针对目前算法对激光焊接熔池图像进行光斑中心定位时, 由于未能对图像信息进行有效地干扰抑制, 导致该算法在中心定位过程中, 存在定位精度低、定位效果差以及定位性能低的问题, 提出激光焊接熔池图像光斑中心线性定位算法。该算法首先对激光熔池图像进行去噪、干扰抑制、信息增强等处理, 并依据处理结果提取图像特征; 再使用Hough变换方法对图像特征参数进行变换, 完成激光光斑中心信息的提取; 最后通过提取的信息, 实现激光光斑中心的线性定位。试验结果表明, 运用该算法进行光斑中心定位时, 定位精度高、定位效果好以及定位性能强。

点云配准是三维重建中的重要步骤, 为解决传统迭代最近点(ICP)点云配准算法速度慢、迭代次数多、精度低的问题, 在搭建3D相机与RGB模组成像系统的基础上, 对传统ICP方法进行改进, 提出一种AKAZE(Accelerated KAZE)算法与广义迭代最近点(GICP)算法相融合的方法。此方法采用AKAZE算法进行RGB图像的特征点匹配, 将RGB图像的特征点映射至对应的点云数据上, 利用广义迭代最近点算法实现点云配准。试验结果表明, 所述融合算法相比传统的ICP算法, 降低了迭代次数, 平均时间缩短了41.29%, 时间效率得到了极大提升, 配准效果也有明显改善。提出的点云配准方法有效地解决了传统配准方法时间效率低的问题。

为解决数控机床在同轴测试过程中需要耗费过长时间以及计算结果精度偏低的问题, 开发一种通过视觉成像系统来实现数控机床进给系统的同轴检测技术, 构建可以实现数控机床自主定位的机械控制系统。研究结果表明, 在相机像素为500万的情况下, 弧分段圆形算法得到的误差均值为0.046 mm, 总共所需时间为242 ms, 达到实时显示效果。快速圆弧检测算法能够在低相机分辨率条件下经过短时间处理就达到较高的精度, 从而提高最终的图像处理精度。应用测试表明, 采用本算法所需的响应时间是244 ms, 能够对卡盘偏移量进行实时调控, 检测得到的误差均值为0.038 mm, 最大为0.075 mm, 在保证精度要求的条件下大幅缩短了数控机床对准时间。该研究对提高数控机床的加工精度具有很好的实际指导意义, 易于推广应用。

为提高激光除漆效率与质量, 采用响应面分析法对激光除漆后基体表面粗糙度进行优化研究。通过建立激光除漆工艺参数二次多项式回归模型, 验证模型适应性, 进一步对比分析最优参数除漆后的基体表面性能。结果表明, 激光功率与激光频率对基体表面粗糙度影响显著, 扫描速度与扫描次数对表面粗糙度影响较小。当2024铝合金基体的油漆厚度为100 μm时, 响应曲面分析法得出的最优参数为: 激光功率45 W、激光频率400 kHz、激光扫描速度600 mm/s、扫描次数6次。试验测得除漆后基体表面粗糙度Sa为1.739 μm, 仿真与试验误差率仅有0.6%。对比发现, 激光除漆后基体表面宏观形貌高低不平、存在激光扫描痕迹, 表面粗糙度Sa从1.319 μm增加到1.739 μm。从微观层面发现基体表面存在钝化层与隆起的熔融物, 局部区域更加光滑平整, 基体化学成分没有改变。激光除漆后基体显微硬度从平均141.59 HV降低到130.37 HV, 腐蚀速率由原来的0.008 852 0 mm/a减小到0.002 340 4 mm/a, 基体显微硬度降低, 耐腐性提高。虽然激光除漆后基体表面形貌与表面性能改变, 但对基体的再利用以及油漆的再涂装没有影响, 研究内容可为改进激光除漆工艺提供参考, 以减少基体损伤并获得更好的除漆效果。

为了避免使用化学试剂进行轮对脱漆所产生的环境污染和对作业人员的伤害, 提出基于复合激光的自动化除漆方法。设备采用通过式的设计, 转轮机构配合三轴自动化平台的系统方案, 满足现场的工艺布局和流水线作业要求。通过理论计算、效果试验、效率试验以及SEM测试, 得到了适合轮对表面清洗的工艺, 具体工艺参数为: 脉冲激光功率100%、扫描速度8 000 mm/s、线宽55 mm、频率20 kHZ、轮对转动速度21 mm/s; 半导体激光功率90%、扫描速度7 000 mm/s、线宽55 mm、频率2 kHz、占空比100%, 激光加工头横向移动速度为1.95 mm/s。

在激光-电弧复合焊接中, 由于焊接参数众多及各参数之间的耦合性, 任何一个参数的变化均会对焊缝形貌产生显著影响, 如何选取激光-电弧复合焊接工艺参数, 从而获得良好的焊缝形貌稳定性一直是复合焊接研究的重点。采用极坐标的方法对试验样件焊接形貌进行测量, 以焊缝形貌中心为坐标原点, 每间隔15°对焊缝形貌进行测量, 从而得到对应的24个极坐标尺寸。针对繁多的焊接工艺参数和焊缝形貌, 采用BP神经网络来建立复合焊接平板对接焊主要焊接参数(焊接电流、激光功率、焊接钝边、坡口角度、焊接间隙)和测量得到的24组极坐标尺寸之间的BP神经网络预测模型, 并用遗传算法对预测模型进行优化。根据预测得到的24组形貌尺寸, 通过计算左右对称尺寸差值的方差作为激光-电弧复合焊接焊缝形貌的对称度。研究结果显示, 优化后的焊接工艺参数和极坐标尺寸之间的预测精度在5%左右, 焊缝形貌对称度预测误差在13%左右。此方法对于焊接工艺参数的优化研究具有重要意义。

在波长调制激光吸收光谱(WMS)技术的测量过程中, 测量系统不可避免地会受到电路硬件噪声、机械振动噪声、环境噪声等干扰因素的影响。以CH4在6 046.95 cm-1附近的吸收谱线为例, 通过数值仿真方法定量研究了WMS技术的噪声响应特性。对不同信噪比下采用FFT滤波方法提取的归一化二次谐波信号的峰值变化进行了比较分析, 在此基础上就二次谐波峰值变化的标准差和相对误差与信号信噪比之间的关系进行建模, 得到了二者与信噪比之间的近似表达式, 拟合R2值分别为0.999 57、0.993 52。研究结果表明, 通过数据平均的方式无法从根本上消除噪声对WMS测量准确度的影响, 所建立的数学模型为噪声影响下的WMS测量结果的修正提供了思路。

相位定量检测是检测入射光场波前的重要指标, Shack-Hartmann波前传感器能够同时测量波前的振幅和相位分布, 但其分辨率较低。针对传统的非干涉相位检测法需要两台放置在不同位置的相机, 使用两幅图像之间的相位差来估算波前的相位信息, 造成了相位成像系统的复杂性和不确定性的问题, 提出了将宽带光源作为照明光源, 只需单次拍摄彩色图像输入神经网络并使用梯度下降算法进行优化的相位重建方法。仿真和试验结果表明, 这项技术将物理模型和神经网络相结合, 能够以高分辨、高速度、低成本实现待测物体的相位重建工作。其中作为评价重建图像质量的均方误差函数(MSE)最小可达到0.089 rad, 对于透明细胞的相位重建质量为0.133 rad, 要优于GS法(0.320 rad)和TIE法(0.378 rad)。因此, 提出的基于神经网络的宽带光源相位重建方法可以运用于自适应光学、活细胞生物实时成像等领域。

研究频域内流动血液散射的动态激光散斑, 基于单散射近似导出散斑场的功率谱, 并提出从散斑强度获得功率谱的算法。结果表明, 频谱通常由3个参数决定: 静态和动态散斑场之比、特征频率以及固定多普勒频移。提出从模拟功率谱中获得这些参数的算法, 并显示出良好的精度, 提出基于参数测量流速和随机运动的程序。

为观察荆防方加减联合(light-emitting diodes-low-level light therapy, LED-LLLT)红外-黄光照射治疗风热型面部激素依赖性皮炎(FCAD)临床疗效, 将83例风热型面部激素依赖性皮炎患者随机分配到治疗组41例, 对照组42例。两组患者均外用皮肤屏障修复剂、LED-LLLT红外-黄光照射, 治疗组另给予荆防方加减内服, 均治疗8周。比较治疗前、治疗后不同时间瘙痒、灼热、红斑、疼痛、紧绷感程度和皮肤病生活质量指数(DLQI)评分; 检测治疗前后皮肤屏障功能、血清IFN-γ、IL-4水平及评价临床疗效。结果表明: 治疗后4周, 治疗组总有效率75.61%, 对照组总有效率54.76%; 治疗后8周, 治疗组总有效率92.68%, 对照组总有效率76.19%, 治疗组均优于对照组, 比较差异均有统计学意义(P<0.05)。在治疗后2、4、8周, 两组患者在瘙痒、灼热、疼痛、紧绷感、红斑面积积分均下降(P<0.05); 在治疗后2、4、8周, 治疗组瘙痒积分均低于同时间对照组积分(P<0.05); 在治疗后8周, 治疗组红斑面积积分等方面低于对照组(P<0.05)。治疗后4、8周, 治疗组(dermatology life quality index,DLQI)评分均低于对照组(P<0.05)。治疗后两组患者(trans epidermal water loss,TEWL)降低、表皮含水量增加、角质层增厚, 治疗组优于对照组(P<0.05)。治疗组与对照组IFN-γ、IL-4水平与治疗前比较差异有统计学意义(P<0.05)。结论: 荆防方加减联合LED-LLLT红外-黄光照射治疗风热型面部激素依赖性皮炎能够明显改善患者症状, 提高生活质量。

利用激光熔覆技术在42CrMo钢基体表面制备镍基碳化钨增强涂层, 通过添加松香酒精溶液、醋酸纤维素和丙酮的混合溶液以及水玻璃的水溶液三种不同的黏结剂, 研究在不同黏结剂下激光熔覆镍基碳化钨增强涂层的显微组织、元素组成、物相组成、显微硬度及耐磨性能。试验结果表明: 激光熔覆涂层的物相成分为γ-Ni(Fe)、Ni3Fe、WC、Cr23C6、Cr7C3; 在以松香酒精溶液为黏结剂时, 得到的涂层底部为胞晶和一些树枝状的枝晶, 组织分布较致密、均匀, 涂层中部多为一些树枝状的枝晶; 平均硬度为739.4 HV, 平均摩擦因数为0.53, 平均磨损量为14.07×10-3 mm3, 相较于基体分别减小了约13%和68.5%, 磨损形式为轻微的磨粒磨损和疲劳磨损, 提升了涂层的耐磨性能。

由于电动汽车悬架系统控制的效果较差, 且未能对材料表面裂缝进行提取, 故降低了裂缝修复完整度和效果。因此, 提出电动汽车悬架系统控制与材料表面裂缝激光熔覆修复方法。首先构建电动汽车的动力学模型, 并对悬架性能进行分析, 在此基础上设计LQG控制器, 实现悬架系统的控制。利用泛洪填充算法提取材料表面的裂缝目标, 并对裂缝的高度和宽度进行计算, 采用神经网络构建激光熔覆修复模型, 完成材料表面裂缝的修复。试验结果表明, 所提方法具有良好的控制效果, 且裂缝修复完整度高、效果好。

采用激光熔覆技术在轧制态GH4169合金表面制备GH4169涂层, 重点研究涂层的显微组织、析出相、高温显微硬度和高温摩擦磨损性能。结果表明: 涂层中无气孔和裂纹等缺陷, 且主要由Laves偏析相、γ基体相和少量MC及MN相组成; 涂层的室温平均显微硬度为273.6 HV(0.3 kg试验力), 且随着测试温度的升高, 其显微硬度在不同温度下呈现下降趋势, 测试温度为600 ℃时, 显微硬度下降到197.4 HV(0.3 kg试验力), 约为室温时的72%; 高温摩擦试验结果表明, 随着测试温度的提高, 其磨损率也呈现下降趋势, 当测试温度为600 ℃时, 试样磨损率约为室温时的25%; 摩擦磨损试验结束后, 测试温度不高于500 ℃的涂层, 其常温显微硬度变化不大, 而测试温度为600 ℃的涂层, 由于强化相析出, 常温显微硬度有所提高。

在纺织服装领域, 传统纺织服装工艺虽做工良好, 但在大批量生产时, 无法满足人们的需要。在此基础上, 激光加工技术出现后便在纺织服装领域得到广泛的应用, 其具有加工精度高、自动化程度高等优点。目前存在的激光加工技术主要有激光裁剪与切割、激光雕刻、激光焊接及其他激光加工技术。对纺织服装领域的激光加工技术进行简要介绍并对其研究现状进行总结, 对激光加工技术在纺织服装领域的发展及趋势进行展望。

使用波长为1 030 nm飞秒脉冲激光在M35高速钢表面加工微凹坑阵列, 运用光学显微镜、白光干涉仪和接触角测量仪分别测量样品表面的三维形貌和接触角, 探究不同参数对样品表面形貌和接触角的影响规律。结果表明, 随能量密度和扫描次数增加, 微凹坑的半径和深度均增大, M35高速钢表面接触角减小, 样品表面亲水性增大, 微凹坑间距减小可提高M35高速钢表面的亲液性。试验结果可为高速钢表面润湿性的研究提供参考。

采用1 060 nm光纤打标机在2024铝合金表面进行方形标识, 主要研究扫描速度、填充间隔、激光平均功率等工艺参数对铝合金材料表面标识效果的影响。基于正交试验的方法, 根据3因素5水平正交表设计激光加工的工艺参数, 利用色差仪和超景深三维显微镜对激光标识效果的色差和表面形貌粗糙度进行测量。试验结果表明, 激光标识时扫描轨迹的重叠率和光斑重叠率是影响色差的主要因素, 激光标识时材料吸收激光的能量大小和热影响是影响粗糙度的主要因素。经过正交极差优化后的最佳参数组合为扫描速度V=644 mm/s, 填充间隔F=0.028 mm, 激光功率P=15 W, 最终标识效果为表面粗糙度为1.5 μm, 色差为9.41 NBS。

为了深入研究高频超声振动(high-frequency ultrasound vibration, HFUV)对飞机薄壁结构激光焊接微熔池的影响机理, 借助COMSOL软件, 建立了激光微熔池模型, 开展了旁触式单振源模式下振幅、超声加载位置等参数对熔池声压作用规律的仿真计算, 分析了超声空化效应和声流效应的产生条件, 并试验验证了超声功率对接头微观组织以及生成相的影响。结果表明, 高频超声振动使得激光微熔池内部声压产生正负交替变化, 温度场更加均匀, 有利于空化泡的形成、闭合和超声空化效应的产生, 降低残余应力; 超声加载位置、超声振幅与熔池输入声压成正比, 超声加载位置每靠近熔池10 mm, 熔池声压增大2~3倍, 每增大4 μ倍的振动幅值, 熔池输入声压增大10 Pa; 超声振动对熔池主要起搅拌作用, 当振幅＞7 μm、加载位置到熔池距离＜60 mm时可产生声流效应, 距离＜15 mm时, 影响机制则以空化效应为主; 随着辅加超声振动场强度的增大, 焊缝组织的晶粒度呈单调增加的趋势, 即组织随超声功率的增加逐渐细化。

为对工件表面产生的倾斜微裂纹进行检测, 从理论上和试验上分析激光产生的宽带瑞利波与矩形铝板上的倾斜角缺陷之间的相互作用。使用瑞利波与倾斜裂纹相互作用产生的透射波、反射波以及在裂纹尖端产生的绕射波来对裂纹角度进行定量检测。通过观察有限元仿真的应力云图, 发现瑞利波沿缺陷传播, 在缺陷尖端处发生模态转换, 有一部分波沿着裂纹绕射到金属表面, 部分波反射, 还有部分转换成纵波和横波。通过对绕射波信号进行傅里叶变换, 得到频谱图并观察绕射波在频域的变化趋势, 对绕射波能量进行计算, 最终得到绕射波能量随缺陷角度增大而减小, 呈e指数衰减分布。将有限元仿真与试验相结合, 结果表明, 当表面缺陷与表面呈一定倾角时, 绕射波能量提取是检测表面裂纹倾斜角的一种有效的方法。

为达到更精确预测机床导轨几何误差的目的, 设计一种建立在公差基础上的几何误差预测方法, 并构建表面形貌误差和几何误差的映射关系。采样双频激光干涉仪具有高精度、快速响应以及高分辨率的优势, 充分满足高精度位移测试的需求。以等距方式对X轴导轨行程设置了37个测量点, 滑板到达各测量位置时分别经过6 s停留完成采样过程, 仿真结果的圆形标记位置拟合曲线R2参数可以达到理想的拟合精度。实际测量数据与预测结果间存在0.15 μm的差值, 相对于几何误差测试结果, 大部分残差都很小, 最大残差被控制在测量结果10%以内。实验结果验证采用该方法能够满足以公差为依据的机床导轨几何误差准确预测。该研究对提高机床精度具有很好的理论指导意义, 易于实际推广应用。

采用光纤激光对铜钢异种金属进行激光焊接, 研究接头中典型焊接缺陷的形成机理。结果表明: 铜钢激光焊接头中的主要焊接缺陷是显微偏析、气孔和凝固裂纹。熔池金属凝固过程中的成分偏析是引起显微偏析和凝固裂纹的主要原因。晶界Cu元素偏析削弱晶粒之间结合力, 导致晶粒自身的塑性变形不能完全抵消焊接过程中的热应力, 造成晶界开裂。而气孔的形成主要与激光焊接过程中匙孔的失稳有关, 小孔失稳引起匙孔内壁坍塌, 导致金属蒸气不能顺利溢出熔池表面。提出交变磁场辅助激光焊接方法抑制焊缝中的缺陷, 获得良好的焊缝成形。

针对现有电气设备高频局部放电检测方法中存在的检测准确性较差等问题, 提出一种基于调制激光相位的电气设备高频局部放电检测技术。通过高斯误差函数确定频域窗宽, 完成电气设备高频局部放电信号的采集; 依据电气设备局域放电窄带干扰信号正弦或余弦信号特点, 采用傅里叶级数方法抑制窄带干扰, 并提取放电类干扰信号特征, 在此基础上, 通过同步标定高频信号, 并对激光相位脉冲进行分离, 完成电气设备高频局部放电检测。试验结果表明, 设计的采用调制激光相位检测电气设备高频局部放电技术, 有效提高了电气设备高频局部放电检测准确度, 且检测花费时间始终低于4 min。

激光超声能够实现对部件内部缺陷及其残余应力状态的无损检测功能。设定传感器中心频率为2.5 MHz, 利用软件完成数据采集过程并对其实施滤波处理。先对K417G轮盘进行热模锻处理, 之后再对其表面实施喷丸, 沿长度方向在K417G镍基合金上共设置5个点, 控制临近点的距离为1.96 mm, 表面波声速为2 950 m/s。测试结果表明: x与y方向上都到达了2 949 m/s以上的表面波声速, K417G轮盘表面形成了压应力作用。X射线衍射(XRD)与超声检测都显示形成了压应力, 具有相同变化趋势。采用XRD方法测试得到的最大径向残余应力为-906 MPa。采用更大测试深度的激光超声方法进行处理时, 获得了比XRD测量结果更小的测试参数。研究对了解金属试样喷丸后的表面残余应力分布具有很好的实际价值, 有助于后续机加工工艺的精选。

针对目前线缆缠线机存在的到边反向不及时、效率低、依赖人工反向等问题, 采用线激光传感器对缠线机的线缆到边情况进行实时动态检测, 根据结果及时调整缠线机横向运动方向。首先根据线缆与挡板交点的特殊位置, 应用带约束的凹凸点检测算法对点云进行数据分割; 其次利用RANSAC算法对挡板的数据进行直线拟合, 然后使用斜率特点在线缆数据中找到待测线缆, 对待测线缆点云数据进行整体最小二乘法拟合圆; 最后计算出待测线缆到挡板处的相对位置。试验证明, 带约束的凹凸点算法能准确地找到数据分割点, 并计算出待测线缆到挡板处的距离, 实现线缆成卷过程中到边反向的实时检测。