基于彩色CCD的激光熔覆熔池温度闭环控制研究

孙华杰，石世宏*，石 拓，傅戈雁，陈 磊

(1.苏州大学 机电工程学院，苏州 215021；2.西安交通大学 机械工程学院，西安 710049)

引 言

激光熔覆成形(laser cladding forming，LCF)增材制造基于激光熔覆技术与快速成形技术。在成形过程中，熔池的温度是影响成形稳定性、熔覆层质量、内应力、表面质量等的重要因素[1-6]。影响熔池温度的参量有很多，如激光功率、送粉速率、离焦量和扫描速率等[7]。因此，在LCF制造过程中，实现熔池温度的实时闭环控制对提高成形质量至关重要。

国内外现有激光熔覆成形过程熔池温度检测方法大致可分为两大类：基于红外测量和基于CCD测量。TAN指出比色红外测温仪测温结果具有较高的准确性[8]。CHEN利用红外热像仪直观地反映出熔池温度的变化情况[9]。JIANG等人采用比色图像采集的方法，把CCD相机固定在激光光头上，减小了测量的误差[10]。LEI等人基于CCD开发了一套熔池温度动态检测系统，该系统具有一定的测温稳定性[11-12]。相比红外测温，CCD测温具有明显的成本优势，因此被广泛应用于多种不同的场合。对于熔池温度的控制，有研究人员指出，CCD相机是获取激光熔覆成形过程中复杂信息的有效工具，但数字图像处理耗费时间，限制了熔覆过程速度[13]。HU等人设计了简单的比例-积分-微分(proportional-integral-derivative，PID)控制器，加入控制器后成形的薄壁墙可以控制形貌的变化[14]。TOYSERKANI和KHAJEPOUR利用含有带通滤波的PID控制器调整激光功率输入，提高了熔覆过程的几何尺寸精度[15]。

光内送粉激光熔覆技术具有能量分布更均匀、光粉耦合度高、熔覆界面平整等优势。……