南華大學(xué)柏興旺增材頂刊 | 基于3D點(diǎn)云的線弧增材制造表面缺陷檢測(cè)與定量評(píng)估！

來源：焊接科學(xué)

線弧增材制造（WAAM）效率高、成本低，是快速制造中大型金屬構(gòu)件的經(jīng)濟(jì)選擇，近年來引起了學(xué)者和企業(yè)家的高度關(guān)注。然而，由于干擾和工藝異常，在焊道表面的每層沉積之后，偶爾會(huì)出現(xiàn)諸如氣孔和駝峰之類的缺陷。焊道缺陷的檢測(cè)和定量評(píng)估對(duì)于確保成功沉積和整個(gè)部件的質(zhì)量至關(guān)重要。

近日，南華大學(xué)柏興旺教授團(tuán)隊(duì)在《Virtual and Physical Prototyping》發(fā)表最新研究成果“Detection and quantitative evaluation of surface defects in wire and arc additive manufacturing based on 3D point cloud”，利用機(jī)器視覺技術(shù)為WAAM開發(fā)了一種新型缺陷檢測(cè)和評(píng)估系統(tǒng)。柏興旺教授為通訊作者。

研究人員開發(fā)的新系統(tǒng)結(jié)合了基于焊道高度曲線的2D曲率和基于焊道點(diǎn)云的3D曲率的新缺陷檢測(cè)算法。此外，還開發(fā)了一種基于使用從累積點(diǎn)云中提取的幾何特征重建正常焊道輪廓的缺陷評(píng)估算法。該系統(tǒng)能夠在WAAM過程中自動(dòng)檢測(cè)焊道形態(tài)，提供有關(guān)缺陷位置、類型和體積的重要信息，以實(shí)現(xiàn)有效的層間修復(fù)和提高零件質(zhì)量。

圖1. 缺陷檢測(cè)目標(biāo)。

圖2. 缺陷檢測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)流程。

圖3. 缺陷評(píng)估結(jié)果。

關(guān)鍵結(jié)論

該研究提出了一種專為WAAM工藝設(shè)計(jì)的表面缺陷檢測(cè)和評(píng)估系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過分析焊道點(diǎn)云的幾何特征，有效地完成了表面缺陷的定位、分類和定量嚴(yán)重程度評(píng)估。得出以下結(jié)論：

（1）通過幾何特征進(jìn)行缺陷檢測(cè)和嚴(yán)重性評(píng)估的可行性已被成功證明。駝峰缺陷的識(shí)別依賴于曲率計(jì)算和高差分析，而氣孔和凸起缺陷的分割則基于3D曲率分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明準(zhǔn)確率為90.5%，精確率為92%，召回率為90.4%。

（2）缺陷嚴(yán)重程度的定量分析是通過對(duì)重建的正常焊縫表面和實(shí)際缺陷得到的點(diǎn)云進(jìn)行比較檢查來完成的。計(jì)算缺陷面積、高度和體積等參數(shù)以促進(jìn)此分析。缺陷模擬實(shí)驗(yàn)表明，除了相對(duì)較大的面積誤差外，大多數(shù)誤差都在可接受的范圍內(nèi)。這些發(fā)現(xiàn)可以作為后續(xù)缺陷處理的基礎(chǔ)。

（3）缺陷檢測(cè)的成功率與點(diǎn)云的密度和完整性密切相關(guān)。較高密度的點(diǎn)云往往會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)孔隙度和突出缺陷的成功率更高。然而，應(yīng)該指出的是，更高的密度也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算復(fù)雜性的增加。

該系統(tǒng)有助于WAAM流程中的原位自動(dòng)缺陷檢測(cè)，提供持續(xù)的質(zhì)量控制并提高生產(chǎn)率。然而，由于線激光掃描儀的精度有限，該系統(tǒng)無法檢測(cè)小裂紋缺陷。為了解決這一限制，未來的努力應(yīng)集中于將輔助傳感器（例如CCD攝像機(jī)和超聲波傳感器）集成到檢測(cè)系統(tǒng)中。這種集成將增強(qiáng)系統(tǒng)的缺陷檢測(cè)能力并提高其整體準(zhǔn)確性。利用這些進(jìn)步，該系統(tǒng)有可能顯著降低制造故障率，從而有助于提高整體生產(chǎn)率。

通訊作者

柏興旺，男，1982年9月生，博士，教授，湖南省普通高校青年骨干教師，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化系副主任。2014年9月畢業(yè)于華中科技大學(xué)機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)，2016.12-2017.12英國Cranfield大學(xué)公派訪問學(xué)者。主要從事金屬和復(fù)合材料的增材制造、3D打印工業(yè)應(yīng)用、數(shù)字化智能制造系統(tǒng)等方面的教學(xué)與科研工作，主持國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目2項(xiàng)、湖南省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目1項(xiàng)、湖南省教育廳科研基金項(xiàng)目2項(xiàng)，留學(xué)歸國人員啟動(dòng)基金項(xiàng)目1項(xiàng)。在《IntJHeatMassTransfer》、《IntJAdvManufTech》、《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》等知名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文10余篇。授權(quán)發(fā)明專利3項(xiàng)，實(shí)用新型3項(xiàng)。2019年獲湖北省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)（排名第三）。

論文引用

Mengru Liu, Xingwang Bai, Shengxuan Xi, Honghui Dong, Runsheng Li, Haiou Zhang & Xiangman Zhou (2024) Detection and quantitative evaluation of surface defects in wire and arc additive manufacturing based on 3D point cloud, Virtual and Physical Prototyping, 19:1, https://doi.org/10.1080/17452759.2023.2294336