DOI: 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2020. 08. 002
马书泽，蒋玮. 激光修复金属表面缺陷检测系统研究与开发［J］ . 机电工程技术，2020，49（08）：7-10.
基金项目：国家自然科学基金资助项目（编号：51575076）
激光修复金属表面缺陷检测系统研究与开发*
马书泽，蒋玮
（大连理工大学机械工程学院， 辽宁大连116024）
摘要：针对激光修复金属表面缺陷，基于LabVIEW和Arduino编程语言开发了一套图像和视频采集及距离检测系统。该系统可以实现对金属表面裂纹缺陷的检测、修复过程中熔池图像的采集和保存、激光修复表面裂纹过程熔池变化的视频文件存储、激光头喷嘴到待修复工件表面距离的检测和数据存储以及距离超程报警等功能。介绍了系统的硬件结构、软件设计以及功能控制系统的具体实现方法。实验结果表明，检测系统可以高质量地实现图像及视频的采集存储、实时的距离检测和超程报警，极大地提高了修复的效率。
关键词：激光修复；LabVIEW；Arduino；串口通信；图像视频采集；距离检测；超程报警
中图分类号：TP274 文献标志码：A 文章编号：1009－9492 ( 2020 ) 08－0007－04
Research and Development of Laser Repairing Metal Surface Defect
Detection System
Ma Shuze，Jiang Wei
（School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning116024, China）
Abstract: For repairing metal surface defects by laser, a set of image and video acquisition and distance detection systems were developed based on LabVIEW and Arduino programming languages. The system can realize the detection of crack defects on the metal surface, the collection and storage of molten pool images during the repair process, the collection and storage of video files of the molten pool changes during the laser repair of surface cracks, and the detection of the distance from the nozzle of the laser head to the surface of the workpiece to be repaired and data storage and distance over-range alarm. The hardware structure, software design and function control method of the system were introduced . Experimental results show that the system can achieve high-quality image and video acquisition and storage, real-time distance detection and over-range alarm, which greatly improves the efficiency of repair.
Key words: laser repair; LabVIEW; Arduino; serial communication; image video acquisition; distance detection; over-range alarm
引言
金属部件在使用过程中，由于长期受到外界交变应力等不匀均载荷的作用，特别是工作环境恶劣情况下，很容易产生微裂纹等表面缺陷。带有缺陷的金属部件如继续使用，表面的微裂纹缺陷会继续扩展形成更大的缺陷区域，导致部件因不能满足使用要求而提前报废，造成能源与资源的巨大浪费[1]。据统计因表面缺陷提前报废的金属部件常见的有动机转子叶片、齿轮类和轴类部件等。利用先进的激光表面修复技术对缺陷金属表面进行修复，不仅可以延长金属部件使用寿命，还可以节省巨大的经济损失和时间损失，尤其是对高附加值的核心部件具有重要的应用意义[2-3]。
激光修复技术是一种涉及光、机、电、计算机、材料、物理和化学等多门学科的跨学科高新技术。激光修复技术是利用粉末输送装置将金属粉末同步送到激光熔池中，金属粉末与有缺陷的金属表面在高功率激光的作用下同时熔化凝固，实现金属缺陷表面修复的工艺过程。激光修复的过程中会受到许多因素的影响，例如激光器的功率、送粉量、离焦量和焊枪扫面速度等；同时也要对整个修复过程进行实时的观察检测如熔池的温度和激光头喷嘴到待修复工件表面距离等，实现对整个激光修复过程的检测与控制。目前实验室在金属表面裂纹研究和修复方面已经取得了较丰富的科研成果[4-6]，但是还存在一些不足，如在激光修复时需依靠肉眼检测金属表面缺陷，然后手动调节喷嘴到工件的距离。整个修复过程费时费力，如调节激光头喷嘴到工件表面的距离就是技术工作，需要经验丰富的人员操作，避免工件接触到激光头将损坏激光头镜片。因此设计一种基于计算机视觉的图像和视频采集及距离检测系统，对修复过程进行实时的检测调节是必不可少的。
本文基于LabVIEW软件编写了一套图像和视频采集与保存程序，实现对金属表面进行裂纹缺陷的检测、激光修复表面裂纹过程熔池变化的图像与视频文件的采集和存储。据统计在焊接过程中所依据的信息80%以上来自视觉，机器视觉就是用机器（即相机） 代替人眼来进行高效的实时检测和测量，主要应用在人工肉眼很难检测或者人工检测浪费大量时间和劳动力的场合，采用机器视觉检测可以极大的提高生产效率和自动化程度[7-8]。同时通过LabVIEW和Arduino编程语言进行串口通信建立了一套带有温度补偿的距离检测系统，该系统可以实时检测激光头喷嘴到待修复工件表面的实时距离，并自动存储距离数据，此外该距离检测系统还具有超程报警等功能。
结束语
本文设计的激光修复金属表面缺陷检测系统采用同轴光路设计，能够根据操作者的需求实现修复前裂纹缺陷的检测、修复过程中熔池状态的检测和整个修复过程图像及视频文件的存储。同时通过LabVIEW和Arduino混合编程， Arduino编写的超声波距离检测程序、温度检测程序和超程蜂鸣器报警程序。超声波传感器和温度传感器将检测的距离和温度数据传输给Arduino，下位机Arduino通过串口和上位机LabVIEW通信，将检测的距离和温度数据显示在LabVIEW前面板上，并且通过环境温度值计算补偿后的距离值，最终实现自动检测和调节激光头喷嘴到工件表面的距离，距离超程时蜂鸣器即时报警。根据实验数据检测系统能够根据距离检测结果，能够快速实现激光聚焦，提高了修复的自动化程度和系统灵活性。