【摘 要】
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电弧增材制造技术以其材料利用率高、沉淀效率高、设备运行成本低等特点得到广泛关注,其中,冷金属过渡（Cold Metal Transfer,CMT）电弧增材是直接成形大型复杂构件的重要方法之一。在现代工业的发展下,对金属增材制造零部件质量的要求越来越高,而视觉传感技术可以通过图像处理获取熔池视觉特征与增材制造成形之间的关系,为增材制造质量的控制提供有效的方法。本文采用基于单摄像机的立体视觉系统对CM
【基金项目】
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河北省自然科学基金项目（E2020208089）； 国家自然科学基金面上项目（51875168）；
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电弧增材制造技术以其材料利用率高、沉淀效率高、设备运行成本低等特点得到广泛关注,其中,冷金属过渡（Cold Metal Transfer,CMT）电弧增材是直接成形大型复杂构件的重要方法之一。在现代工业的发展下,对金属增材制造零部件质量的要求越来越高,而视觉传感技术可以通过图像处理获取熔池视觉特征与增材制造成形之间的关系,为增材制造质量的控制提供有效的方法。本文采用基于单摄像机的立体视觉系统对CMT电弧增材过程中的熔池进行拍摄,通过图像处理和算法计算获取增材中熔池三维表面形貌及熔敷层尺寸,探究工艺参数和成形缺陷对熔敷层尺寸的影响。首先设计了一套基于双棱镜的单摄像机立体视觉系统,实现了熔池虚拟立体图像对的获取;阐述了立体视觉系统的标定原理,使用张正友标定法对整个系统进行标定;为方便后续的图像对立体匹配计算,对图像对进行了极线校正。使用棋盘格标定板对单摄像机立体视觉系统进行精度测量,其二维平面上最大误差率为0.7%。首次使用变分立体匹配算法（Variational Stereo Matching Algorithm）实现了CMT电弧增材制造过程中的熔池图像对匹配计算,包含变分法能量方程构建、泛函转变及能量方程的求解计算。对比局部立体匹配算法（Sum of Absolute Differences Matching Algorithm,SAD）、半全局立体匹配算法（Semi-Global Matching Algorithm,SGM）和变分立体匹配算法计算结果发现,针对无纹理区域,变分立体匹配算法能够得到准确的熔池视差图。进而研究了不同工艺参数时CMT电弧增材制造熔敷层尺寸的变化,通过对熔池图像进行高斯滤波、反二值化、闭操作的膨胀与腐蚀、边缘轮廓的查找及宽度的提取得到熔敷层宽度尺寸,与激光扫描仪获得的熔敷层宽度尺寸进行对比,两种方法获得的尺寸变化规律一致,且宏观金相熔敷宽度与熔池宽度误差优于2.5%;将熔池视差图转换为三维点云图,通过对熔池尾部凝固区域熔敷高度最大值处的点与基板平面的距离计算得到熔敷层的高度值,与扫描熔敷层点云中的高度值进行对比计算,得到立体匹配算法重建点云熔敷层高度值与真实熔敷层的误差优于4.6%。通过对增材过程中飞溅、塌陷或驼峰、焊道不均等缺陷的视差图计算发现,当缺陷形成时,视差图可准确显示熔敷层宽度的变化。
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