Aron matun-an ang mga kausaban sa molten pool morphology atol sa laser cladding, usa ka online monitoring system alang sa laser cladding molten pool gitukod. Ang tinunaw nga larawan sa pool nakuha pinaagi sa coaxial assembly sa COMS camera ug laser equipment. Base sa pag-analisa sa grayscale histogram distribution sa molten pool, ang adaptive threshold segmentation method sa triangular threshold segmentation gigamit aron binarize ang molten pool image. Ang ngilit sa tinunaw nga larawan sa pool gikuha sa Canny operator, ug ang gitas-on ug gilapdon sa tinunaw nga pool nga dapit nakuha pinaagi sa minimum circumscribed rectangle algorithm. Siyam ka grupo sa single-pass cladding orthogonal nga mga eksperimento ang gihimo nga adunay 45 steel isip substrate ug 420 stainless steel isip cladding powder. Ang mga resulta sa eksperimento nagpakita nga ang kasagarang sayop tali sa tinunaw nga pool nga gilapdon nga gisukod ubos sa monitoring system ug ang aktuwal nga cladding width nga gisukod ubos sa electron microscope mao ang 4.5%, nga nagpamatuod sa pagka-epektibo sa visual monitoring system. Ang range analysis sa molten pool width nga nakuha ubos sa monitoring system nagpakita nga ang laser power adunay pinakadako nga impluwensya sa molten pool width, gisundan sa scanning speed, ug sa katapusan ang powder feeding rate; ang tinunaw nga pool gilapdon nagdugang sa pagtaas sa gahum sa laser, ug mikunhod uban sa pagdugang sa scanning speed ug powder feeding rate. Ang impormasyon sa tinunaw nga pool ug mga lagda sa pagbag-o nga nakuha sa sistema sa pag-monitor mahimong magamit ingon nga mga variable sa pakisayran alang sa real-time nga pagkontrol sa laser cladding, nga nagbutang sa pundasyon alang sa closed-loop control sa laser cladding.

1. Teknikal nga background

Ingon usa ka advanced nga teknolohiya sa pagporma sa materyal, laser cladding nagtrabaho pinaagi sa pagporma sa usa ka taas nga temperatura nga tinunaw nga pool sa ibabaw sa substrate pinaagi sa aksyon sa usa ka high-energy laser beam. Ang nozzle nagdala sa metal nga pulbos ngadto sa tinunaw nga pool sa direksiyon nga paagi, moagi sa proseso sa pagtunaw ug solidification, ug sa kataposan makakuha ug nadeposito nga cladding entity. Kini nga teknolohiya adunay talagsaon nga mga bentaha sa pag-ayo sa bahin sa metal, paspas nga prototyping, pagbag-o sa nawong, ug paghimo sa metal additive. Bisan pa, ang proseso sa pag-cladding sa laser dili lig-on, ug adunay klaro nga mga pagbag-o tali sa mga lut-od sa cladding bisan sa parehas nga mga parameter sa pagtrabaho. Kini nga dili maayo nga reproducibility tungod sa kamatuoran nga ang laser cladding sensitibo kaayo sa gamay nga epekto sa operating parameters (sama sa laser power, cladding speed, ug powder feeding rate), ug adunay usa ka komplikado nga relasyon tali sa mga parameter, mao nga adunay pipila ka limitasyon sa aktuwal nga trabaho.

Aron makuha ang labi ka lig-on nga kalidad sa cladding, hinungdanon nga bantayan ang proseso sa pag-cladding sa laser sa tinuud nga oras. Hong Lei ug uban pa. [8] migamit ug photoelectric sensor sa pagmonitor sa plasma blue-violet light signal nga namugna atol sa laser cladding process, pag-analisar sa relasyon tali sa lain-laing proseso ug sa light intensity signal, ug nakuha ang light intensity signal range nga adunay maayo nga cladding layer nga kalidad ubos sa experimental. kondisyon. Bisan pa, kung ang gahum sa laser mas gamay kaysa sa threshold p, ang signal nga asul-violet nga kahayag dili kaayo apektado sa gahum sa laser. Busa, kini nga signal dili angay alang sa ubos nga gahum sa laser cladding proseso monitoring. Dugang pa, ang blue-violet light signal intensity range nga katumbas sa maayo nga kalidad sa cladding sa lainlaing mga cladding nga materyales lahi. Usa ka dako nga gidaghanon sa mga obserbasyon gikinahanglan aron makakuha usa ka angay nga sakup sa mga pagbag-o. Hu Xiaodong et al. [9] nagdisenyo ug bag-ong photoelectric sensor, nagtukod sa katugbang nga relasyon tali sa sensor voltage signal ug sa powder flow rate, ug nagkontrolar sa proseso sa cladding pinaagi sa pagmonitor sa powder flow rate aron makab-ot ang katuyoan sa stable cladding. Song Wei ug uban pa. [6] migamit ug CCD camera aron makuha ang impormasyon sa gidak-on ug pag-apod-apod sa temperatura sa tinunaw nga pool, ug nakuha ang relasyon tali sa cladding parameters ug sa molten pool size. Miyagi M. et al. [10] gisagol ang usa ka photodiode sa ulo sa pagproseso sa laser alang sa pag-monitor ug nakit-an nga ang signal sa thermal radiation adunay usa ka lig-on nga correlation sa pagbag-o sa gilapdon sa tinunaw nga pool. Ang usa ka PID controller gidisenyo aron makontrol ang output sa gahum sa laser, sa ingon makontrol ang porma sa cladding. Sun Huajie ug uban pa. [11] nagtukod ug kolor nga CCD camera temperature closed-loop control system base sa colorimetric temperature measurement, nga epektibong makawagtang sa heat accumulation effect sa laser cladding process ug makab-ot ang gipaabot nga cladding quality. Bisan pa, kung ang gahum sa laser molapas sa 1800W, ang grayscale sa imahe nga katumbas sa R ​​channel moabot sa labing taas nga grayscale nga kantidad nga 255. Ang grayscale sa imahe ug ang temperatura sa tinunaw nga pool dili mahimo nga usa-sa-usa nga sulat, nga moresulta sa pagkapakyas sa pagsukod sa temperatura. Smurov I. et al. [12] migamit ug pyrometer ug infrared camera aron sukdon ang kahayag ug temperatura nga impormasyon sa tinunaw nga pool, nagtukod sa relasyon tali sa kahayag sa temperatura nga impormasyon ug sa molten pool morphology, ug nakaamgo sa pagkontrolar sa proseso sa pag-cladding.

Ingon nga sukaranan nga yunit sa cladding entity, ang tinunaw nga pool anaa sa tibuok cladding cycle, ug ang morphological nga mga kinaiya sa tinunaw nga pool mahimong direktang magpakita sa katapusang mga resulta sa cladding. Busa, kini nga papel nagpili sa molten pool morphology isip monitoring object ug nagpalambo sa laser cladding molten pool online monitoring system base sa COMS industrial camera ug OpenCV (open source computer vision ug machine learning software library). Ang sistema naggamit sa usa ka komprehensibo nga algorithm sa imahe aron maproseso ang input nga tinunaw nga pool nga imahe, nga mahimo nga epektibo nga bahinon ang tinunaw nga pool area ug makuha ang tinunaw nga pool area ug ang gitas-on ug gilapdon sa tinunaw nga pool. Sa katapusan, ang tibuuk nga proseso sa pag-cladding ug mga resulta sa pagproseso sa algorithm naobserbahan pinaagi sa interactive nga interface sa sistema. Ang gibantayan nga impormasyon sa tinunaw nga pool mahimong magamit isip usa ka reference variable alang sa real-time nga pagkontrol sa laser cladding, pagpahiluna sa pundasyon alang sa closed-loop control sa laser cladding.

2 Pag-monitor sa plataporma ug mga cladding nga materyales

Ang COMS color camera nga modelo nga gigamit mao ang Baslera2A192051gcBAS, nga adunay maximum nga resolusyon nga 1920 × 1200. Ang kamera naghatag ug SDK (Software Development Kit) base sa C++ programming language, nga mahimong gamiton alang sa sekondaryang pag-uswag sa kamera. Ang eksperimento naggamit sa usa ka coaxial installation sa COMS camera, ug ang kinatibuk-ang arkitektura gipakita sa Figure 1. Ang coaxial assembly camera makaseguro nga ang tinunaw nga pool ug ang camera nagpabilin nga medyo wala pa panahon sa pagproseso, ug wala'y kinahanglan nga pagtul-id sa imahe, mao nga ang detection field of view ug accuracy kinahanglan nga mas maayo kay sa side axis assembly.

Sa dili pa magsugod ang eksperimento, ibalhin ang laser head ngadto sa working position, sugdi ang camera, ug i-adjust ang exposure ug focal length niini aron ang nakuha nga hulagway klarong mahulagway sulod sa field of view. Atol sa proseso sa laser cladding, ang kahayag nga gipagawas sa tinunaw nga pool gipakita sa duha ka preset beam splitters nga gibutang sa usa ka anggulo nga 45 °, ug sa katapusan direkta nga mosulod sa camera COMS chip. Ang kahayag nga signal nga nakuha sa pixel unit nakabig ngadto sa usa ka digital signal pinaagi sa usa ka serye sa mga pagkakabig ug input ngadto sa computer pinaagi sa usa ka network cable alang sa pagproseso sa imahe.

Ang eksperimento naggamit sa 45 steel nga adunay gidak-on nga 200mm × 100mm × 10mm isip cladding substrate. Sa wala pa ang eksperimento, ang nawong sa cladding substrate gipasinaw sa usa ka sandblasting machine aron makuha ang oxide layer ug uban pang mga hugaw sa ibabaw. Ang 420 nga stainless steel gigamit isip cladding powder, ug ang kemikal nga komposisyon niini gipakita sa Table 1.

3 Pagproseso sa imahe

Kung makuha ang imahe sa tinunaw nga pool, ang pipila nga mga hinungdan sa pagpanghilabot sama sa kahayag sa laser, plasma ug pagsabwag sa pulbos kolektahon ug ipadala sa kompyuter kauban ang imahe sa tinunaw nga pool [14]. Dugang pa, ang pagkawalay kalig-on sa recording device ug ang transmission device makabalda usab sa nakolekta nga molten pool image [15]. Kini nga mga pagpanghilabot makapahisalaag sa pagtuki sa mga kinaiya sa tinunaw nga pool. Busa, aron tukma nga makuha ang kinaiya nga impormasyon nga anaa sa tinunaw nga pool, ang orihinal nga tinunaw nga linaw nga larawan kinahanglang iproseso. Ang kinatibuk-ang proseso sa pagproseso sa imahe sa tinunaw nga pool gipakita sa Figure 2.

3.1 Grayscale sa hulagway

Atol sa laser cladding, ang imahe nga gipresentar sa tinunaw nga pool area lahi sa highlight nga bahin sa ubang mga lugar. Kung itandi sa impormasyon sa chromaticity sa imahe, ang impormasyon sa kahayag sa imahe mas makapakita sa mga kinaiya sa tinunaw nga pool. Busa, gikinahanglan nga i-convert ang kolor nga hulagway nga nakuha niini nga kamera ngadto sa usa ka single-channel nga grayscale nga hulagway. Ang pagkunhod sa gidaghanon sa mga kanal makapakunhod sa gidaghanon sa kalkulasyon, nga mapuslanon sa sunod nga pagproseso sa algorithm. Ang gibug-aton nga average nga pamaagi gigamit sa pagkalkulo sa grayscale sa imahe. Ang pormula sa pagkalkula mao ang: Gray = 0. 299 × R + 0. 587 × G + 0. 114 × B (1)
Diin ang Gray mao ang grayscale nga bili sa pixel human sa gibug-aton nga kalkulasyon; Ang R, G, ug B mao ang mga grayscale nga kantidad sa pula, berde, ug asul nga mga channel sa pixel matag usa.

3.2 Pagsala ug denoising

Atol sa proseso sa pagkuha ug pagpasa sa imahe sa tinunaw nga pool, dili kalikayan nga kini maapektuhan sa kasaba. Kinahanglan nga denoise ang grayscale molten pool nga imahe. Ingon usa ka nonlinear spatial filter, ang median nga filter adunay bentaha nga epektibo nga makuha ang kalit nga mga punto sa pixel sa imahe ug mapadayon ang ngilit sa imahe, nga mapuslanon sa sunod nga pag-ila sa ngilit. Ang gray nga bili sa coordinate point (x, y) human sa median nga pagsala mao ang: Tan-awa ang pormula (2) sa numero

Diin, ang Sxy mao ang coordinate sa tanang pixel sa lugar nga nakasentro sa punto (x, y); Ang g (s, t) mao ang gray nga bili sa orihinal nga pixel niini nga coordinate.

3.3 Pagbahinbahin sa adaptive threshold

Sa imahe sa tinunaw nga pool, ang gray nga kantidad sa mga pixel nga nahimutang sa molten pool area mas taas kaysa sa ubang mga lugar. Busa, ang usa ka makatarunganon nga gray nga threshold mahimong magamit sa pagbulag sa tinunaw nga pool area gikan sa tinunaw nga pool nga larawan. Atol sa proseso sa pag-cladding sa laser, ang gray nga bili sa tinunaw nga linaw nga larawan mausab sa tanang panahon. Ang fixed threshold segmentation method dili tukma nga makabulag sa tinunaw nga pool area sa tanang hulagway. Aron mapauswag ang katukma sa pagkakita, ang imahe sa tinunaw nga pool gibahin sa adaptive threshold segmentation. Ang gray nga histogram nga pag-apod-apod sa tinunaw nga linaw nga hulagway gipakita sa Figure 3.

Ang gray nga pag-apod-apod sa tinunaw nga pool nga imahe sa Figure 3 nag-una nga gikonsentrar sa highlight nga lugar sa ibabaw sa 250, nga usa ka tipikal nga single-peak nga gray nga histogram. Busa, ang triangular threshold segmentation nga pamaagi gigamit sa pagproseso sa tinunaw nga pool nga larawan. Ang prinsipyo mao ang pagdrowing og usa ka tul-id nga linya gikan sa pinakataas nga punto ngadto sa pinakaubos nga punto sa grayscale sa histogram, ug dayon kuwentaha ang bertikal nga gilay-on gikan sa histogram vertex nga katumbas sa matag grayscale ngadto sa tul-id nga linya, ug pilia ang grayscale nga bili nga katumbas sa pinakalayo nga punto isip threshold sa hulagway. Ang pagpatin-aw sa triangular value segmentation code gipakita sa Table 2. Ang binary nga hulagway human sa adaptive threshold segmentation gipakita sa Figure 4.

3.4 Pagproseso sa morpolohiya

Human sa binarying sa hulagway, usa ka binary nga hulagway nga adunay duha ka set sa molten pool area ug background area makuha (tan-awa ang Figure 5). Makita sa Figure 5a nga adunay mga haw-ang nga itom nga spots tungod sa kasaba sulod sa molten pool area, ug adunay gagmay nga light spots nga makita sa powder splashing sa daplin nga contour. Kini nga mga depekto makaapekto sa pagkuha sa tinunaw nga pool contour, mao nga ang tinunaw nga linaw nga larawan kinahanglan nga dugang nga dalisay. Ang sirado nga operasyon sa pagproseso sa morphological gigamit aron mapalapad una ang imahe ug dayon mawagtang kini, nga makatangtang sa gagmay nga mga lungag sa konektado nga lugar; ang bukas nga operasyon una nga moguba sa imahe ug dayon mopalapad niini aron mawagtang ang gagmay nga mga discrete point sa ngilit sa contour, idiskonekta ang pig-ot nga mga gaps sa ngilit sa imahe, ug himuon nga hapsay ang contour. Ang duha nga mga operasyon dili magbag-o sa lugar sa tinunaw nga pool area. Human sa pagtambal, ang usa ka closed molten pool area makuha, sama sa gipakita sa Figure 5b.

3.5 Pagkuha sa Edge

Human mabulag ang tinunaw nga pool area, kuhaa ang ngilit sa tinunaw nga pool area. Ang junction sa molten pool area ug ang background area mao ang dividing point diin ang pixel grayscale nausab pag-ayo. Ang set niini nga mga pixel nga punto mao ang ngilit sa tinunaw nga pool area. Ang Canny operator gigamit sa pag-ila sa ngilit sa tinunaw nga linaw nga larawan, ug ang duha ka-dimensional nga Gaussian filter gigamit sa pagpahapsay ug denoise sa larawan. Ang filter nga ekspresyon mao ang: tan-awa ang pormula (3) sa hulagway

Diin, (x, y) mao ang pixel coordinate sa hulagway; Ang α mao ang kalainan, nga gigamit aron makontrol ang pagkahapsay.

Gamita ang first-order partial derivative finite difference aron kuwentahon ang Jx ug Jy. Matud pa ni Jx. ug Jy, kuwentaha ang gradient amplitude A (x, y) ug direksyon θ, ug kita adunay; tan-awa ang mga pormula (4)-(7) sa hulagway

Human makuha ang gradient amplitude, ang non-maximum suppression gihimo, ug ang taas ug ubos nga double threshold nga mga pamaagi gigamit aron mahibal-an ang ngilit sa imahe. Human sa pagproseso, ang usa ka closed annular area mahimong makuha, ug ang resulta gipakita sa Figure 6.

3.6 Pagkuha sa matunaw nga pool nga gitas-on ug gilapdon

Ang natunaw nga pool usa ka dili regular nga ellipse, ug ang gitas-on ug gilapdon niini dili direkta nga masukod. Busa, ang minimum nga enclosing rectangle algorithm gigamit aron makuha ang gitas-on ug gilapdon nga impormasyon sa melt pool.

Sumala sa edge contour sa melt pool, ang ibabaw, ubos, wala ug tuo nga mga utlanan sa melt pool nakit-an nga nagtukod sa inisyal nga nagkulong nga rectangle. Himoa nga ang ibabaw nga boundary equation mao ang x=x1, ang ubos nga boundary equation mao ang x=x2, ang wala nga boundary equation mao ang y=y1, ug ang tuo nga boundary equation mao ang y=y2.
Ang sentro nga mga coordinate O(x0, y0) sa inisyal nga nagtakuban nga rektanggulo gitino sa upat ka mga utlanan. Dayon: tan-awa ang pormula (8) sa hulagway
Gamit ang O(x0, y0) isip coordinate nga gigikanan, duha ka mutually perpendicular central principal axes ang natukod. Ang mga koordinasyon sa duha ka punto sa bertikal nga tumoy mao ang A(l, y0) ug B(c, y0), ug ang mga koordinasyon sa duha ka punto sa pinahigda nga tumoy mao ang C(x0, l) ug D(x0, k) .
I-rotate ang main axis sa θ degrees libot sa center point O(x0, y0). Ibutang ta nga ang mga koordinasyon sa upat ka mga endpoint sa main axis human sa rotation mao ang A'(xa, ya), B'(xb, yb), C'(xc, yc), ug D'(xd, yd). Dayon: Tan-awa ang mga pormula (9)-(12) sa hulagway.
Paghubad sa nag-unang axis. Kung 0°<θ<45°, ang pinahigda nga kantidad sa x mobalhin pataas o paubos, ug ang bertikal y nga kantidad mobalhin sa wala o tuo. Kung 45°<θ<90°, ang pinahigda nga y nga bili mobalhin sa wala o tuo, ug ang bertikal nga x nga kantidad mobalhin pataas o paubos.

Pinaagi sa pag-rotate ug paghubad sa nag-unang axis sa daghang mga higayon, ang lugar sa gilakip nga rectangle gikalkula, ug sa katapusan ang rectangle nga adunay pinakagamay nga lugar gipili ingon ang labing gamay nga naglibot nga rectangle sa imahe. Ang minimum nga pag-apil sa rectangle nga pagproseso gipakita sa Figure 7.

3.7 Molten pool monitoring system ug camera calibration

Human sa pagproseso, ang may kalabutan nga impormasyon sa tinunaw nga pool nga dapit, tinunaw pool gitas-on, ug tinunaw pool gilapdon sa tinunaw pool larawan mahimong husto nga makuha. Aron ma-monitor ang molten pool morphology sa proseso sa pag-cladding sa laser sa tinuud nga oras, usa ka laser cladding ang nakuha nga imahe sa molten pool ug sistema sa pag-monitor sa online gitukod. Ang sistema sa pagmonitor gibase sa plataporma sa Windows ug gipalambo gamit ang C++ programming, OpenCV open source visual processing library ug Qt application. Ang wala nga bahin sa interface mahimong dinamikong ipakita ang orihinal nga tinunaw nga pool nga imahe ug ang giproseso nga tinunaw nga pool nga imahe sa tinuud nga oras. Ang tuo nga kilid mahimo nga magpagawas sa may kalabutan nga kasayuran sa tinunaw nga lugar sa pool, ang gitas-on sa tinunaw nga pool ug ang gilapdon sa tinunaw nga pool sa kasamtangan nga dapit sa tinunaw nga pool. Ang resulta nga kurba mahimong magdrowing og linya nga tsart sa tinunaw nga pool area. Ang interactive nga main interface sa monitoring system gipakita sa Figure 8.

I-klik ang buton sa setting aron usbon ang mga parameter nga may kalabotan sa camera. Ang pagkaladlad ug ganansya mahimong ma-adjust sa tinuod nga panahon sumala sa mga resulta sa imaging, ug ang mode sa pagkuha sa kamera mahimo usab nga i-adjust. Ang calibration module sa ubos mahimong mano-mano nga itakda ang calibration point, ug sa katapusan makuha ang gidak-on nga katumbas sa matag pixel pinaagi sa pag-ihap sa gidaghanon sa mga pixel tali sa duha ka punto ug sa gihatag nga gitas-on.

Ang eksperimento naggamit ug calibration plate nga gilangkuban sa itom ug puti nga square blocks nga adunay gitas-on nga 1.5mm aron ma-calibrate ang imahe. I-adjust ang camera sa parehas nga posisyon sa pagtrabaho sama sa panahon sa laser cladding, ug ibutang ang calibration plate ilawom sa lens sa camera para makuha, sama sa gipakita sa Figure 9.

Ibutang ang duha ka mga punto sa pagkakalibrate nga P1 ug P2, ug ihap ang gidaghanon sa mga pixel nga katumbas sa 1.5mm nga taas nga bloke sa pagkakalibrate isip 222 ka mga piksel. Unya ang gidak-on sa matag pixel mao ang 1.5/222mm, ang tinunaw nga pool area S = ang gidaghanon sa mga pixel sa tinunaw nga pool area × (1.5/222)², ang tinunaw nga pool nga gitas-on L = ang gidaghanon sa mga pixel sa minimum circumscribed rectangle length × (1.5/222), ug ang tinunaw nga linaw gilapdon W = ang gidaghanon sa mga pixel sa kinagamyang circumscribed rektanggulo gilapdon × (1.5/222).