CN110616427A - 一种内孔激光熔覆高度控制系统及方法 - Google Patents

一种内孔激光熔覆高度控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种内孔激光熔覆高度控制系统，包括控制系统与内孔熔覆头；一种内孔激光熔覆高度控制方法，建立空间直角坐标系，将指示光束朝激光扫描方向偏移适当的距离，在CCD图像中获取指示光束光斑相对于熔池的实际偏移量，根据指示光束光斑偏移距离与工件表面偏移距离之间的数学关系，计算得到内孔熔覆头与工件表面的实际距离与标准距离的偏差，并控制内孔熔覆头调整高度。本发明实时调节内孔加工头高度使其与工件表面的距离保持恒定，保证加熔覆头喷嘴的粉末汇聚在熔池内，提升内孔熔覆质量并提高粉末利用率。

Description

一种内孔激光熔覆高度控制系统及方法
技术领域
本发明涉及激光熔覆技术领域，具体涉及一种内孔激光熔覆高度控制系统及方法。
背景技术
激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。
目前，采用激光熔覆大长径比的内孔零件时存在工件表面观察困难，加工头与工件表面距离无法实时调节的问题。内孔激光熔覆光斑一般较小，即使加工头与工件表面的距离发生较小的变化，喷嘴粉末的汇聚点也会相对熔池上下移动，造成熔池外部的粉末无法被激光熔化；由于待修复零件内孔壁可能存在随机的凹凸不平、部分非圆的情况，内孔加工头的高度固定不变则会导致加工头与零件表面距离发生变化，造成粉末汇聚点在熔池上下变化，不仅对内孔熔覆质量造成影响，还会严重降低粉末利用率。
发明内容
发明目的：针对现有技术中由于待修复零件内壁的不规则变化对内孔熔覆质量造成的影响，本发明公开了一种内孔激光熔覆高度控制系统及方法，实时调节内孔加工头高度使其与工件表面的距离保持恒定，保证加熔覆头喷嘴的粉末汇聚在熔池内，提升内孔熔覆质量并提高粉末利用率。
技术方案：本发明的目的是通过以下的技术方案实现的：
一种内孔激光熔覆高度控制系统，其特征在于，包括控制系统与内孔熔覆头，所述控制系统包括外接CCD图像传感器、数字处理系统和机器人控制系统，所述内孔熔覆头包括指示光发射器和激光发射器；其中，所述激光发射器发射激光束并经反射照射到熔池上，指示光发射器发射指示光束并照射到熔池上，外接CCD图像传感器采集熔池和指示光束光斑的CCD图像，并输入到数字处理系统中，数字处理系统对CCD图像进行处理，机器人控制系统读取数字处理系统存储的数据，调整熔覆头与工件之间的距离。
优选地，外接CCD图像传感器前还设置有滤色镜片。
优选地，当内孔熔覆头与工件表面距离为标准高度时，所述激光束与指示光束在工件表面的位置一致。
一种内孔激光熔覆高度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、以指示光束的水平分量为X轴，竖直分量为Z轴，激光扫描方向为Y轴，建立空间直角坐标系，将指示光束在Y方向上朝激光扫描方向偏移适当的距离；
步骤B、在采样点t0时刻，所述数字处理系统对外接CCD图像传感器采集到的熔池和指示光束光斑的图像进行处理，获取指示光束光斑的中心位置以及指示光束光斑相对于熔池的实际偏移量Dx和Dy；
步骤C、根据指示光束光斑偏移距离Dx与工件表面偏移距离Dz之间的数学关系，应用三角测距法计算得到内孔熔覆头与工件表面的实际距离与标准距离的偏差，即离焦量Dz；
步骤D、根据指示光束光斑偏移距离Dy与实际熔覆速度v计算得到偏移时间dt，将(dt，Dz)在数字处理系统中存储，所述离焦量Dz即为对应时刻t＝t0+dt时的内孔熔覆头调整高度，此时数字处理系统向机器人控制系统发出指令进行高度调整，在t0时刻后的下一个采样点重新回到步骤A。
优选地，所述步骤B包括：
步骤B1、所述外接CCD图像传感器采集包括熔池和指示光束光斑的CCD图像，在所述数字处理系统中对CCD图像进行通用图像增强操作，包括平滑去燥，对比度增强；
步骤B2、采用基于边缘检测或门限处理的图像识别方法，在CCD图像中确定指示光束光斑的区域，并求取该区域的重心作为指示光束光斑的中心位置；
步骤B3、根据熔池始终位于CCD图像的中心，可以得到指示光束光斑相对于熔池在图像中的偏移量，通过CCD图像大小与实际物体尺寸的比例关系，可以得到指示光束光斑相对于熔池的实际偏移量Dx和Dy。
优选地，所述步骤B2中指示光束光斑的中心位置为：
其中，(Xc，Yc)表示指示光束光斑的中心位置坐标，(Xi，Yi)表示指示光束光斑区域中像素点的坐标，Pi表示指示光束光斑区域中像素点的灰度值。
优选地，所述步骤B3中指示光束光斑相对于熔池的实际偏移量为：
其中，Xpic和Ypic分别表示CCD图像在X和Y方向的大小，单位为像素，Scale表示1mm的实际物体在CCD图像中所占的像素数量。
优选地，所述步骤C中指示光束光斑偏移距离Dx与工件表面偏移距离Dz之间的数学关系为：
Dz＝(-Dx)*tanθ
其中，θ为指示光束与X轴正方向的偏转角。
优选地，所述步骤D中数字处理系统向机器人控制系统发出指令进行高度调整的步骤包括：
步骤D1、若偏移时间为T，采样时间间隔为t0＝T/n，设定初始当前采样索引Cur_Index和相邻采样之间的高度调整dH为0；
步骤D2、在t＝0时刻更新当前采样索引Cur_Index加1，进行图像采样并计算得到对应t+T时刻调整高度为H_tempCur_Index，将调整高度H_tempCur_Index和当前采样索引Cur_Index存储到数字处理系统中，并向机器人控制系统发出指令，熔覆头在Z轴上运动距离为H_tempCur_Index，运动速度为H_tempCur_Index/T，相邻采样之间的高度调整为dH＝H_tempCur_Index/n；
步骤D3、在下一个采样开始时，更新当前采样索引Cur Index加1，进行图像采样并计算得到调整高度为H_tempCur_Index，将调整高度H_tempCur_Index和当前采样索引Cur_Index存储到数字处理系统中，对于所有采样索引Index小于当前采样索引Cur_Index的调整高度H_tempIndex减去dH的高度，这里当Cur_Index≤n时dH保持不变，当Cur_Index＞n时，dH＝H_tempCur_Index+1/n，此时数字处理系统向机器人控制系统发出指令，熔覆头在Z轴上运动距离为dH，运动速度为dH/t0，重复步骤D3直到完成所有熔覆操作。
有益效果：本发明公开了一种内孔激光熔覆高度控制系统及方法，具有以下有益效果：
(1)、本发明可用于在狭小空间内根据工件表面的高度，自动调节内孔熔覆头的高度，使熔覆头与工件表面距离保持恒定，从而使粉末准确汇聚在熔池中，提高激光内孔修复的熔覆质量并提升粉末利用率；
(2)、本发明同时也适用于扫描方向不变的非圆形内孔零件的熔覆，可以无需进行离线编程或示教而直接进行熔覆。
附图说明
图1为本发明的内孔激光熔覆头结构图；
图2(a)为本发明的控制系统基本组成；
图2(b)为本发明的控制系统处理流程图；
图3为本发明的指示光束的偏移示意图；
图4为熔覆头与工件表面距离变化时，指示光光斑与激光光斑的距离变化指示图；
图5为本发明的内孔熔覆过程示意图；
图6为本发明的高度控制方法中采样计算高度与高度调整关系示意图；
图7为本发明的高度控制算法流程图；
其中，第一壳体1，分光镜2，聚焦镜3，反射铜镜4，反射镜5，可调光阑6，外接CCD图像传感器7，指示光发射器8，熔池9，激光束10，指示光束11，激光发射器12。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明公开了一种内孔激光熔覆高度控制系统，包括控制系统与内孔熔覆头，控制系统包括外接CCD图像传感器7、数字处理系统和机器人控制系统。
如图1所示，内孔熔覆头包括第一壳体1、分光镜2、聚焦镜3、反射铜镜4、反射镜5、可调光阑6、指示光发射器8和激光发射器12；其中，所述分光镜2、聚焦镜3和反射铜镜4顺序设置于第一壳体1内，位于分光镜2和聚焦镜3之间的第一壳体1上方开孔，顺序设置反射镜5、可调光阑6，再与外接CCD图像传感器7相连，位于聚焦镜3和反射铜镜4之间的第一壳体1下方设置喷嘴，通过激光束10并照射到熔池9，第一壳体1外侧下方还设置有指示光发射器8，用于发射指示光束11，激光发射器12发射激光束10并经反射铜镜4反射照射到熔池9上。
外接CCD图像传感器7采集熔池9和指示光束11光斑的CCD图像，并输入到数字处理系统中，数字处理系统对CCD图像进行处理，机器人控制系统读取数字处理系统存储的数据，调整熔覆头与工件之间的距离。
其中，外接CCD图像传感器7前还设置有特定波长的滤色镜片(以指示光源波长作为参考)，以进一步减少熔池干扰。
其中，激光束10通过聚焦镜3和反射铜镜4垂直入射并聚焦到工件表面，指示光束11则以一定角度斜射到工件表面，当内孔熔覆头与工件表面距离为标准高度时，所述激光束10与指示光束11在工件表面的位置一致。
其中，熔覆时熔池9及指示光束11光斑沿光路反向传播并经过分光镜2与反射镜5后在外接CCD图像传感器7中成像，图像通过数据线传入到数字处理系统中。
本发明公开了一种内孔激光熔覆高度控制方法，如图2所示，具体包括以下步骤：
步骤A、以指示光束11的水平分量为X轴，竖直分量为Z轴，激光扫描方向为Y轴，建立空间直角坐标系，为保证指示光不受到熔池的干扰以及为控制系统的数据处理及高度调节执行预留出合适的时间，如图3所示，将指示光束11在Y方向上朝激光扫描方向偏移适当的距离；
步骤B、在采样点t0时刻，数字处理系统对外接CCD图像传感器7采集到的熔池9和指示光束11光斑的图像进行处理，获取指示光束11光斑的中心位置以及指示光束11光斑相对于熔池9的实际偏移量Dx和Dy；
步骤B1、外接CCD图像传感器7采集包括熔池9和指示光束11光斑的CCD图像，为保证指示光斑位置检测的可靠性和准确性，在数字处理系统中对CCD图像进行通用图像增强操作，包括平滑去燥，对比度增强。
步骤B2、采用基于边缘检测或门限处理的图像识别方法，在CCD图像中确定指示光束11光斑的区域，并求取该区域的重心作为指示光束11光斑的中心位置。
由于指示光束12相对于内孔熔覆头的位置固定不变，则指示光束11光斑的可能位置必然在CCD图像上的固定轨迹上，如图3所示，故检测时只需要在此特定轨迹区域附近进行检测，指示光束11光斑的识别可以采用基于边缘检测或门限处理的图像识别方法。
在确定指示光束11光斑的区域后，可求取此区域的重心作为指示光束11光斑的中心位置：
其中，(Xc，Yc)表示指示光束11光斑的中心位置坐标，(Xi，Yi)表示指示光束11光斑区域中像素点的坐标，Pi表示指示光束11光斑区域中像素点的灰度值。
步骤B3、根据熔池9始终位于CCD图像的中心，可以得到指示光束11光斑相对于熔池9在图像中的偏移量，
其中，Xpic和Ypic分别表示CCD图像在X和Y方向的大小，单位为像素。
通过在CCD中对标尺图像进行标定，即可得到CCD图像大小(单位：像素)与实际物体尺寸(单位：mm)的比例关系，记为Scale，则指示光束11光斑相对于熔池9的实际偏移量为：
其中，Scale表示1mm的实际物体在CCD图像中所占的像素数量。
步骤C、根据指示光束11光斑偏移距离Dx与工件表面偏移距离Dz之间的数学关系，应用三角测距法计算得到内孔熔覆头与工件表面的实际距离与标准距离的偏差，即离焦量Dz。
如图4所示，当内孔熔覆头喷嘴与工件表面距离为标准高度时激光束10与指示光束11在工件表面的位置一致；当此距离变小时即工件表面向Z+方向偏移，指示光束11光斑相对于激光束10光斑沿着X-方向移动；当此距离变大时即工件表面向Z-方向偏移，指示光束11光斑相对于激光束10光斑沿着X+方向移动，且指示光束11光斑偏移距离Dx和工件表面偏移距离Dz有简单的数学关系，据此应用三角测距法可以简单的计算得出实际熔覆头喷嘴与工件表面的距离与标准距离的偏差，即离焦量：
Dz＝(-Dx)*tanθ
其中，θ为指示光束11与X轴正方向的偏转角。
步骤D、根据指示光束11光斑偏移距离Dy与实际熔覆速度v计算得到偏移时间dt，将(dt，Dz)在数字处理系统中存储，所述离焦量Dz即为对应时刻t＝t0+dt时的内孔熔覆头调整高度，此时数字处理系统向机器人控制系统发出指令进行高度调整，在t0时刻后的下一个采样点重新回到步骤A。
例如，若当前t0时刻，指示光束11光斑在X方向上的偏移量为-Dx，则在时刻，应当将内孔熔覆头的高度提高Dz＝Dx*tanθ以保证此时离焦量为0，使内孔熔覆头与工件表面距离保持恒定。
以下实施例为基于本发明的一种内孔激光熔覆高度控制方法的高度调整算法，内孔熔覆时，工件转动而内孔头只在Z轴方向上进行高度调整，如图5所示，当工件顺时针转动时，当前指示光束11位置在T＝Dy/v时间后转动到激光熔池部分，设CCD图像采样时间间隔为t0＝T/n，图像采样和高度调整同步进行。图6中曲线1为实际工件表面高度，虚线加粗箭头矢量为通过图像采样计算所得高度，实线箭头矢量为实际工件表面高度。为了从每个采样图像的测量高度值中计算得到高度调整量，数字处理系统向机器人控制系统发出指令进行高度调整采用如图7所示算法：
步骤1、设定初始当前采样索引Cur_Index和相邻采样之间的高度调整dH为0；
步骤2、在t＝0时刻更新当前采样索引Cur_Index加1，进行图像采样并计算得到对应t+T时刻调整高度为H_tempCur_Index，将调整高度H_tempCur_Index和当前采样索引Cur_Index存储到数字处理系统中，并向机器人控制系统发出指令，熔覆头在Z轴上运动距离为H_tempCur_Index，运动速度为H_tempCur_Index/T，相邻采样之间的高度调整为dH＝H_tempCur_Index/n；
步骤3、在下一个采样开始时，更新当前采样索引Cur_Index加1，进行图像采样并计算得到调整高度为H_tempCur_Index，将调整高度H_tempCur_Index和当前采样索引Cur_Index存储到数字处理系统中，对于所有采样索引Index小于当前采样索引Cur_Index的调整高度H_tempIndex减去dH的高度，这里当Cur_Index≤n时dH保持不变，当Cur_Index＞n时，dH＝H_tempCur_Index+1/n，此时数字处理系统向机器人控制系统发出指令，熔覆头在Z轴上运动距离为dH，运动速度为dH/t0，重复步骤3直到完成所有熔覆操作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种内孔激光熔覆高度控制系统，其特征在于，包括控制系统与内孔熔覆头，所述控制系统包括外接CCD图像传感器(7)、数字处理系统和机器人控制系统，所述内孔熔覆头包括指示光发射器(8)和激光发射器(12)；其中，所述激光发射器(12)发射激光束(10)并经反射照射到熔池(9)上，指示光发射器(8)发射指示光束(11)并照射到熔池(9)上，外接CCD图像传感器(7)采集熔池(9)和指示光束(11)光斑的CCD图像，并输入到数字处理系统中，数字处理系统对CCD图像进行处理，机器人控制系统读取数字处理系统存储的数据，调整熔覆头与工件之间的距离。
2.根据权利要求1所述的一种内孔激光熔覆高度控制系统，其特征在于，外接CCD图像传感器(7)前还设置有滤色镜片。
3.根据权利要求1所述的一种内孔激光熔覆高度控制系统，其特征在于，当内孔熔覆头与工件表面距离为标准高度时，所述激光束(10)与指示光束(11)在工件表面的位置一致。
4.一种内孔激光熔覆高度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、以指示光束(11)的水平分量为X轴，竖直分量为Z轴，激光扫描方向为Y轴，建立空间直角坐标系，将指示光束(11)在Y方向上朝激光扫描方向偏移适当的距离；
步骤B、在采样点t0时刻，所述数字处理系统对外接CCD图像传感器(7)采集到的熔池(9)和指示光束(11)光斑的图像进行处理，获取指示光束(11)光斑的中心位置以及指示光束(11)光斑相对于熔池(9)的实际偏移量Dx和Dy；
步骤C、根据指示光束(11)光斑偏移距离Dx与工件表面偏移距离Dz之间的数学关系，应用三角测距法计算得到内孔熔覆头与工件表面的实际距离与标准距离的偏差，即离焦量Dz；
步骤D、根据指示光束(11)光斑偏移距离Dy与实际熔覆速度v计算得到偏移时间dt，将(dt，Dz)在数字处理系统中存储，所述离焦量Dz即为对应时刻t＝t0+dt时的内孔熔覆头调整高度，此时数字处理系统向机器人控制系统发出指令进行高度调整，在t0时刻后的下一个采样点重新回到步骤A。
5.根据权利要求4所述的一种内孔激光熔覆高度控制方法，其特征在于，所述步骤B包括：
步骤B1、所述外接CCD图像传感器(7)采集包括熔池(9)和指示光束(11)光斑的CCD图像，在所述数字处理系统中对CCD图像进行通用图像增强操作，包括平滑去燥，对比度增强；
步骤B2、采用基于边缘检测或门限处理的图像识别方法，在CCD图像中确定指示光束(11)光斑的区域，并求取该区域的重心作为指示光束(11)光斑的中心位置；
步骤B3、根据熔池(9)始终位于CCD图像的中心，可以得到指示光束(11)光斑相对于熔池(9)在图像中的偏移量，通过CCD图像大小与实际物体尺寸的比例关系，可以得到指示光束(11)光斑相对于熔池(9)的实际偏移量Dx和Dy。
6.根据权利要求5所述的一种内孔激光熔覆高度控制方法，其特征在于，所述步骤B2中指示光束(11)光斑的中心位置为：
其中，(Xc，Yc)表示指示光束(11)光斑的中心位置坐标，(Xi，Yi)表示指示光束(11)光斑区域中像素点的坐标，Pi表示指示光束(11)光斑区域中像素点的灰度值。
7.根据权利要求5所述的一种内孔激光熔覆高度控制方法，其特征在于，所述步骤B3中指示光束(11)光斑相对于熔池(9)的实际偏移量为：
其中，Xpic和Ypic分别表示CCD图像在X和Y方向的大小，单位为像素，Scale表示1mm的实际物体在CCD图像中所占的像素数量。
8.根据权利要求4所述的一种内孔激光熔覆高度控制方法，其特征在于，所述步骤C中指示光束(11)光斑偏移距离Dx与工件表面偏移距离Dz之间的数学关系为：
Dz＝(-Dx)*tanθ
其中，θ为指示光束(11)与X轴正方向的偏转角。
9.根据权利要求4所述的一种内孔激光熔覆高度控制方法，其特征在于，所述步骤D中数字处理系统向机器人控制系统发出指令进行高度调整的步骤包括：
步骤D1、若偏移时间为T，采样时间间隔为t0＝T/n设定初始当前采样索引Cur_Index和相邻采样之间的高度调整dH为0；
步骤D2、在t＝0时刻更新当前采样索引Cur_Index加1，进行图像采样并计算得到对应t+T时刻调整高度为H_tempCur_Index，将调整高度H_tempCur_Index和当前采样索引Cur_Index存储到数字处理系统中，并向机器人控制系统发出指令，熔覆头在Z轴上运动距离为H_tempCur_Index，运动速度为H_tempCur_Index/T，相邻采样之间的高度调整为dH＝H_tempCur_Index/n；
步骤D3、在下一个采样开始时，更新当前采样索引Cur_Index加1，进行图像采样并计算得到调整高度为H_tempCur_Index，将调整高度H_tempCur_Index和当前采样索引Cur_Index存储到数字处理系统中，对于所有采样索引Index小于当前采样索引Cur_Index的调整高度H_tempIndex减去dH的高度，这里当Cur_Index≤n时dH保持不变，当Cur_Index＞n时，dH＝H_tempcur_Index+1/n，此时数字处理系统向机器人控制系统发出指令，熔覆头在Z轴上运动距离为dH，运动速度为dH/t0，重复步骤D3直到完成所有熔覆操作。
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