盾构关重件激光熔覆精准再制造熔池监测系统研究

摘要

盾构机是近十年来中国逐步形成的具有自主知识产权的“大国重器”，在国家重大地下隧道工程施工、煤炭开采以及新近开展的“川藏线建设”中发挥了不可取代的作用。其关重件（刀盘、主驱动）的可靠运行是盾构行业健康、快速、可持续发展的重要保障。激光熔覆再制造是基于激光沉积技术原理，实现零部件损伤部位尺寸恢复和零部件性能提升的重要手段。目前，利用激光熔覆技术对精度要求较高的产品进行成形时，通常采用实验优化工艺参数以及路径规划的方式来完成。但是在激光熔覆沉积成形过程中，由于热堆积作用引起的热输入量难以控制，从而导致实际成形精度难以满足预期的成形精度，这种不可控性在多层曲面再制造成形过程中尤为明显。因此，在激光熔覆沉积过程中，对激光熔覆熔池的温度以及形状进行监测是实现精准再制造的关键，也是引领激光熔覆再制造技术“跨代式”发展的保障。 本文针对上述问题，围绕盾构关重件激光熔覆精准再制造成形问题，构建了基于彩色CCD相机的熔池实时监测系统平台，利用圆形光斑的光纤激光器，以Fe-Cr-B球形合金粉末进行熔覆实验，通过获得的熔池温度、尺寸数据，建立了激光熔覆工艺参数与熔池温度、形状之间的相关性。主要研究内容如下： （1）研究了高温辐射体的图像处理算法。对监测过程中存在的镜头畸变和图像畸变进行了校正，在此基础上，对熔池图像的实际尺寸进行了标定。采用中值滤波加维纳滤波相结合的图像预处理方法降低了熔覆过程中的噪声和干扰。进一步通过温度阈值分割方法提高了图像分割的速度，采最后，基于先闭操作后开操作的形态学处理方法减小了分割后图像存在游离点和空穴的干扰。 （2）研究了彩色CCD测温技术。通过分析彩色CCD比色测温原理，在黑体炉标定实验分析的基础上，提出了基于激光熔覆熔池表征的分温度段比色测温方法。获得了校正响应带宽系数的温度计算模型和多项式拟合的温度计算模型，确定了不同温度段的温度计算模型，实现了全温度段测温绝对误差低于3.5℃。 （3）开发了盾构关重件激光熔覆熔池监测系统。利用彩色CCD相机及相应的光学系统、实验设备搭建熔池监测系统的硬件平台，利用LabVIEW编程软件和Opencv视觉库构建系统的软件平台。通过应用高温辐射体的图像处理算法和彩色CCD测温技术，实现了激光熔覆熔池形状、温度信号的获取。 （4）研究了激光熔覆工艺参数对熔池形状和温度的影响。建立了激光熔覆熔池温度、形状表征方法。结果表明：在盾构关重件激光精密再制造系统开发中，优先考虑选用熔池宽度作为输入量进行控制更为合适。

目录

声明

致谢

变量注释表

1绪论

1.1课题来源

1.2研究背景和意义

1.3再制造国内外研究现状

1.3.1再制造方法国内外研究现状

1.3.2激光熔覆再制造研究现状

1.3.3激光熔覆熔池形状检测技术研究现状

1.3.4激光熔覆熔池温度检测技术研究现状

1.4熔池检测研究存在的问题

1.5.1课题主要研究内容

1.5.2课题研究的技术路线图

2 高温辐射体的图像处理算法研究

2.1高温辐射图像标定方法

2.1.1镜头畸变校正

2.1.2图像畸变校正及尺寸标定

2.2 高温辐射图像预处理

2.2.1熔池目标区域提取

2.1.2辐射图像去噪

2.3高温辐射图像分割

2.3.1温度阈值分割方法

2.3.2形态学图像处理

2.4本章小结

3 彩色CCD测温技术研究

3.1比色测温原理

3.1.1黑体辐射定律

3.1.2比色测温法

3.2彩色CCD比色测温原理

3.2.1彩色CCD比色测温法

3.2.2彩色CCD比色测温误差分析

3.2.3彩色CCD比色测温误差校正

3.3彩色CCD比色测温系统标定

3.3.1彩色CCD比色测温标定方法

3.3.2彩色CCD比色测温标定实验

3.3.3彩色CCD比色测温标定分析

3.4标定数据结果及分析

3.4.1校正响应带宽系数的温度计算模型

3.4.2多项式拟合的温度计算模型

3.5温度计算模型讨论

3.6本章小结

4盾构关重件激光熔覆熔池监测系统构建

4.1激光熔覆熔池监测系统总体结构

4.2熔池监测系统硬件平台构建

4.2.1激光熔覆熔池监测方法

4.2.2彩色CCD相机主要参数

4.2.3光学配件主要参数

4.2.4相机固定支架及保护罩

4.2.5盾构关重件激光熔覆设备

4.3熔池监测系统软件平台开发

4.3.1软件总体功能及设计

4.3.2软件模块设计

4.4熔池监测系统的功能实现

4.4.1“实时采集”功能

4.4.2“实时监测”功能

4.4.3“离线分析”功能

4.5本章小结

5 盾构关重件激光熔覆熔池形状、温度监测实验

5.1实验设备

5.2实验粉末

5.3实验内容

5.4实验结果与分析

5.4.1激光功率对熔池温度、形状影响的研究

5.4.2扫描速度对熔池温度、形状的影响研究

5.4.3送粉率对熔池温度、形状的影响研究

5.5本章小结

6 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

附录1

附录2

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