CN105965017B - 一种slm成形过程的温度场监控装置及方法 - Google Patents

一种slm成形过程的温度场监控装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种SLM成形过程的温度场监控装置，在激光器与振镜之间安装有半透镜，在半透镜接收由振镜传来的光束的反射光路上设置有两台高速摄像机，两台高速摄像机上各安装一个滤波片，两个滤波片具有不同的波长，用于获取同一光斑不同波长的灰度图像。温度场监控方法为：通过两台高速摄像机同时获取同一光斑的两种不同波长的灰度图像，对光斑灰度图像进行处理，利用双波长红外比色测温原理，得到零件单层加工过程中的温度场分布，进而合并各层温度场，获得零件已成形部分整体温度场。本发明能对零件成形过程中的温度场进行实时监控，效率高，动态特性好，对被测物体的温度分布没有影响。

Description

一种SLM成形过程的温度场监控装置及方法
技术领域
本发明属于SLM技术领域，具体涉及一种SLM成形过程的温度场监控装置，还涉及使用该装置进行温度场监控的方法。
背景技术
SLM(选择性激光熔化)技术是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成型的一种技术。相对其它快速成型技术而言，SLM技术更高效、更便捷、开发前景更广阔，它可以利用单一金属或混合金属粉末直接制造出具有冶金结合、致密性接近100％、具有较高尺寸精度和较好表面粗糙度的金属零件。SLM技术综合运用了新材料、激光技术、计算机技术等前沿技术，受到国内外的高度重视，成为新时代极具发展潜力的高新技术。随着SLM技术的发展，各种SLM设备应运而生。但是，在利用现有SLM设备加工零件时，成形过程中会出现零件开裂、变形等问题。究其根本原因，主要在于零件局部温度随加工进程逐步升高，导致零件温度场分布不均而产生较大的热应力，发生应力集中造成零件损坏。在SLM设备上实现温度场实时监控，有助于掌握零件加工过程中的温度场分布，针对一些可能导致零件损坏的问题及时采取相应措施，避免零件成形失败。
目前，已有一些研究机构开展了零件成形过程中温度场的研究。例如：中国专利文献CN105499569A(申请号：201510987779.5，申请日：2015.12.24，公开号：105499569)公开了一种用于高能束增材制造的温度场主动调控系统及控制方法，其中，采用均匀分布于成型缸四周的测温热电偶进行整个成形区域温度场分布监控，采用这种接触测温方法，设备操作简单，但其动态特性差，由于要接触被测物体，故对被测物体的温度分布有影响，且不能应用于太高温度的测量。
可见，现有的SLM设备虽可以实现加工过程温度场的监控，但其动态特性差，往往存在测温不准、误差较大、适用范围受温度限制等问题。零件加工温度作为影响其成形质量的重要原因之一，是需要重点研究的对象。在零件成形过程中，如果温度分布不均而使得局部温度过高，极易产生较大热应力而发生应力集中，致使零件发生损坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种SLM成形过程的温度场监控装置，解决现有接触测温装置动态特性差、对被测物体的温度分布有影响的问题。
本发明的另一目的是提供使用该装置进行温度场监控的方法。
本发明所采用的技术方案是，一种SLM成形过程的温度场监控装置，在激光器与振镜之间安装有半透镜，在半透镜接收由振镜传来的光束的反射光路上设置有两台高速摄像机，两台高速摄像机上各安装一个滤波片，两个滤波片具有不同的波长，用于获取同一光斑不同波长的灰度图像。
本发明的特点还在于：
进一步地，两个滤波片的波长分别为0.78μm和0.93μm，宽带均为0.02μm。
进一步地，两台高速摄像机为黑白高速摄像机，像素小于20×20，录制速度不小于2000帧/s。
通过本发明温度场监控装置获取零件温度场的方法为：通过两台高速摄像机同时获取同一光斑的两种不同波长的灰度图像，对光斑灰度图像进行处理，利用双波长红外比色测温原理，得到零件单层加工过程中的温度场分布，进而合并各层温度场，获得零件已成形部分整体温度场。
该方法包括以下步骤：
步骤1：根据零件成形温度范围，标定比色温度和实际温度的对应关系；
步骤2：通过所述振镜读取零件当前层中的光斑位置数据；
步骤3：通过所述温度场监控装置同时捕捉步骤2中读取的光斑位置处两种不同波长的光斑灰度图像，通过比色测温算法获得光斑位置处的比色温度值；
步骤4：重复步骤2、3，直至获得零件当前层所有位置的比色温度值，进而获得零件当前层的比色温度矩阵；
步骤5：根据步骤1中标定的比色温度和实际温度关系，利用计算机将步骤4中获得的比色温度矩阵转化为实际温度矩阵，得到零件当前层的温度场分布；
步骤6：将零件当前层的温度场分布与之前已成形各层的温度场分布进行合并，获得零件已成形部分整体温度场分布。
进一步地，对步骤5中得到的零件当前层温度场分布进行相应温度颜色的标定，生成零件当前层温度场分布图，再进入步骤6，将零件当前层的温度场分布图与之前已成形各层的温度场分布图进行合并，获得零件已成形部分整体温度场分布图。
进一步地，步骤1标定比色温度和实际温度的对应关系的方法为：根据零件成形温度范围，每隔100K标定一次，中间部分采用最小二乘法线性拟合得到比色温度与实际温度的对应关系。
本发明的有益效果是，本发明温度场监控装置可以对零件加工过程中的温度场进行实时监测，为后续温度场控制提供信息，调整后续温度场控制策略，达到温度场的平衡，避免零件在加工过程中因局部热应力过大而发生损坏，降低零件废品率。该装置采用半透镜与两台高速摄像机配合，同时获取同一光斑不同波长的光斑灰度图像，便于独立控制，避免单一摄像机发生捕捉错误或捕捉混淆；且该装置处理图片速度快，效率高，动态特性好，对被测物体的温度分布没有影响。
附图说明
图1是本发明SLM成形过程的温度场监控装置的结构示意图；
图2是本发明捕捉到的光斑位置和温度示意图；
图3是本发明获得零件当前层温度场的流程图；
图4是本发明零件温度场灰度图像；
图4(a)为某层温度场；
图4(b)为零件已成形部分整体温度场。
图中，1.激光，2.半透镜，3.振镜，4.激光光斑，5.成形粉末，6.高速摄像机，7.零件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施方式。
本发明的SLM成形过程的温度场监控装置，如图1所示，在激光器与振镜3之间安装有半透镜2，在半透镜2接收由振镜3传来的光束的反射光路上设置有两台高速摄像机6，两台高速摄像机上分别安装不同波长的滤波片，获取同一光斑不同波长的灰度图像。
其中，优选两个滤波片的波长分别为0.78μm和0.93μm，宽带均为0.02μm。
两台高速摄像机为黑白高速摄像机，像素小于20×20，录制速度不小于2000帧/s即可。例如：当激光速度为2m/s，像素点大小为1mm×1mm时，可以选择2000帧/s录制速度的高速摄像机，但不限于此。
本发明装置的工作原理为：当一束激光1经激光放大器、柱面透镜等处理后，单向穿过半透镜2，通过振镜3发生偏转落在零件成形区域进行零件成形，在零件成形过程中，激光束遇到成形粉末5会发生反射，反射光通过振镜3发生逆向折回，再经过半透镜2发生反射，进入高速摄像机6，利用两台高速摄像机6同时捕捉同一激光光斑4的不同波长的灰度图像，处理两个高速摄像机获得的灰度图像，计算灰度值，采用比色测温算法计算光斑温度。同时，结合振镜获得的光斑位置，得到零件当前层的温度场分布，合并零件当前层与之前已成形各层的温度场分布，最终获得零件已成形部分整体温度场分布。根据零件7已成形部分整体温度场分布，分析零件成形过程中成形区域各点的温度变化状况，调整后续加工策略，以达到成形过程中整个成形区域温度场的平衡，实现零件加工过程的实时温度场监控。
采用该温度场监控装置获取零件温度场分布的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：根据零件成形温度范围，标定比色温度与实际温度对应关系。
比色测温通过测量物体的两个不同波长λ1和λ2的辐射亮度之比来获得物体的温度。物体的实际温度T与比色温度TC之间的关系为：
其中，c2为第二辐射常数；ε(λ1,T)和ε(λ2,T)为波长分别为λ1和λ2时物体的单色发射率。
由于发射率ε会受很多因素的影响，且确定发射率的值是比色测温的重点和难点。通过计算获得的发射率误差较大，且过程复杂繁琐，所以通常选择两个尽量接近的波长，使得其对应的发射率尽量相等，那么发射率对比色温度计算的影响就可以忽略不计。这样不仅可以减小计算量，也可以降低发射率造成的误差影响。综合考虑测温范围、能流密度比、信噪比等，选择工作波长分别为0.78μm和0.93μm，宽带均为0.02μm的滤光片，实验证明选择此波长，系统具有很高的灵敏度，且温度响应具有良好的线性度。
采用黑体炉法标定比色测温公式中的待定系数c2、ε。
根据成形过程的成形温度范围，进行比色温度TC和实际温度T的对应关系标定。其中，每隔100K标定一次温度即可，中间采用最小二乘法线性拟合得到相应关系。一般零件成形温度范围在800-2300K。
步骤2：读取零件当前层中的光斑位置数据。
在零件加工过程中，激光光斑的位置随着加工进程不断改变。高速摄像机可以捕捉到很小的像素点，而振镜会获取到该图像对应的位置坐标。如图2所示，方框中是捕捉到的坐标为(xm,yn)处的光斑。
步骤3：计算步骤2中读取的光斑位置处的比色温度值。
通过两台高速摄像机同时捕捉同一光斑位置处两种不同波长的光斑灰度图像。将灰度图像传输至计算机，利用软件对灰度图像进行处理，得到光斑位置处的图像灰度比R(T)：
其中，λ1是第一高速摄像机里第一滤光片的峰值波长，λ2是第二高速摄像机里第二滤光片的峰值波长。N(λ1,T)和N(λ2,T)分别为第一滤光片和二滤光片的灰度值，Q(λ1,T)和Q(λ2,T)分别为第一滤光片和二滤光片的CCD电荷输入量。ε(λ1,T)是第一滤光片在峰值波长λ1下的发射率，ε(λ2,T)是第二滤光片在峰值波长λ2下的发射率。η(λ1),τ(λ1),δλ1分别为第一滤光片的CCD光谱响应函数、峰值透过率和滤波片宽带；η(λ2),τ(λ2),δλ2分别为第二滤光片的CCD光谱响应函数、峰值透过率和滤波片宽带。c2为第二辐射常数。
由光斑位置处的光斑图像灰度比，利用比色测温算法获得光斑位置处的光斑比色温度值：
步骤4：重复步骤2、3，根据步骤2得到的零件当前层中的光斑位置数据和步骤3得到的与之对应的比色温度值，得到零件当前层(第i层)的比色温度矩阵
步骤5：获得零件当前层温度场分布。
根据步骤1中标定的比色温度和实际温度关系，利用计算机将步骤4中获得的比色温度矩阵转化为实际温度矩阵，得到零件当前层的温度场分布。
步骤6：获得零件已成形部分整体温度场分布。
将零件当前层的温度场分布与之前已成形各层的温度场分布进行合并，获得零件已成形部分整体温度场分布。
为了便于观察零件成形过程中成形区域温度场变化状况，将上述温度场分布进行颜色标定，获得温度场分布图，如图3所示，具体步骤如下：
步骤5＇：获得零件当前层温度分布场图
根据步骤1中标定的比色温度和实际温度关系，利用计算机将步骤4中获得的比色温度矩阵转化为实际温度矩阵，得到零件当前层的温度场分布，对零件当前层温度场分布，标定相应温度颜色，生成零件当前层温度场分布图。
步骤6＇：获得零件已成形部分整体温度场分布图
将零件当前层的温度场分布图与之前已成形各层的温度场分布图进行合并，获得零件已成形部分整体温度场分布图。如图4(a)、4(b)所示。
在零件成形过程中，通过获得零件当前层温度场分布图，并通过合并当前层与之前已成形各层的温度场分布图，得到零件已成形部分整体温度场分布图，根据零件已成形部分整体温度场分布图，分析零件成形过程中成形区域各点的温度变化状况，调整后续加工策略，以达到成形过程中整个成形区域温度场的平衡，实现零件加工过程的实施温度场监控，避免零件发生损坏，降低零件废品率。
本发明以上描述只是部分实施例，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式。上述的具体实施方式是示意性的，并不是限制性的。凡是采用本发明的材料和方法，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，所有具体拓展均属本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种SLM成形过程的温度场获取方法，其特征在于，采用一种SLM成形过程的温度场监控装置，该装置包括一种在激光器与振镜之间安装有半透镜，在半透镜接收由振镜传来的光束的反射光路上设置有两台高速摄像机，两台高速摄像机上各安装一个滤波片，两个滤波片具有不同的波长，用于获取同一光斑不同波长的灰度图像；
所述两个滤波片的波长分别为0.78μm和0.93μm，带宽均为0.02μm；
所述两台高速摄像机为黑白高速摄像机，像素小于20×20，录制速度不小于2000帧/s；
所述SLM成形过程的温度场获取方法为：通过所述两台高速摄像机同时获取同一光斑的两种不同波长的灰度图像，对光斑灰度图像进行处理，利用双波长红外比色测温原理，得到零件单层加工过程中的温度场分布，进而合并各层温度场，获得零件已成形部分整体温度场；
具体包括以下步骤：
步骤1：根据零件成形温度范围，标定比色温度和实际温度的对应关系；
步骤2：通过所述振镜读取零件当前层中的光斑位置数据；
步骤3：通过所述温度场监控装置同时捕捉步骤2中读取的光斑位置处两种不同波长的光斑灰度图像，通过比色测温算法获得光斑位置处的比色温度值；
步骤4：重复步骤2、3，直至获得零件当前层所有位置的比色温度值，进而获得零件当前层的比色温度矩阵；
步骤5：根据步骤1中标定的比色温度和实际温度关系，利用计算机将步骤4中获得的比色温度矩阵转化为实际温度矩阵，得到零件当前层的温度场分布；
步骤6：将零件当前层的温度场分布与之前已成形各层的温度场分布进行合并，获得零件已成形部分整体温度场分布。
2.根据权利要求1所述的一种SLM成形过程的温度场获取方法，其特征在于，所述步骤1标定比色温度和实际温度的对应关系的方法为：根据零件成形温度范围，每隔100K标定一次，中间部分采用最小二乘法线性拟合得到比色温度与实际温度的对应关系。
3.根据权利要求1所述的一种SLM成形过程的温度场获取方法，其特征在于，对步骤5中得到的零件当前层温度场分布进行相应温度颜色的标定，生成零件当前层温度场分布图，再进入步骤6，将零件当前层的温度场分布图与之前已成形各层的温度场分布图进行合并，获得零件已成形部分整体温度场分布图。
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Address after: 710075 No. 1000 Shanglinyuan No. 7 Road, Xi'an High-tech Zone, Shaanxi Province

Applicant after: Xi'an platinum power technology Limited by Share Ltd

Address before: 710075 A0508, pioneer Plaza, 48 tech Road, Xi'an new high tech Zone, Shaanxi

Applicant before: Xi'an Bright Laser Technology Ltd.

GR01 Patent grant
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