激光修復(fù)金屬表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)研究與開發(fā)*

馬書澤，蔣 瑋

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116024）

0 引言

金屬部件在使用過程中，由于長(zhǎng)期受到外界交變應(yīng)力等不勻均載荷的作用，特別是工作環(huán)境惡劣情況下，很容易產(chǎn)生微裂紋等表面缺陷。帶有缺陷的金屬部件如繼續(xù)使用，表面的微裂紋缺陷會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展形成更大的缺陷區(qū)域，導(dǎo)致部件因不能滿足使用要求而提前報(bào)廢，造成能源與資源的巨大浪費(fèi)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)因表面缺陷提前報(bào)廢的金屬部件常見的有動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片、齒輪類和軸類部件等。利用先進(jìn)的激光表面修復(fù)技術(shù)對(duì)缺陷金屬表面進(jìn)行修復(fù)，不僅可以延長(zhǎng)金屬部件使用壽命，還可以節(jié)省巨大的經(jīng)濟(jì)損失和時(shí)間損失，尤其是對(duì)高附加值的核心部件具有重要的應(yīng)用意義[2-3]。

激光修復(fù)技術(shù)是一種涉及光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)、材料、物理和化學(xué)等多門學(xué)科的跨學(xué)科高新技術(shù)。激光修復(fù)技術(shù)是利用粉末輸送裝置將金屬粉末同步送到激光熔池中，金屬粉末與有缺陷的金屬表面在高功率激光的作用下同時(shí)熔化凝固，實(shí)現(xiàn)金屬缺陷表面修復(fù)的工藝過程。激光修復(fù)的過程中會(huì)受到許多因素的影響，例如激光器的功率、送粉量、離焦量和焊槍掃面速度等；同時(shí)也要對(duì)整個(gè)修復(fù)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的觀察檢測(cè)如熔池的溫度和激光頭噴嘴到待修復(fù)工件表面距離等，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)激光修復(fù)過程的檢測(cè)與控制。目前實(shí)驗(yàn)室在金屬表面裂紋研究和修復(fù)方面已經(jīng)取得了較豐富的科研成果[4-6]，但是還存在一些不足，如在激光修復(fù)時(shí)需依靠肉眼檢測(cè)金屬表面缺陷，然后手動(dòng)調(diào)節(jié)噴嘴到工件的距離。整個(gè)修復(fù)過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，如調(diào)節(jié)激光頭噴嘴到工件表面的距離就是技術(shù)工作，需要經(jīng)驗(yàn)豐富的人員操作，避免工件接觸到激光頭將損壞激光頭鏡片。因此設(shè)計(jì)一種基于計(jì)算機(jī)視覺的圖像和視頻采集及距離檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)修復(fù)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)調(diào)節(jié)是必不可少的。

本文基于LabVIEW軟件編寫了一套圖像和視頻采集與保存程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬表面進(jìn)行裂紋缺陷的檢測(cè)、激光修復(fù)表面裂紋過程熔池變化的圖像與視頻文件的采集和存儲(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計(jì)在焊接過程中所依據(jù)的信息80%以上來自視覺，機(jī)器視覺就是用機(jī)器（即相機(jī)）代替人眼來進(jìn)行高效的實(shí)時(shí)檢測(cè)和測(cè)量，主要應(yīng)用在人工肉眼很難檢測(cè)或者人工檢測(cè)浪費(fèi)大量時(shí)間和勞動(dòng)力的場(chǎng)合，采用機(jī)器視覺檢測(cè)可以極大的提高生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度[7-8]。同時(shí)通過LabVIEW和Arduino編程語(yǔ)言進(jìn)行串口通信建立了一套帶有溫度補(bǔ)償?shù)木嚯x檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)激光頭噴嘴到待修復(fù)工件表面的實(shí)時(shí)距離，并自動(dòng)存儲(chǔ)距離數(shù)據(jù)，此外該距離檢測(cè)系統(tǒng)還具有超程報(bào)警等功能。

1 硬件結(jié)構(gòu)

1.1 視覺系統(tǒng)

系統(tǒng)采用同軸光路設(shè)計(jì)，工業(yè)相機(jī)檢測(cè)光路和激光修復(fù)光路平行，光纖激光器產(chǎn)生激光經(jīng)過透鏡和二向色鏡后聚焦到待修復(fù)工件表面裂紋處。圖1所示為同軸光路檢測(cè)系統(tǒng)示意圖。

圖1 同軸光路檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

圖2 操作平臺(tái)圖

二向色鏡的作用：激光光束可正常穿過，但是可見光經(jīng)過二向色鏡反射到鍍銀的全反射鏡，最后成像到工業(yè)相機(jī)傳感器上。鍍銀反射鏡和二向色鏡固定角度可調(diào)，且與光軸夾角45°。濾光片可以屏蔽激光修復(fù)過程中發(fā)出的強(qiáng)弧光等干擾光，使相機(jī)可以獲取較清晰的熔池圖像，操作平臺(tái)如圖2所示。

微裂紋通常是指寬度小于0.2 mm，長(zhǎng)度小于2 mm的微小裂紋。本實(shí)驗(yàn)采用的裂紋樣件為含有預(yù)制裂紋的緊湊拉伸（CT）試樣，其外形尺寸如圖3所示，預(yù)制裂紋的寬度0.2 mm，長(zhǎng)度2 mm[5]。

通過計(jì)算、需求分析和前期對(duì)工業(yè)相機(jī)的市場(chǎng)調(diào)研，主要考慮了相機(jī)的分辨率、采樣速率和尺寸大小和接口等。最終選用了加拿大Point Grey公司的FL2-14S3工業(yè)相機(jī)，參數(shù)如表1所示。

圖3 預(yù)制裂紋試樣尺寸圖

表1 FL2-14S3相機(jī)工作參數(shù)

1.2 距離檢測(cè)系統(tǒng)

選用Arduino UNO R3作為下位機(jī)開發(fā)板，由HC-SR04超聲波模塊、DS18B20溫度傳感器和超程報(bào)警蜂鳴器組成的系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境溫度檢測(cè)、距離檢測(cè)和超程報(bào)警，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.2.1 距離檢測(cè)

由于激光修復(fù)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的煙塵和弧光等，因此選用超聲波進(jìn)行距離檢測(cè)。超聲波測(cè)距具有不受外界環(huán)境干擾、抗電磁干擾能力強(qiáng)、指向性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低等優(yōu)點(diǎn)，在惡劣的環(huán)境下具有很好的適應(yīng)能力，超聲測(cè)距原理如圖5所示。

圖4 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 超聲波測(cè)距原理圖

室溫下（即20℃條件下），聲波的傳輸速度約為343.5 m/s，因此根據(jù)超聲波往返的時(shí)間可以求出到被測(cè)物體的距離。但是由于超聲波的傳播速度在不同的空氣密度下是不同的，成正比例變化；而環(huán)境溫度的高低又影響著空氣的密度，溫度越高，氣體分子運(yùn)動(dòng)加快，空氣密度就越小。因而需要考慮溫度變化給測(cè)量結(jié)果造成帶來的不穩(wěn)定因素[9]。超聲波傳輸速度和溫度變化的關(guān)系近似公式如下：

v=331.5 m/s+0.606t

式中：v為超聲波傳輸速度，m/s；t為環(huán)境溫度，℃。

1.2.2 溫度補(bǔ)償

由于超聲波測(cè)距時(shí)受環(huán)境溫度影響，裝置采用溫度傳感器進(jìn)行補(bǔ)償。DS18B20數(shù)字溫度傳感器具有性價(jià)比較高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，圖6為DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖6 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2.3 超程報(bào)警

因在焊接修復(fù)時(shí)，要保證激光的離焦量，因此裝置設(shè)有距離超程報(bào)警功能，當(dāng)激光頭噴嘴到待修復(fù)工件表面距離處于90～95 mm之間，激光器正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)工件表面的修復(fù)；當(dāng)檢測(cè)到距離大于95mm或者小于90mm，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，提示距離超出設(shè)定值，并且激光器停止工作。報(bào)警器采用一種小型有源蜂鳴器，其體積較小、價(jià)格較低、結(jié)構(gòu)可靠。

帶有溫度補(bǔ)償和超程報(bào)警的超聲波測(cè)距系統(tǒng)接線如圖7如所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW是一種圖形化和可視化編程語(yǔ)言，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集功能和友好的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，可方便地與其他軟件和硬件等進(jìn)行通訊，廣泛應(yīng)用在信息數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)控制等工程領(lǐng)域。

根據(jù)系統(tǒng)功能和需求，在設(shè)計(jì)軟件的過程中，按照模塊化和功能化原則，將軟件功能細(xì)分，然后采用自頂向下、層次化的設(shè)計(jì)方式，將系統(tǒng)細(xì)分為若干個(gè)模塊。這樣既可以條理清晰，且極大地提高了軟件的設(shè)計(jì)效率和運(yùn)行效率。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖8所示。

操作流程圖如圖9所示，運(yùn)行程序用戶輸入賬號(hào)和密碼進(jìn)入主控制程序，通過相機(jī)檢測(cè)金屬表面裂紋。在裂紋修復(fù)的過程，點(diǎn)擊“拍照”和“采集視頻”選項(xiàng)，程序?qū)⒉杉降膱D像和視頻文件存儲(chǔ)到指定的文件夾下，同時(shí)將采集到溫度和距離數(shù)據(jù)生成Excel表。

圖8 軟件結(jié)構(gòu)圖

圖9 流程圖

圖10 系統(tǒng)登陸界面

2.1 系統(tǒng)登陸

系統(tǒng)登陸設(shè)置的主要目的是驗(yàn)證登陸人員登陸權(quán)限，在軟件啟動(dòng)后，操作人員需要輸入用戶名和密碼正確后才可以正常登陸，操作軟件設(shè)備，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)將操作者信息存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，如圖10所示為系統(tǒng)登陸界面圖。

2.2 圖像視頻的采集和存儲(chǔ)

利用LabVIEW中視覺采集NI-IMAQdx模塊中的Grab命令編寫圖像和視頻采集程序，程序主體通過While循環(huán)內(nèi)嵌套兩個(gè)真假條件結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)圖像的存儲(chǔ)及視頻文件的存儲(chǔ)，圖11為圖像及視頻采集程序框圖。

圖11 圖像及視頻采集程序框圖

2.3 距離檢測(cè)程序

距離檢測(cè)基于LabVIEW作為上位機(jī)，Arduino作為下位機(jī)開發(fā)板編寫。下位機(jī)Arduino編寫超聲波測(cè)距、溫度檢測(cè)以及超程報(bào)警程序后下載到Arduino UNO開發(fā)板，然后通過COM串口通信實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)LabVIEW通信，程序如圖12所示。

圖12 Arduino串口通信

下位機(jī)Arduino將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)LabVIEW后，數(shù)據(jù)在LabVIEW中通過數(shù)學(xué)計(jì)算，最終以圖形顯示在前面板上，圖13～15所示為程序框圖。

圖13 串口通訊程序圖

圖14 距離數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序圖

圖15 超程報(bào)警程序圖

2.4 結(jié)果分析

圖像視頻采集程序模塊和距離檢測(cè)程序模塊編寫完成后，采用由底層至頂層結(jié)構(gòu)在LabVIEW軟件平臺(tái)內(nèi)編寫圖像視頻采集和距離檢測(cè)系統(tǒng)主程序，程序前面板如圖16所示。

圖16 主程序前面板圖

程序運(yùn)行后，溫度和距離傳感器自動(dòng)檢測(cè)，并將數(shù)據(jù)成功存儲(chǔ)到Excel表中，超程報(bào)警功能準(zhǔn)確及時(shí)地報(bào)警。

如圖17所示，當(dāng)熱源接近溫度傳感器，溫度會(huì)迅速上升，熱源移開后溫度回落。

圖17 溫度變化圖

如圖18所示，傳感器從50 mm逐漸增加到300 mm，超聲波傳感器能快速準(zhǔn)確地反應(yīng)當(dāng)前距離，并能自動(dòng)將檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到Excel表中，如圖19所示。

圖18 距離變化圖

如圖20所示，程序運(yùn)行后，課題通過動(dòng)態(tài)的視頻圖像放大金屬表面缺陷定位和檢測(cè)，然后調(diào)整激光位置，準(zhǔn)備修復(fù)裂紋缺陷。

圖19 結(jié)果存儲(chǔ)

圖20 裂紋檢測(cè)圖

在程序運(yùn)行過程中，點(diǎn)擊“拍照”按鈕，程序會(huì)將相機(jī)拍攝到的照片存儲(chǔ)到制定的文件下，供后期圖像處理等程序調(diào)用。激光修復(fù)金屬表面裂紋缺陷時(shí)，通過拍照功能將修復(fù)時(shí)熔池的變化照片存儲(chǔ)，后期通過對(duì)熔池照片的圖像處理計(jì)算熔池溫度和修復(fù)質(zhì)量的檢查。視頻采集功能將整個(gè)激光修復(fù)過程的視頻以設(shè)定好的幀率存儲(chǔ)到指定的文件下，此功能實(shí)現(xiàn)了整個(gè)修復(fù)過程視頻文件的存儲(chǔ)，便于后期觀測(cè)查找原因。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的激光修復(fù)金屬表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)采用同軸光路設(shè)計(jì)，能夠根據(jù)操作者的需求實(shí)現(xiàn)修復(fù)前裂紋缺陷的檢測(cè)、修復(fù)過程中熔池狀態(tài)的檢測(cè)和整個(gè)修復(fù)過程圖像及視頻文件的存儲(chǔ)。同時(shí)通過LabVIEW和Arduino混合編程，Arduino編寫的超聲波距離檢測(cè)程序、溫度檢測(cè)程序和超程蜂鳴器報(bào)警程序。超聲波傳感器和溫度傳感器將檢測(cè)的距離和溫度數(shù)據(jù)傳輸給Arduino，下位機(jī)Arduino通過串口和上位機(jī)Lab-VIEW通信，將檢測(cè)的距離和溫度數(shù)據(jù)顯示在LabVIEW前面板上，并且通過環(huán)境溫度值計(jì)算補(bǔ)償后的距離值，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和調(diào)節(jié)激光頭噴嘴到工件表面的距離，距離超程時(shí)蜂鳴器即時(shí)報(bào)警。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)能夠根據(jù)距離檢測(cè)結(jié)果，能夠快速實(shí)現(xiàn)激光聚焦，提高了修復(fù)的自動(dòng)化程度和系統(tǒng)靈活性。