熔焊增材成形熔池多物理场在线测量技术

本书从实用性和优选性出发，较全面地论述熔池多物理场光电在线测量分析在熔焊增材过程质量监测中的前沿理论与方法。包括熔池视觉信息获取、多源熔池图像信息融合、熔池视觉形态在线检测、熔池温度场测量与冶金缺陷预测、电弧瞬态光谱获取与分析、增材成形三维形貌监控、熔池视觉-光谱-电参协同传感系统等。本书紧跟上述内容的国内外发展现状和近期新成果，是多模态光电成像检测、形态冶金过程质量分析方面的专著，反映作者近年来在这一交叉领域取得的主要研究成果。
本书可作为高等院校光电、计算机、自动化、材料等专业的高年级本科生、研究生教材，同时可供从事增材制造、冶金工艺、计算机视觉、人工智能等相关领域的专业研究人员学习、参考。

序一
序二
前言
第1章 绪论 1
1.1 熔焊增材在线质量监测中的科学和技术问题 1
1.1.1 高温熔焊与增材成形机理 3
1.1.2 焊接过程智能控制理论 4
1.2 熔池多物理场测量与在线质量预测方法 5
1.2.1 熔池视觉检测 5
1.2.2 熔池三维重建 13
1.2.3 熔池温度测量 16
1.2.4 电弧光谱诊断 17
1.2.5 多模态数据解析 21
1.2.6 焊接系统模型 29
1.3 本书概述 31
参考文献 32
第2章 熔池视觉信息获取 38
2.1 熔池视觉很好成像机理 38
2.1.1 熔池成像影响因素分析 38
2.1.2 熔池热辐射特性 39
2.1.3 相机的量子效率 39
2.1.4 熔池视觉很好成像波段选择 40
2.1.5 基于焊接电流的熔池图像触发采集优化方法 42
2.1.6 熔池成像系统设计与实验结果 45
2.1.7 铝合金熔池成像结果 48
2.2 多波段抗干扰熔池图像获取方法 52
2.2.1 多波段CMT+P工艺熔池图像采集装置 53
2.2.2 多波段CMT+P工艺熔池图像特征 54
2.2.3 多曝光TIG工艺熔池图像采集装置 55
2.2.4 多曝光TIG工艺熔池图像特征 56
2.3 本章小结 58
参考文献 59
第3章 多源熔池图像信息融合 60
3.1 细节增强的多波段熔池图像彩色融合算法 60
3.1.1 基于NSCT的熔池图像融合算法 60
3.1.2 基于改进Reinhard算法的熔池彩色融合算法 68
3.2 基于高、低曝光熔池图像融合的增强HDR生成算法 72
3.2.1 算法模型及流程 72
3.2.2 基于改进域导向滤波的细节因子提取 73
3.2.3 权重矩阵构建 75
3.2.4 基于域变换递归滤波的光晕消除 77
3.2.5 图像融合 78
3.2.6 实验及结果分析 79
3.3 本章小结 86
参考文献 86
第4章 熔池视觉形态在线检测 88
4.1 熔池图像轮廓提取 88
4.1.1 改进SLIC超像素分割及合并策略优化的熔池轮廓提取 92
4.1.2 基于超像素的区域合并和自适应抠图算法 105
4.1.3 基于边缘导向算子模板匹配的熔池轮廓提取算法 110
4.1.4 基于活动轮廓模型的PAW和TIG工艺的熔池轮廓提取方案 125
4.1.5 基于Res-Seg卷积神经网络的熔池轮廓检测 134
4.2 在线焊缝宽度预测 145
4.2.1 基于网络的焊缝宽度预测 145
4.2.2 基于数据拟合的焊缝宽度预测 152
4.3 本章小结 164
参考文献 165
第5章 熔池温度场测量与冶金缺陷预测 167
5.1 温度场测量方法 168
5.1.1 基于彩色CCD的熔池温度场计算原理 168
5.1.2 基于彩色CCD的熔池温度场检测系统 169
5.1.3 CMT焊熄弧后熔池的冷却过程 172
5.1.4 基于熔池温度场分布的CMT焊熔透状态预测 173
5.1.5 CMT焊熔透实验结果及分析 175
5.2 冶金质量分析 176
5.2.1 基于温度场的驼峰焊道检测 176
5.2.2 基于熔池视觉的焊缝驼峰、熔透检测 182
5.2.3 基于熔池形态的余高和熔深监测 185
5.3 基于深度预测网络的驼峰和熔透预警 198
5.3.1 熔池预警网络设计 199
5.3.2 熔池预警算法实验及结果分析 205
5.4 本章小结 210
参考文献 210
第6章 电弧瞬态光谱获取与分析 212
6.1 高灵敏度、高信噪比瞬态光谱测量 212
6.1.1 基于多通道测量技术的光谱仪 212
6.1.2 基于亚Hadamard矩阵的瞬态光谱仪设计与实验结果 217
6.1.3 基于瞬态HTS的电弧光谱研究 227
6.2 基于神经网络的光谱测量 230
6.2.1 网络模型设计 230
6.2.2 信噪比分析 234
6.2.3 网络重建及仿真数据测试 235
6.2.4 基于实际光学系统的实验结果 238
6.3 基于光谱稀疏表示的在线电弧稳定性监测 240
6.3.1 基于离散稀疏流形正则化的电弧光谱稳定性监测 241
6.3.2 保护气流量在线监测实验 252
6.4 本章小结 259
参考文献 259
第7章 增材成形三维形貌监控 261
7.1 三维形貌测量 261
7.1.1 基于线结构光与工业机器人的大构件三维测量 261
7.1.2 基于面结构光与工业机器人的大构件三维测量 273
7.2 增材过程形貌监测 294
7.2.1 基于熔池图像和深度残差网络的电弧增材余高定量监测 295
7.2.2 增材熔池长程预测和余高增量分析 304
7.2.3 增材三维粗糙度测量方案与结构光线扫三维重建系统 313
7.3 增材过程焊缝跟踪 333
7.3.1 焊缝跟踪技术组成 334
7.3.2 基于神经网络的焊缝特征提取算法 336
7.3.3 焊缝跟踪实验结果分析 338
7.4 本章小结 349
参考文献 349
第8章 熔池视觉-光谱-电参协同传感 352
8.1 视觉-光谱-电参获取 352
8.1.1 电参数据采集 352
8.1.2 光谱数据采集 353
8.1.3 基于FPGA的数据采集模块 354
8.2 图像和电参协同的电弧成分预测 355
8.2.1 电弧成分定性预测技术组成 356
8.2.2 电弧成分定性预测实验结果分析 369
8.2.3 电弧成分定量预测技术组成 375
8.2.4 电弧成分定量预测实验结果分析 380
8.3 基于图像和光谱多源特征融合的弧焊质量监测 386
8.3.1 实验系统以及数据获取 387
8.3.2 网络结构 390
8.3.3 结果分析 395
8.4 本章小结 400
参考文献 400
第9章 多平台熔焊过程质量监测系统 402
9.1 LabVIEW平台基于视觉和光谱的熔焊质量监测 402
9.1.1 焊接子系统 403
9.1.2 数据采集子系统 403
9.1.3 系统软件设计方案 406
9.1.4 CMT熔焊质量在线监测系统软件设计 407
9.1.5 系统界面 408
9.2 ZYNQ平台基于电参和光谱的熔焊质量监测 409
9.2.1 电参感知模块的具体实现 411
9.2.2 光谱感知模块功能的具体实现 415
9.2.3 硬件系统集成 422
9.2.4 系统装置的搭建与测试 424
9.3 本章小结 434
参考文献 434