shù)的方式統(tǒng)一生成掃描路徑，加工過程

50、中無法根據(jù)加工現(xiàn)場的情況更改掃描路徑，因此不同的成形設(shè)備在獲得穩(wěn)定加工質(zhì)量前需經(jīng)過大量的參數(shù)摸索優(yōu)化匹配工藝參數(shù)。成形設(shè)備的不同，成形特征亦盡相同；加工工件類型不同，其分層切片也會隨之改變，因此掃描路徑必然不同。現(xiàn)有的掃描路徑生成軟件都是針對不同的成形設(shè)備獨(dú)立開發(fā)的配套軟件，因此掃描路徑生成軟件的通用性仍存在一些問題。</p><p>　　縱觀金屬激光沉積成形技術(shù)存在的四個亟需解決的問題，可以看出該技術(shù)在理論上優(yōu)

51、勢較為顯著，但在工程化應(yīng)用過程中上述問題儼然已成為制約其發(fā)展的瓶頸。</p><p>　　1.4研究目的及主要研究內(nèi)容</p><p>　　從國內(nèi)外金屬激光沉積成形技術(shù)的發(fā)展趨勢、目前狀況及存在的問題看，雖然取得了很大的進(jìn)步，但是在金屬激光沉積成形制造精度不高、表面粗糙、零件變形開裂等問題上一直沒有得到有效的解決方法。</p><p>　　金屬激光沉積成形制造精度與

52、表面形貌研究國內(nèi)外有相關(guān)報道，多采用視覺系統(tǒng)CCD攝像機(jī)、雙色溫度傳感器和位移傳感器組成的監(jiān)測系統(tǒng)反饋調(diào)整工藝參數(shù)對熔覆高度、熔池形狀和溫度分布等進(jìn)行控制，提高成形零件的表面精度，獲得所需性能。如密執(zhí)安大學(xué)的DMD閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)對成形過程熔覆高度進(jìn)行控制，可降低零件表面粗糙度、大大縮短制造周期、降低精加工制造成本；清華大學(xué)直接采用傳感器檢測金屬零件的熔覆高度，通過對送粉量的閉環(huán)控制來維持制造過程中的熔覆高度的穩(wěn)定性。</p>

53、;<p>　　國內(nèi)外學(xué)者主要集中在減小成形零件殘余應(yīng)力提高成形質(zhì)量的研究，眾多學(xué)者做了大量的成形過程溫度場和應(yīng)力場模擬與測量研究工作[5-7]。通過溫度場模擬分析激光功率、送粉速度、掃描速度等工藝參數(shù)以及掃描路徑形式與成形過程溫度場分布變化的內(nèi)在聯(lián)系，指導(dǎo)優(yōu)化工藝參數(shù)和選擇掃描路徑形式,減小成形過程中的溫度梯度，降低零件的殘余應(yīng)力；溫度場測量主要集中在對熔池溫度的監(jiān)測以及熔池形狀輪廓提取研究方面，用于指導(dǎo)工藝參數(shù)的反饋控制

54、以保持熔池溫度和形狀相對穩(wěn)定[8-9]，而且主要采用熱像儀以及CCD彩色測溫法來檢測熔池溫度[10]。</p><p>　　綜上所述，在金屬激光沉積成形制造精度與表面形貌上，多采用閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測熔覆高度調(diào)整加工工藝達(dá)到保證熔覆高度穩(wěn)定性的目的；在減小零件的殘余應(yīng)力上，多采用有限元模擬金屬激光沉積成形制造過程，指導(dǎo)優(yōu)化工藝參數(shù)與掃描策略。因此，在提高零件成形精度與減小成形零件的殘余應(yīng)力方面多采用調(diào)整沉積成

55、形過程中工藝參數(shù)與掃描策略的方式，而基于層面溫度分區(qū)的掃描路徑規(guī)劃未見報道。為了改善零件的成形精度與表面形貌、減小零件的殘余應(yīng)力、提高零件的成形質(zhì)量，本文在研究不同基體溫度對熔寬、熔高的影響規(guī)律基礎(chǔ)上，提出了“基于層面溫度分區(qū)的激光沉積成形適應(yīng)性掃描路徑生成方法”（簡稱“溫度分區(qū)掃描路徑生成方法”），其步驟如下：首先采用熱成像儀對沉積層面溫度進(jìn)行圖像采集；其次對層面溫度圖像進(jìn)行不同溫度區(qū)域劃分，提取溫度分區(qū)輪廓并進(jìn)行規(guī)則化處理；再其次對

56、溫度分區(qū)輪廓與待加工分層輪廓進(jìn)行求“交”處理；最后針對不同溫度分區(qū)采用適應(yīng)性掃描間距生成掃描路徑。</p><p>　　本文的主要研究內(nèi)容包括：基體溫度對熔覆寬度、熔覆高度規(guī)律的影響、沉積層面溫度采集系統(tǒng)的搭建、溫度分區(qū)輪廓提取與規(guī)則化處理、溫度分區(qū)輪廓與分層輪廓的“交”運(yùn)算、分區(qū)變間距掃描的路徑生成。</p><p>　　第2章 成形溫度對成形尺寸及應(yīng)力分布的影響規(guī)律</p>

57、<p>　　金屬激光沉積成形制造精度不高、表面粗糙、零件變形開裂等問題一直阻礙著金屬激光沉積成形技術(shù)的發(fā)展，本文提出基于層面溫度分區(qū)的激光沉積成形適應(yīng)性掃描路徑生成方法能否有效解決上述問題關(guān)系到該技術(shù)未來的發(fā)展能否順利進(jìn)行。因此有必要找出基體溫度對熔寬、熔高的影響規(guī)律并探索采用溫度分區(qū)是否能夠達(dá)到減小殘余熱應(yīng)力的效果，進(jìn)而提高零件的形狀精度、降低成形零件的殘余應(yīng)力。</p><p>　　2.1基體溫

58、度對熔寬、熔高的影響規(guī)律</p><p>　　龍日升等人指出沉積層面溫度的變化導(dǎo)致加工過程中的熔寬、熔高發(fā)生改變。找出熔寬、熔高隨基體溫度的變化規(guī)律，可為基于層面溫度分區(qū)生成適應(yīng)性掃描路徑提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。</p><p>　　2.1.1基體溫度對單道多層熔寬、熔高的影響規(guī)律</p><p>　　采用TA15粉末，在激光功率1700w、激光光斑5mm、掃描速度7mm/s

59、、送粉率9g/min條件下，利用自行研制的金屬激光沉積成形設(shè)備與基體預(yù)熱裝置進(jìn)行單道多層熔覆試驗(yàn)。基體溫度分別是室溫 (20℃)、200℃、400℃、600℃進(jìn)行沉積試驗(yàn)，沉積5層。為了減小測量誤差，熔寬、熔高分別采取多次測量，取其平均值為計(jì)數(shù)值。</p><p>　　圖2.1所示為4種不同基體溫度狀態(tài)下熔寬、熔高的變化曲線圖。圖2.1(a)與圖2.1(b)可以看出不同基體溫度下，熔寬、熔高呈增大趨勢。相比之下，

60、熔高變化較小，600℃時熔高增大0.04mm，變化量為室溫時熔高的7%；而熔寬變化較為明顯，由圖2.1(b)可以看出與基體溫度呈線性關(guān)系，600℃時熔寬增大0.8mm，變化量為室溫時熔寬的19%。對比熔覆熔寬、熔覆高度大小可知，單層單道情況下同一基體溫度熔覆熔寬遠(yuǎn)大于熔覆高度數(shù)值。由此可見，基體的溫度變化對金屬激光沉積成形的熔寬影響較大，導(dǎo)致金屬激光沉積成形過程中道與道之間的搭接率改變，容易發(fā)生熔合不良，造成成形工件表面形貌粗糙等問題[

61、11]。</p><p>　　(a)熔高曲線圖 </p><p><b>　　(b)熔寬曲線圖</b></p><p>　　圖2.1熔寬和熔高變化曲線圖</p><p>　　2.1.2基體溫度對多道多層熔寬、熔高的影響規(guī)律</p><p>　　采用TA15粉末，在激光功率1700w、激光光斑5m

62、m、掃描速度7mm/s、掃描間距2mm、送粉率9g/min條件下，利用自行研制的金屬激光沉積成形設(shè)備與基體預(yù)熱裝置進(jìn)行多道多層熔覆試驗(yàn)?；w溫度分別是室溫 (20℃)、100℃、200℃、300℃進(jìn)行沉積成形，沉積5層。如圖2.2所示為上述不同基體溫度下沉積成形制造實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　(a) 20℃ (b) 100℃ (c) 200℃ (d) 300℃</p>&

63、lt;p>　　圖2.2多層多道不同基體溫度沉積實(shí)驗(yàn)</p><p>　　不同基體溫度下多道多層實(shí)驗(yàn)熔寬、熔高統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2.1所示。從表2.1統(tǒng)計(jì)結(jié)果所示可知，熔覆寬度、熔覆高度隨基體溫度變化較小，即多道多層堆積成形下基體溫度對熔覆寬度與熔覆高度的影響較小。對比表中熔寬、熔高數(shù)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，同一基體溫度下熔覆高度大于熔覆寬度，約為熔覆寬度2倍。</p><p>　　表2.1多層多道

64、不同基體溫度沉積成形實(shí)驗(yàn)熔寬、熔高統(tǒng)計(jì)表</p><p>　　表2.1所示與圖2.1所示的數(shù)據(jù)規(guī)律并不矛盾，圖2.1所示數(shù)據(jù)對應(yīng)于不同基體溫度下單道多層的熔覆實(shí)驗(yàn)，沉積成形中的熔池只受到平行于掃描方向上的約束，因此單道多層沉積成形的熔覆寬度較大、熔覆高度較?。槐?.1所示數(shù)據(jù)對應(yīng)于不同基體溫度下多道多層的熔覆實(shí)驗(yàn)，沉積成形中的熔池不僅受到平行于掃描方向上的約束并有垂直于掃描方向的約束，且相鄰兩成形道之間存在搭接的

65、現(xiàn)象，搭接率約為50%，因此多道多層沉積成形的熔覆高度大于熔覆寬度。</p><p>　　金屬激光沉積成形技術(shù)是根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）的模型逐線、逐層堆積成形，因此基體溫度對單道多層沉積成形熔覆寬度、熔覆高度的影響必然會延續(xù)至對多道多層堆積熔覆過程中。而表2.1所示的數(shù)據(jù)顯示基體溫度對多道多層實(shí)驗(yàn)的熔覆寬度、熔覆高度影響較小，其原因有二：第一、由于金屬激光沉積成形技術(shù)中多道多層沉積成形過程相鄰兩道間具有搭接

66、現(xiàn)象的特殊性，導(dǎo)致每一道沉積過程中熔覆寬度、熔覆高度的誤差并沒有累積至下一條沉積道，而是影響相鄰兩個道間的搭接率，因此并沒有影響每一沉積層的幾何尺寸；第二、楊小虎[12-13]等人指出金屬激光沉積成形制造過程中，激光功率較大時且粉末處于負(fù)離焦條件下存在“形貌自愈合效應(yīng)”，可有效提高零件的成形精度。</p><p>　　綜上所述，基體溫度的變化會導(dǎo)致多道多層堆積過程中相鄰兩道之間的搭接率改變，影響成形零件的內(nèi)部質(zhì)量

67、，對成形零件的幾何精度影響較小。金屬激光沉積成形過程中的“形貌自愈合效應(yīng)”可有效避免基體溫度對單道多層沉積成形熔覆寬度、熔覆高度的影響在多道多層沉積成形時的延續(xù)，并可提高零件的成形精度。</p><p><b>　　2.1.3結(jié)論</b></p><p>　　對比上述兩個實(shí)驗(yàn)可知，基體溫度對單層單道熔覆時熔寬、熔高的影響較大，而對多層多道熔覆時的熔寬、熔高影響較小。因

68、此，基體溫度對金屬激光沉積成形制造的影響表現(xiàn)在沉積過程中掃描道與道間搭接率的改變，而對成形精度的影響主要表現(xiàn)在表面形貌的影響，對幾何精度的影響不大。</p><p>　　2.2掃描路徑對零件殘余應(yīng)力與變形的影響</p><p>　　金屬激光沉積成形制造過程中殘余熱應(yīng)力是殘余應(yīng)力的重要組成部分，國內(nèi)外眾多學(xué)者做過相關(guān)研究以減小金屬激光沉積成形制造后的殘余應(yīng)力，并指出了殘余應(yīng)力的生成原因。&l

69、t;/p><p>　　文獻(xiàn)[14]指出激光金屬沉積成形過程中巨大的溫度梯度使得沉積過程中產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力沒有完全釋放便產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力。文獻(xiàn)[15]指出大的溫度梯度造成熔覆層的收縮變形，將受到周圍較冷區(qū)域的約束，結(jié)果在熔覆層中形成內(nèi)應(yīng)力。文獻(xiàn)[16]則指出局部熱輸入造成溫度分布不均勻，使得熔池及周圍材料產(chǎn)生熱應(yīng)力，在冷卻和凝固時相互制約引起局部塑形變形進(jìn)而產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力。由此可見，巨大的溫度梯度以及熔池凝

70、固過程中的局部塑形變形造成殘余熱應(yīng)力，當(dāng)金屬激光沉積成形過程中的殘余熱應(yīng)力未完全釋放，便造成了殘余應(yīng)力。</p><p>　　2.2.1不同掃描方式下成形零件表面應(yīng)力的對比</p><p>　　本小節(jié)將傳統(tǒng)激光沉積成形方式與人為溫度分區(qū)方式進(jìn)行對比探討溫度分區(qū)對殘余應(yīng)力的影響。圖2.3所示為采用不同激光沉積成形制造方式成形的矩形塊，圖2.3（a）為采用傳統(tǒng)成形方式沉積的矩形塊，沉積過程中未

71、考慮溫度的影響；圖2.3（b）為圖2.3（a）沉積過程中層面溫度偽色彩圖，反應(yīng)的是沉積過程中層面溫度的分布情況，由圖2.3（b）可以看出沉積過程中矩形塊中心位置的溫度高于其邊緣部分的溫度；圖2.3（c）所示為采用人為溫度分區(qū)方式成形的矩形塊，該方式在沉積過程中優(yōu)先掃描兩邊區(qū)域其次掃描中間區(qū)域，避免出現(xiàn)圖2.3（b）所示由于溫度累計(jì)導(dǎo)致的中心區(qū)域溫度過高的現(xiàn)象。</p><p>　　采用中國科學(xué)院金屬研究所研制的K

72、JS-3型壓痕應(yīng)力測試儀[17]檢測兩種不同掃描方式下成形零件的表面殘余應(yīng)力。圖2.4所示為采用不同激光沉積成形方式下零件表面的應(yīng)力分布，其中圖2.4（a）為平行于掃描方向應(yīng)力圖，圖2.4（b）為垂直于掃描方向應(yīng)力圖。對比圖2.4（a）、2.4（b）可知，采用人為溫度分區(qū)方式成形的矩形塊表面應(yīng)力分布在平行于掃描方向上應(yīng)力明顯小于采用傳統(tǒng)加工方式成形的矩形塊表面應(yīng)力分布；圖2.4中對比兩種不同掃描方式下應(yīng)力分布可知，無論是平行于掃描方向還

73、是垂直于掃描方向，采用人為溫度分區(qū)方式成形的零件的表面應(yīng)力分布都小于采用傳統(tǒng)方式成形的矩形塊的表面應(yīng)力分布，且中間高溫區(qū)域表面應(yīng)力小于兩邊低溫區(qū)域表面的應(yīng)力。</p><p>　　(a) 傳統(tǒng)制造方式 （b）層面溫度偽色彩圖 （c）人為溫度分區(qū)的方式</p><p>　　圖2.3不同激光沉積成形制造方式的對比</p><p>　　(a) 平行于掃描方

74、向應(yīng)力 （b）垂直于掃描方向應(yīng)力</p><p>　　圖2.4不同激光沉積成形制造方式下的應(yīng)力分布</p><p>　　2.2.2不同掃描方式下成形零件變形量的對比</p><p>　　采用溫度分區(qū)的方式沉積成形制造金屬零件的目的是為了減小成形零件整體殘余應(yīng)力，鑒于目前殘余應(yīng)力測量手段[18]只能檢測零件表面的殘余應(yīng)力且無法

75、實(shí)時檢測金屬激光沉積成形制造過程中殘余應(yīng)力的實(shí)際情況，本文通過沉積成形制造所使用基板變形量的大小來反應(yīng)成形零件的整體殘余應(yīng)力的大小。</p><p>　　表2.2不同掃描方式下基板變形量統(tǒng)計(jì)表</p><p>　　圖2.3（a）與圖2.3（c）所示實(shí)驗(yàn)基板的變形量如表2.2所示，表2.2中所示采用傳統(tǒng)制造方式沉積成形的零件在平行于掃描方向與垂直于掃描方向上的變形量皆大于采用人為溫度分區(qū)方式

76、成形的零件的變形量；采用人為溫度分區(qū)方式成形零件的變形量在平行于掃描方向約為采用傳統(tǒng)制造方式沉積成形零件變形量的75%，在垂直于掃描方向上的變形量約為采用傳統(tǒng)制造方式沉積成形零件變形量的50%。由此可見，采用溫度分區(qū)方式沉積成形的零件整體殘余應(yīng)力有所降低，基板變形量也呈減小趨勢。</p><p><b>　　2.2.3結(jié)論</b></p><p>　　金屬激光沉積成形

77、制造中，對比兩種不同方式成形的金屬零件，得出以下結(jié)論：采用人為溫度分區(qū)方式成形的金屬零件表面應(yīng)力要小于采用傳統(tǒng)方式成形的金屬零件的表面應(yīng)力，且有上述兩種方式成形零件兩端的表面應(yīng)力小于中間區(qū)域的表面應(yīng)力；采用人為溫度分區(qū)方式成形金屬零件的基板變形量在平行于掃描方向與垂直于掃描方向上皆小于傳統(tǒng)方式成形的金屬零件的基板變形量，由此佐證溫度分區(qū)方式可有效降低成形零件整體的殘余應(yīng)力。</p><p><b>　　

78、2.3本章小結(jié)</b></p><p>　　金屬激光沉積成形制造過程中由于溫度的累計(jì)導(dǎo)致基體溫度升高，影響沉積成形制造過程中熔覆寬度與熔覆高度。隨著基體溫度的增高，熔覆寬度逐漸增大，進(jìn)而影響零件沉積成形過程道與道之間的搭接率，造成熔合不良等問題，導(dǎo)致成形零件表面形貌粗糙、成形精度不高的現(xiàn)象發(fā)生。</p><p>　　沉積成形過程中的巨大溫度梯度給成形零件帶來巨大的熱應(yīng)力，未完全

79、釋放的熱應(yīng)力造成成形后的零件內(nèi)部形成較大的殘余應(yīng)力，易使得零件發(fā)生變形開裂問題。通過人為溫度分區(qū)的方式減小成形零件表面的殘余應(yīng)力與成形零件整體的殘余應(yīng)力，進(jìn)而有效控制了成形零件的變形量，由此佐證了通過溫度分區(qū)方式減小金屬激光沉積成形技術(shù)中殘余應(yīng)力的可行性。</p><p>　　第3章 成形層面溫度采集及紅外圖像的溫度分區(qū)輪廓提取方法</p><p>　　圖像采集和溫度分區(qū)識別是分區(qū)掃描路徑

80、生成的前提，而采集的紅外圖像的不同溫度分區(qū)輪廓能否提取又關(guān)系到不同溫度區(qū)域掃描路徑能否生成?；谏鲜鲈?，必需搭建金屬激光沉積成形制造成形層面溫度采集系統(tǒng)、設(shè)計(jì)出紅外圖像不同溫度分區(qū)輪廓的提取算法。</p><p>　　3.1激光沉積層面溫度采集系統(tǒng)搭建</p><p>　　采用MAG30HT紅外熱像儀作為測溫工具，非接觸測量激光沉積成形過程中的層面溫度分布；通過數(shù)據(jù)線將測量的數(shù)據(jù)傳送給計(jì)

81、算機(jī)，測溫示意圖如圖3.1所示。金屬激光沉積成形制造過程中送粉噴嘴與MAG30HT紅外熱像儀位置固定不變，通過數(shù)控系統(tǒng)改變沉積成形零件所在工作臺的位置控制沉積成形零件的掃描路徑與激光沉積成形過程中層面溫度的采集。</p><p>　　1.送粉噴嘴 2.金屬激光沉積成形零件 3. MAG30HT紅外熱像儀 4.計(jì)算機(jī)</p><p>　　圖3.1 激光沉積層面溫度的紅外熱像測量示意圖&

82、lt;/p><p>　　MAG30HT紅外熱像儀測溫范圍250 ℃-1600 ℃，測量精度2%。由于不同材料的發(fā)射率[19]不盡相同，為實(shí)現(xiàn)對不同材料工件沉積層面溫度的準(zhǔn)確測量，采用XMT-8112溫控儀、分度號為K級的WRN-130熱電偶對熱成像儀進(jìn)行溫度標(biāo)定，調(diào)整準(zhǔn)確的發(fā)射率，減小測量誤差。XMT-8112溫控儀測溫精度為與可調(diào)，量程1300℃，滿足對熱成像儀的溫度標(biāo)定要求。高溫狀態(tài)下活性金屬易與空氣中的氧、氮、

83、氫等元素反應(yīng)，溫度標(biāo)定過程需在惰性氣體（氬氣）保護(hù)環(huán)境中進(jìn)行。通過XMT-8112溫控儀將待標(biāo)定金屬板加熱至600℃，保溫20min，待標(biāo)定金屬板溫度分布均勻再對其進(jìn)行溫度標(biāo)定。</p><p>　　金屬激光沉積成形過程中熔池溫度通常可達(dá)1800 ℃以上，溫度分布以熔池為中心向四周逐漸減小，熔池內(nèi)溫度持續(xù)時間較短且高溫區(qū)域位置隨著熔池位置的改變而改變，故此時對成形層面進(jìn)行溫度提取并進(jìn)行溫度分區(qū)沒有意義。為避免高溫

84、區(qū)域隨著熔池位置的變化而改變，故等到當(dāng)前沉積層面加工完成，將加工工件移動至指定位置再對其進(jìn)行溫度提取。移動加工工件至指定提取溫度位置的過程中，工件溫度迅速下降，通常降至1000℃左右,遠(yuǎn)小于加工過程中的溫度值，但沉積層面的高溫區(qū)域位置分布并未改變，因此可反映基體溫度的分布情況，故采用該方法進(jìn)行溫度提取比較合理。</p><p>　　3.2 圖像的幾何坐標(biāo)計(jì)算與轉(zhuǎn)換</p><p>　　計(jì)算

85、機(jī)采集到溫度數(shù)據(jù)的同時，需對這些數(shù)據(jù)按溫度進(jìn)行圖像分區(qū)處理，并將其分區(qū)輪廓匹配到實(shí)際沉積層面中，才能應(yīng)用到實(shí)時動態(tài)適應(yīng)性掃描路徑規(guī)劃中；因此，需將熱成像儀采集到紅外圖像中的溫度分區(qū)輪廓坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為零件模型中的坐標(biāo)。</p><p>　　3.2.1 紅外圖像的幾何坐標(biāo)計(jì)算</p><p>　　由于金屬激光沉積成形過程中，工件的位置可以通過數(shù)控平臺精確運(yùn)動控制移動至指定位置，故只需對熱成像儀進(jìn)行

86、一次幾何標(biāo)定即可，而重點(diǎn)集中在平面視覺測量方面。平面視覺測量技術(shù)比較成熟，國內(nèi)外學(xué)者在此方面研究報道較多，如周擁軍[20]等人提出一種僅需距離控制的模型試驗(yàn)平面位移場單像素視覺測量方法，使其可用于亞毫米級平面位移測量。在紅外測量方面也進(jìn)行著同樣的研究，通過兩幅二維圖像即可重建構(gòu)件的三維特征[21、22]。在視覺測量方面的研究主要在解決測量精度的問題上面，目前平面視覺測量與立體視覺測量的測量誤差已經(jīng)低于1毫米[23]。但在帶來高精度的同時

87、，算法設(shè)計(jì)較復(fù)雜，是以犧牲計(jì)算機(jī)運(yùn)行時間為代價的，不滿足沉積層面紅外溫度檢測分區(qū)和實(shí)時動態(tài)適應(yīng)性掃描路徑規(guī)劃快速性的要求。</p><p>　　結(jié)合沉積層面溫度分區(qū)的分區(qū)溫度范圍大(十度量級)和不同溫度分區(qū)輪廓精度要求不高(幾毫米量級)的實(shí)際需求，提出了基于像素范圍與測量距離匹配計(jì)算的紅外熱像儀快速測量方法，可通過紅外圖像及溫度數(shù)據(jù)快速計(jì)算被拍攝物體的幾何尺寸，實(shí)現(xiàn)沉積層面溫度分區(qū)及其幾何尺寸的匹配。</p

88、><p>　　圖3.2 紅外熱像儀采集圖像示意圖</p><p>　　MAG30HT紅外熱像儀的鏡頭像素：384×288，當(dāng)焦距為10 mm時，視場角為57.4°×42.4°，以標(biāo)準(zhǔn)鏡頭距離被測工件1 m為例，紅外熱像儀采集圖像示意圖如圖3.2所示。</p><p>　　基于像素范圍與測量距離匹配計(jì)算的紅外熱像儀快速測量原理圖如

89、圖3.3所示:其中a為視場角，h為鏡頭與被測物體的距離，L為h處的平面距離；且有：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　由式(3.1)可知，熱像儀拍攝h處工件的平面幾何尺寸與熱像儀的視場角以及鏡頭與被測工件的距離有關(guān)。代入視場角α為57.4°×42.4°，h為1000 mm，可計(jì)算出L分別為1094.9 m

90、m和775.75 mm。該熱像儀的像素為384×288，則每一像素點(diǎn)可近似的看作長度為2.85 mm，寬度為2.694 mm的微小區(qū)域。</p><p>　　圖3.3 紅外熱像儀快速測量原理圖</p><p>　　以圖像坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，xn為圖像中X軸坐標(biāo)，yn為圖像中Y軸坐標(biāo)，則某點(diǎn)在圖像中的像素坐標(biāo)(xn,yn)對應(yīng)的幾何坐標(biāo)為 (2.85×xn,2.694×

91、;yn)。</p><p>　　在圖像中按溫度范圍對像素進(jìn)行分區(qū)，通過像素范圍與鏡頭距離匹配計(jì)算就可以計(jì)算出各分區(qū)對應(yīng)的幾何尺寸。例如，在圖像中被拍攝物體對應(yīng)的像素100×150，那么被拍攝物體的幾何尺寸就是285 mm×404.1 mm。</p><p>　　3.2.2 紅外圖像的坐標(biāo)變換</p><p>　　將圖像的幾何坐標(biāo)匹配到工件模型中的

92、坐標(biāo)還需進(jìn)一步的坐標(biāo)變換，為滿足快速采集圖像的需求，實(shí)際操作中將工件移動至熱像儀的正下方標(biāo)定位置采集層面溫度圖像，并調(diào)整熱成像儀對應(yīng)的圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸與工件模型的坐標(biāo)軸平行。此時像素點(diǎn)的幾何坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為工件模型的坐標(biāo)只需進(jìn)行坐標(biāo)偏移即可，如式(3.2)所示：</p><p><b>　　(3.2)</b></p><p>　　(x,y,z)為像素點(diǎn)在工件模型中的三維坐

93、標(biāo)，(x’,y’,z’)為像素點(diǎn)對應(yīng)于圖像中的幾何坐標(biāo)，(x_offset,y_offset)為坐標(biāo)的偏移量。z與z’取值都取為工件模型的當(dāng)前分層高度。</p><p>　　3.3 層面溫度分區(qū)輪廓的提取</p><p>　　采用熱像儀自帶的ThermoX軟件可以對金屬激光沉積成形制造過程的溫度場分布進(jìn)行記錄；而本文中層面溫度分區(qū)輪廓提取算法是基于其SDK開發(fā)包而開發(fā)實(shí)現(xiàn)的，將熱像儀記錄的

94、溫度數(shù)據(jù)作為層面溫度分區(qū)及分區(qū)路徑規(guī)劃的數(shù)據(jù)源。</p><p>　　3.3.1 圖像數(shù)據(jù)的存儲表達(dá)</p><p>　　熱像儀傳遞位圖圖像的同時傳遞每個像素點(diǎn)的溫度值。本文通過建立CPoint2D類，來存放圖像像素點(diǎn)的信息，便于對每一像素點(diǎn)的溫度值進(jìn)行操作。</p><p>　　CPoint2D定義如下：</p><p>　　class C

95、Point2D </p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　public:</b></p><p>　　float x_coor;</p><p>　　float y_coor;</p><p>　　float z_coor;</p>

96、<p>　　float m_Value;</p><p>　　bool m_use;</p><p>　　CPoint2D* UpPoint;</p><p>　　CPoint2D* DownPoint;</p><p><b>　　public:</b></p><p>　　CPo

97、int2D();</p><p>　　CPoint2D(float x, float y，float z);</p><p>　　virtual ~CPoint2D();</p><p>　　void SetCoordinateValue(float x, float y，float z);</p><p><b>　　};<

98、/b></p><p>　　其中x_coor、y_coor、z_coor分別用于存放x、y、z坐標(biāo)，可通過類初始化進(jìn)行賦值或通過SetCoordinateValue（）成員函數(shù)進(jìn)行賦值；m_Value用于存放該像素點(diǎn)對應(yīng)的溫度值。m_use用來標(biāo)記該點(diǎn)與給定閾值的大小關(guān)系；UpPoint、DownPoint為其中一像素點(diǎn)左右相鄰點(diǎn)的指針。</p><p>　　3.3.2 溫度分區(qū)輪廓

99、的提取</p><p>　　由于溫度分布是連續(xù)而非量化的，故現(xiàn)實(shí)中的溫度場分布也是連續(xù)的。紅外熱像儀測量時，每一像素檢測的溫度值是某一微小區(qū)域的平均值，則相鄰像素點(diǎn)的溫度值并非完全連續(xù)。實(shí)際應(yīng)用中，將熱像儀檢測的溫度值作為連續(xù)溫度處理，只需給定某一溫度范圍即可在紅外圖像中尋找出一片連續(xù)的封閉區(qū)域。為了清晰描述輪廓提取算法，本文只設(shè)置一個溫度閾值，將溫度圖像分兩個不同的區(qū)域，大于閾值的稱為高溫區(qū)域，低于閾值的稱為低

100、溫區(qū)域。</p><p>　　紅外圖像溫度分區(qū)邊緣輪廓提取可分為三個步驟：首先，采用閾值法對圖像進(jìn)行二值化處理；其次，去除高溫區(qū)域；再次，提取分區(qū)輪廓。如圖3.4所示，3.4（a）</p><p>　　(a) 原始圖像 (b) 二值化處理</p><p>　　(c) 提取邊緣輪廓</p><p>　　圖

101、3.4 溫度分區(qū)輪廓提取</p><p>　　所示為金屬激光沉積成形過程中的某一溫度偽色彩圖；3.4（b）所示為對3.4（a）中溫度偽色彩圖進(jìn)行進(jìn)行二值化處理后的圖像，圖中白色區(qū)域?yàn)榇笥诮o定閾值的部分，黑色區(qū)域?yàn)樾∮诮o定閾值的部分；3.4（c）為對3.4（b）二值化處理后的圖像提取邊緣輪廓圖。</p><p>　　紅外圖像的二值化處理通過對像素點(diǎn)CPoint2D類中的m_use變量進(jìn)行操

102、作來實(shí)現(xiàn)，既可以保持原有的溫度信息不變又便于后續(xù)處理。大于閾值的點(diǎn)的m_use賦值為真，否則賦值為假。圖3.4(b)中白色顯示的是m_use為真的點(diǎn)，而黑色顯示的是m_use為假的點(diǎn)。由圖3.4(b)可知，白色的點(diǎn)共有兩種情況：一種情況是白點(diǎn)周邊八個點(diǎn)中有黑點(diǎn)；另一種情況是白點(diǎn)的周邊全是白色的點(diǎn)。第一種情況的點(diǎn)為邊緣輪廓點(diǎn)，是溫度分區(qū)交界處的點(diǎn)；第二種情況的白點(diǎn)為大于閾值區(qū)內(nèi)部的點(diǎn)，為了方面邊緣輪廓的提取，剔除大于閾值區(qū)內(nèi)部的點(diǎn)。將滿足

103、第二種情況的所有點(diǎn)剔除即為去除高溫區(qū)域過程。</p><p>　　本文采用邊緣檢測法(又稱“八鄰域追蹤法”[24、25])對不同溫度分區(qū)的輪廓進(jìn)行提?。菏紫?，獲取輪廓上的一個點(diǎn)作為起始點(diǎn)；其次，對該點(diǎn)的八個方向的點(diǎn)依次進(jìn)行探測，找到與其相鄰的邊界點(diǎn)，并將該相鄰的點(diǎn)作為新的起點(diǎn)尋找下一個與其相鄰的點(diǎn)；以此類推，直至提取完成所有的輪廓點(diǎn)；形成若干個環(huán)。環(huán)的存儲格式采用線性表的形式進(jìn)行存儲；而環(huán)中的每一點(diǎn)的儲存格式采用

104、二叉樹的格式進(jìn)行存儲。提取邊緣輪廓點(diǎn)結(jié)果示意圖如圖3.4(c)所示。</p><p>　　3.3.3 溫度分區(qū)輪廓的閉合連接</p><p>　　邊緣檢測法算法簡單、運(yùn)算速度快，但由于噪音的影響，對于一個封閉分區(qū)圖像提取邊緣輪廓時常出現(xiàn)斷環(huán)或孤立點(diǎn)的現(xiàn)象。如圖3.5所示，圖3.5(a)為斷環(huán)現(xiàn)象，圖3.5(b)中紅圈內(nèi)為孤立點(diǎn)現(xiàn)象。圖3.5(b)為圖3.4(b)中虛線部分放大處理后圖像。&

105、lt;/p><p>　　如圖3.6所示，白色點(diǎn)表示低溫區(qū)域，紅色點(diǎn)表示高溫區(qū)域，而黑色點(diǎn)組成了邊緣輪廓。由于噪音點(diǎn)A1的存在，使得基于邊緣檢測法提取邊緣輪廓時在P1、P2點(diǎn)處存在二義性。即當(dāng)追蹤至P2處時，可以繼續(xù)往下追蹤，并能提取一個完整的環(huán)；但當(dāng)追蹤至P1處時，由于P1處無法向下繼續(xù)追蹤，此時便出現(xiàn)斷環(huán)現(xiàn)象。</p><p><b>　　(a) 斷環(huán)</b></

106、p><p><b>　　(b) 孤立點(diǎn)</b></p><p>　　圖3.5 斷環(huán)示例</p><p>　　圖3.6 斷環(huán)形成示意圖</p><p>　　關(guān)于圖像的噪音點(diǎn)的去除，劉盛鵬[26]等人提出了一種基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的Contourlet變換域圖像降噪方法，有效去除圖像中具有較小支撐域的噪音,并保留具有連續(xù)支撐域的圖

107、像邊緣信息；而石振剛[27]等人采用多層次模糊增強(qiáng)邊緣提取算法與平滑濾波處理相結(jié)合的方法，具有良好的抗噪性能和較強(qiáng)的細(xì)節(jié)保持能力，對弱邊緣具有較強(qiáng)的檢測能力。這些降噪處理算法可以很好的過濾噪音點(diǎn)，但它們主要針對整幅圖像的降噪處理，在過濾噪音點(diǎn)的過程中需要進(jìn)行大量的運(yùn)算。</p><p>　　本文目標(biāo)是要提取出溫度分區(qū)輪廓，而溫度分區(qū)輪廓環(huán)所含像素個數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整幅圖像中像素的個數(shù)，故對分區(qū)輪廓環(huán)進(jìn)行降噪處理運(yùn)算量遠(yuǎn)