激光切割質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制

激光切割質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制

激光切割是目前工業(yè)中最先進(jìn)、最重要的材料切割方法之一，在鋼鐵、船舶、機(jī)械、汽車、航空和其他領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和新工藝的應(yīng)用,零件形狀愈來(lái)愈復(fù)雜,對(duì)切割質(zhì)量的要求越來(lái)越高,這對(duì)工藝規(guī)范的選取提出了更高的要求。為達(dá)到生產(chǎn)要求的切縫質(zhì)量,激光切割參數(shù)被限定在很窄的工藝區(qū)間,傳統(tǒng)的人工選擇、優(yōu)化切割工藝的方法更為困難,該問題成為進(jìn)一步發(fā)展和推廣激光切割應(yīng)用的主要障礙。因此,實(shí)現(xiàn)激光切割質(zhì)量的在線檢測(cè)與控制,有著重要的意義,已成為國(guó)際上研究的熱點(diǎn)課題之一。利用光信號(hào)作為被檢測(cè)信號(hào)是研究激光切割質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的主要方向。由于切割前沿的視覺檢測(cè)方法可以檢測(cè)切割過程中的幾何形狀、溫度等多種信息,是近年來(lái)發(fā)展較快的一種研究手段。其中,同軸視覺檢測(cè)方法,沿激光入射方向直視切割前沿,檢測(cè)到的信號(hào)可能包含比側(cè)面檢測(cè)更為直接和豐富的狀態(tài)信息,并且傳感器的安裝不受切割方向的限制,受到了更多的關(guān)注。目前,這種檢測(cè)方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)切縫寬度、光氣重合狀態(tài)、材料表面狀況變化、激光束模式信息進(jìn)行檢測(cè)。但對(duì)于切割過程中最常見掛渣和過燒缺陷的同軸檢測(cè),目前仍未見報(bào)道。本文針對(duì)這一現(xiàn)狀,研制了CO2激光切割同軸視覺檢測(cè)系統(tǒng),獲得了清晰的切割前沿圖像、過燒和掛渣缺陷在同軸視覺圖像中所對(duì)應(yīng)的特征信息。系統(tǒng)組成和實(shí)驗(yàn)方法1.d激光切割的原理圖1是CO2激光切割同軸檢測(cè)系統(tǒng)組成示意圖,該系統(tǒng)的核心是一個(gè)可以允許10.6mm波長(zhǎng)的CO2激光透過、對(duì)于可見光幾乎全部反射的分光鏡。在CO2激光切割過程中,激光束首先通過分光鏡、ZnSe透鏡(圖中聚焦透鏡1)聚焦后實(shí)現(xiàn)切割。切割過程中產(chǎn)生的切割前沿和火花簇射的輻射首先經(jīng)過ZnSe透鏡,再經(jīng)分光鏡水平傳出,由聚焦透鏡2聚焦成實(shí)像A,A是切割前沿和火花簇射視覺圖像的水平投影。經(jīng)過濾光片后,采用CCD實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)像A的檢測(cè),圖像信號(hào)送入工業(yè)PC。2.切割前沿幾何參數(shù)變化的特征切割實(shí)驗(yàn)利用一臺(tái)3kWCO2快軸流激光器完成,其輸出模式為TEM00+TEM01,切割過程采用氧氣作為輔助氣體,焦點(diǎn)位于工件上表面,實(shí)驗(yàn)材料為3mm厚度St12鋼板實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過選取一定閾值后再二值化的方法,可獲取以切割前沿為主,但包含火花簇射根部的二值化圖像,文中仍簡(jiǎn)稱其為切割前沿圖像。圖2是激光切割過程示意圖,為了便于表述,在俯視圖中定義光束中心距離切割前沿上緣處的距離為DCF(DistancefromBeamCentertoFrontEdge),光束中心距離切割前沿下緣處的距離為DCB(DistancefromBeamCentertoBackEdge),切割前沿在切縫方向的距離為DFB(DistancefromFrontEdgetoBackEdge)。圖3(a)是典型過燒缺陷的表面形貌圖,從圖中可以看出切縫表面很不平整,有明顯的燒蝕痕跡。圖3(d)是通過對(duì)同軸視覺圖像進(jìn)行圖像處理基礎(chǔ)上,獲取的圖3(a)工藝參數(shù)下切割前沿幾何參數(shù)DCF、DCB和DFB隨時(shí)間變化的規(guī)律。從圖中可以看出,DCF、DCB和DFB波動(dòng)顯著。說(shuō)明加工過程中切割前沿極不穩(wěn)定,位置和幾何形貌波動(dòng)劇烈。對(duì)整個(gè)切割過程的圖像進(jìn)行計(jì)算,得到DCF、DCB和DFB的均值分別為41.8Pix、63.6Pix和105.4Pix,標(biāo)準(zhǔn)方差分別為16.0Pix、44.4Pix和52.4Pix。圖3(b)是典型掛渣缺陷的表面形貌圖,從圖中可以看出切縫表面條紋與垂直方向夾角較大,后拖明顯,在底部有明顯的掛渣存在。圖3(e)是通過對(duì)同軸視覺圖像進(jìn)行圖像處理基礎(chǔ)上,獲取的圖3(b)工藝參數(shù)下切割前沿幾何參數(shù)DCF、DCB和DFB隨時(shí)間變化的規(guī)律。從圖中可以看出,DCF基本保持穩(wěn)定,但DCB和DFB波動(dòng)較大。對(duì)整個(gè)切割過程的圖像進(jìn)行計(jì)算,得到DCF、DCB和DFB的均值分別為22.4Pix、105.6Pix和128Pix,標(biāo)準(zhǔn)方差分別為0.8Pix、16.4Pix和16.2Pix。圖3(c)是典型無(wú)缺陷試樣的表面形貌圖,從圖中可以看出:切縫表面平整且表面條紋與垂直方向夾角較小。圖3(f)是通過對(duì)同軸視覺圖像進(jìn)行圖像處理基礎(chǔ)上,獲取的圖3(c)工藝參數(shù)下切割前沿幾何參數(shù)DCF、DCB和DFB隨時(shí)間變化的規(guī)律。從圖中可以看出,DCF、DCB和DFB波動(dòng)均很小。這說(shuō)明不同時(shí)刻切割前沿位置和形狀基本無(wú)變化,前沿處于一種十分穩(wěn)定的狀態(tài)。對(duì)整個(gè)切割過程的圖像進(jìn)行計(jì)算,得到DCF、DCB和DFB的均值分別為20.8Pix、61.2Pix和82.0Pix,標(biāo)準(zhǔn)方差分別為0.6Pix、2.6Pix和3Pix。激光功率800W,氧氣壓力5bar,速度在10mm/s~38mm/s條件下切割3mm厚鋼板,通過同軸CCD獲取切割前沿幾何形狀的信息。圖4是通過圖像處理方法提取出的切割前沿幾何參數(shù)隨切割速度變化的曲線。從圖中可以看出:DCF:在過燒區(qū)有較大的數(shù)值;在其它區(qū)域,DCF較小且受速度變化的影響很小。DCB:在切割速度小于15mm/s的過燒區(qū),有較大數(shù)值;其它區(qū)域,DCB隨著切割速度的增加而逐漸增大。DFB:隨速度變化規(guī)律與DCB變化規(guī)律相似。圖5是上述條件下,切割前沿幾何位置波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)方差隨切割速度的變化規(guī)律。在過燒區(qū)域,DCF、DCB和DFB具有劇烈的波動(dòng);在掛渣區(qū),僅DCB和DFB波動(dòng)劇烈,而DCF信號(hào)很平穩(wěn);在無(wú)缺陷區(qū),切割前沿幾何形狀較為穩(wěn)定,波動(dòng)很小。缺陷發(fā)生時(shí),雖然同軸視覺圖像中的DCF、DCB及其波動(dòng)值(標(biāo)準(zhǔn)方差)同時(shí)發(fā)生變化,但由于DCF、DCB數(shù)值隨速度變化連續(xù)改變,而其波動(dòng)值隨速度變化具有跳變的特征,本文最終選取DCF和DCB的波動(dòng)信號(hào)作為同軸視覺缺陷檢測(cè)的特征信號(hào)。切割缺陷的圖像特征1.研制成功基于分光鏡、濾光系統(tǒng)和CCD攝像機(jī)的CO2