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熔化极气体保护电弧增材制造(Gas metal arc welding-based additive manufacturing,GMAW-AM)是直接成形低成本复杂金属零部件的主要方法之一。然而,GMAW-AM过程存在众多扰动因素,难以保证堆积层熔池尺寸均匀一致;同时,现存的检测方法无法完整表征电弧增材制造熔池三维几何尺寸。基于此,本文设计虚拟双目视觉传感系统,重建GMAW-AM熔池表面三维形貌;搭建熔池宽度控制系统,设计模糊控制器实现熔池宽度的实时闭环反馈控制。首先基于双棱镜折射原理,设计了基于单摄像机的虚拟双目视觉传感系统,使单摄像机获得了立体图像对;搭建了包含GMAW热源、虚拟双目视觉传感系统、电机运动系统、中央计算机、试验控制箱的GMAW-AM熔宽控制实验系统。其次,基于Microsoft Visual C++2010开发了GMAW-AM熔宽控制人机交互界面,建立了完整的实验平台。采用平面模板标定算法求解了两虚拟摄像机内外参数及其位置关系,基于透射投影极线校正算法完成了图像对的极线校正,对自适应Census变换匹配算法(Adaptive Census Transform matching algorithm,ACT)、全局交叉迭代匹配算法(Global-based Crosswise Iteration matching algorithm,GCI)和半全局匹配算法(Semi Global Matching algorithm,SGM)做出了一定的改进,求取了图像对亚像素精度视差,通过计算空间点的三维坐标重建物体表面三维形貌。重建了标准圆柱体表面部分三维形貌,验证了虚拟双目视觉传感系统及三维重建算法的有效性。结果表明,宽度误差优于3.17%,高度误差优于5.83%。基于不同立体匹配算法,重建了GMAW-AM熔池表面三维形貌,实现了熔池形貌的在线检测。基于高斯滤波、Soble检测、Hough变换直线拟合,开发了基于立体视觉的熔池宽度检测实时处理算法,重建了熔池边缘三维形貌,实现了GMAW-AM熔池宽度在线实时准确检测。进行阶跃响应实验,辨识了以堆积电流变化为输入、GMAW-AM熔宽变化为输出的传递函数。基于Matlab模糊控制工具箱设计了模糊控制器,通过Simulink仿真确定了量化因子和比例因子。研究了不同控制周期对GMAW-AM熔池宽度控制精度的影响,干扰试验验证了控制系统的性能,恒定规范试验验证了GMAW-AM熔池宽度控制的必要性。开展了GMAW-AM熔池宽度定宽度和变宽度控制试验,模糊控制系统均能获得良好的控制效果。结果表明,在达到一定堆积层数后,其最大熔池宽度误差优于0.5 mm,误差均方根优于0.2 mm。