CN106885534B - 增材制造同轴送粉喷嘴测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种增材制造同轴送粉喷嘴测试装置及方法，所述装置包括水平移动系统，角度调节系统，视觉成像系统和主体框架，以及用于控制水平移动系统和角度调节系统运动的控制系统；所述方法通过电动控制方式自动调节各送粉喷嘴距离汇聚点的位置与倾斜角度，并利用CCD相机实时获取粉束与粉斑汇聚信息，通过图像识别和对比，能够自动捕捉和记录喷嘴汇聚距离、粉斑大小、汇聚点高度等信息，在测试结束后能够自动搜索对比并给出最优值。因此自动化水平高、使用方便、结果准确可靠。能够对各种形状、大小、角度的同轴送粉喷嘴的汇聚特性进行快速测试，获得最佳的喷嘴送粉角度和汇聚距离；快速准确的对各种形状的同轴送粉喷嘴汇聚特性进行评估。

Description

增材制造同轴送粉喷嘴测试装置及方法

技术领域

本发明涉及送粉喷嘴的测试，具体为增材制造同轴送粉喷嘴测试装置及方法。

背景技术

随着现代化生产对材料性能的不断提高，增材制造技术迅速发展，尤其是高性能金属零件的直接激光增材制造成形，已经成为一种重要的零件快速制造手段。进行激光增材制造时，激光束、粉末输送、保护气体供给同步进行，可有效地提高熔覆层的质量和粉末利用率，其中粉末送进的稳定性对成形零件的质量和精度有至关重要的影响，因此同轴送粉装置的研究和设计是目前激光增材制造技术材料供给设备的研究热点。

粉末输送就是载粉气体携带金属粉末通过管道及管道末端的喷嘴，将粉末准确输送进入熔池的过程。与侧向送粉方式比较，同轴送粉方式由于具有无方向性、粉斑汇聚性好、送进距离长等优点，在增材制造技术中得到广泛应用。同轴送粉喷嘴设计的主要指标是获得良好的汇聚浓度、较长的焦点距离、较小的焦斑半径。粉末流从喷嘴喷射后的运动情况受到诸多因素的影响，主要影响因素有入射粉末流的速度、角度、同轴送粉喷嘴之间安装距离等，这些参数是评价送粉喷嘴送粉效果的主要依据，需要通过对比分析不同情况下的粉末分布情况，对喷嘴设计方案进行评估。

公开发表的“激光立体成形粉末流输送的数值模拟研究”文献(激光技术，2011年，38卷，10期)，通过建立载粉气流湍流模型及粉末颗粒在载粉气湍流中的受力分析，建立了四路同轴粉末流输送的有限元数值模型。但是，该模型做了一定的简化处理，同实际测量结果存在差异。

公开发表的“基于图像的激光熔覆粉末粒子运动行为分析”文献(激光技术，2010年，34卷，3期)，建立了数字粒子图像测速实验装置，研究了送分量、送粉气流的变化对同轴载气粉末粒子行为的研究，得到了不同送粉参量下，粉末的速度场和浓度场云图。但是，该装置仅对粉末粒子的图像进行了计算机处理，不能对不同喷嘴的角度和汇聚距离进行调整，不能自动对汇聚距离进行测定。

公开发表的“激光熔覆中金属粉末流的参数检测”文献(中国光学学会2010年光学大会论文集)，应用数字粒子图像测速技术对粒子的运动进行测量，得到粉末流的汇聚角、发散角以及速度分布等信息，但是该系统仅为观测系统，不能对送粉喷嘴的角度调整和进行自动检测。

公开发表的“激光制造中同轴粉末流动量和质量传输”文献(中国激光，2008年，34卷，11期)，研制了一套粉末流场检测系统，能够对粉末流的浓度场进行检测，但是该系统不能对不同送粉喷嘴的送粉角度、送粉距离进行优化。

公开发表的“增材制造同轴送粉喷嘴汇聚特性测试装置”专利(专利号：CN105543836A)，发明了一种粉末汇聚特性测试装置，但是该装置对送粉角度的调节需要手动调节，未能进行喷嘴角度，喷嘴相对距离，粉斑大小的全自动化监测，并未能包涵全自动监测的方法。

公开发表的“Numerical Simulation and Comparison of Powder Jet Profilesfor Different Types of Coaxial Nozzles in Direct Material Deposition”文献(Lasers in Manufacturing Conference 2013)，使用数值计算的方法研究了不同类型的同轴喷嘴的粉末汇聚特性，公开的文献表明模拟与实验结果吻合较好，存在的主要问题是数值仿真需要设定各种参数，不同颗粒大小、不同材料、不同的粉末颗粒形状、喷嘴的不同角度都对设定的参数具有影响，因此为了对情况进行仿真往往需要多次与实验结果进行比对，然后才能得到合理的参数，数值计算也是一种获得粉末颗粒汇聚特性的方法。

对于送粉喷嘴的设计一般多采用流体力学计算方法，通过对气固两相流的运动情况进行建模，模拟载粉气体相与固体颗粒相的相互作用过程，进而采用数值计算的方法对送粉喷嘴间隙大小、倾斜角度等参数进行优化。采用此种办法的主要问题是需要建立符合实际情况的边界条件和结构特征的数学模型，否则模型计算结果的准确性很难保证。由于实际中，影响粉末汇聚特性的因素众多，找出影响数学模型的主要因素，并准确建模需要花费相当精力。由于现有同轴送粉喷嘴多采用数值模拟计算的方法进行喷嘴设计，或人工手动调节观察，因此其主要存在的问题是：1、由于设计气体和固体粉末两相流，建立数学模型过程复杂；2、由于各种边界条件和假设条件，导致数学模型不能真实的反应实际粉末流动过程，优化结果缺乏真实性；3、人工调整喷嘴角度或汇聚距离会产生一定的人工误差，并且调节数据无法得到有效保存，会产生大量重复性，非精确性结果。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种增材制造同轴送粉喷嘴测试装置及方法，能够对各种喷嘴汇聚特性进行准确、真实、快速评估的全自动测试，对新设计的各种喷嘴进行送粉角度、送粉距离进行全自动测试，从而获得该设计喷嘴的最佳喷嘴送粉角度和汇聚距离。

本发明是通过以下技术方案来实现：

增材制造同轴送粉喷嘴测试装置，包括水平移动系统，角度调节系统，视觉成像系统和主体框架，以及用于控制水平移动系统和角度调节系统运动的控制系统；所述的主体框架包括顶板和底板，顶板和底板通过两侧的侧边连接固定形成框架；水平移动系统、角度调节系统和视觉成像系统均安装在主体框架内；所述的水平移动系统用于提供喷嘴在X轴方向和Y轴方向上的四个安装位置；X轴和Y轴形成的水平坐标系与顶板平行；所述的角度调节系统用于设置喷嘴在四个安装位置上的倾斜角度；安装后喷嘴的轴线与对应安装位置上的坐标轴在同一竖直平面内；所述的视觉成像系统包括计算机、顶部垂直向下视觉成像系统和水平视觉成像系统；顶部垂直向下视觉成像系统包括微型CCD相机；微型CCD相机固定安装在经过水平坐标系原点的垂线上微型CCD相机用于实时采集粉末汇聚斑点大小；水平视觉成像系统包括固定安装在侧边上的侧位CCD相机；侧位CCD相机用于实时采集稳定汇聚点时喷嘴距离顶板的高度以及汇聚点到底板的高度；计算机的输入端分别连接微型CCD相机和侧位CCD相机的输出端。

优选的，所述的水平移动系统包括分别沿X轴和Y轴设置的滚珠丝杠，每个滚珠丝杠上分别配合设置的两个滚珠丝杠滑块，以及与每个滚珠丝杠上连接的水平步进电机；每个滚珠丝杠滑块的上端滑动设置在顶板下端面上的导轨内，导轨与对应的滚珠丝杠平行布置，滚珠丝杠滑块用于提供喷嘴的安装位置；水平步进电机的控制端连接控制系统。

进一步，角度调节系统包括转接板，角度步进电机和喷嘴安装座；所述喷嘴分别通过各喷嘴安装座对应安装在滚珠丝杠滑块上，喷嘴的轴线与对应连接的滚珠丝杠轴线在同一竖直平面内；所述转接板的一端固定连接滚珠丝杠滑块，另一端与喷嘴安装座铰接配合；固定在转接板上的角度步进电机的输出轴通过联轴器与喷嘴安装座相连，角度步进电机的输出轴上设置有角度指示器，角度指示器的刻度盘固定安装在转接板中部；角度步进电机的控制端连接控制系统。

优选的，所述的顶部垂直向下视觉成像系统还包括相机固定支架和LED顶光源；相机固定支架安装在顶板上，相机固定支架的下底面依次设置LED顶光源和微型CCD相机；LED顶光源为环形光源，微型CCD相机设置在LED顶光源中心处。

优选的，所述的水平视觉成像系统还包括LED背光源面板和侧位相机支撑座；侧位CCD相机通过侧位相机支撑座安放在一个侧边内，侧位CCD相机的高度能够拍摄各喷嘴中心线延长线的交汇区域；LED背光源面板安放另一个侧边内。

进一步，LED背光源面板为片光源，中心正对侧位CCD相机设置。

增材制造同轴送粉喷嘴测试方法，基于本发明所述的增材制造同轴送粉喷嘴测试装置，包括如下步骤，

步骤1，预先在控制系统中输入所要测试的喷嘴距中心点距离最大值d₁与最小值d₂，其差值为Δd；喷嘴倾斜角度最大值α₁与最小值α₂，其差值为Δα；并设定视觉成像系统拍照频率为n，送粉速率为g，角度调节进给度数β；

步骤2，通过控制系统启动水平步进电机驱动滚珠丝杠，使喷嘴自动运行到中心距离最大值与角度最小值处；同时启动视觉成像系统与喷嘴送粉系统；

步骤3，水平步进电机控制喷嘴由距中心点最大值处匀速运动到最小值处，向中心聚拢，视觉成像系统按照设定频率进行图像捕捉，其中顶部垂直向下视觉成像系统将获得粉斑水平图像，水平视觉成像系统将获得粉束竖直图像；

步骤4，利用图像识别处理软件对捕捉到的粉束竖直图像进行轮廓识别与距离测量，通过距离大小对比，搜索出最小粉束汇聚宽度，并输出此时对应的喷嘴距中心点距离d，喷嘴倾斜角度α，汇聚点到喷嘴高度h与粉斑水平图像；

步骤5，通过控制系统控制水平步进电机使得喷嘴自动回程到距离最大值处，喷嘴角度较前一次增大β；重复步骤3和步骤4，直到喷嘴角度达到最大值，获得Δα/β+1组实验数据与粉斑水平图像；

步骤6，对比以上Δα/β+1组粉斑水平图像，利用图像识别处理软件进行粉斑轮廓识别与面积计算，搜索得到面积最小粉斑汇聚水平图像，同时输出此时对应的喷嘴距中心点距离D，喷嘴倾斜角度A，汇聚点到喷嘴高度H，作为最优解。

优选的，图像识别处理软件对采集到粉束竖直图像进行轮廓识别与距离测量，包括如下步骤，

a.对于每一组图像中喷嘴送粉的粉束边缘轮廓进行识别与捕捉，得到L₁,L₂,L₃,L₄四条轮廓线，其中L₁与L₂为左端喷嘴粉束的左右边缘线，L₃与L₄为右端喷嘴粉束的左右边缘线；

b.标定L₁与L₃交点，L₂与L₄交点，获取两点坐标，通过距离计算获得一组图像中最小粉束宽度；

c.识别最小粉束宽度时喷嘴预置标定点坐标，两标定点距离的一半为喷嘴距中心点距离d，标定点到交点的竖直距离为汇聚点到喷嘴高度h，则喷嘴倾斜角度α＝arctan。

优选的，图像识别处理软件对采集到粉斑水平图像进行轮廓识别与面积计算包括如下步骤，

a.对于每一组水平图像，利用图像识别处理软件，对汇聚的粉斑轮廓进行提取；

b.通过像素识别计算汇聚粉斑的面积，选取最小面积汇聚粉斑的图像为最优结果，并输出此时的喷嘴距中心点距离D，喷嘴倾斜角度A，汇聚点到喷嘴高度H。

优选的，图像识别处理软件对采集到的水平图像和竖直图像进行处理时，采用中值滤波法进行图像增强和噪声去除处理。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过电动控制方式自动调节各送粉喷嘴距离汇聚点的位置与倾斜角度，并利用CCD相机实时获取粉束与粉斑汇聚信息，通过图像识别和对比，能够自动捕捉和记录喷嘴汇聚距离、粉斑大小、汇聚点高度等信息，在测试结束后能够自动搜索对比并给出最优值。因此，本发明的测试装置及方法自动化水平高、使用方便、测试过程快速、结果准确可靠。能够对各种形状、大小、角度的同轴送粉喷嘴的汇聚特性进行快速测试，获得最佳的喷嘴送粉角度和汇聚距离；快速准确的对各种形状的同轴送粉喷嘴汇聚特性进行评估。

附图说明

图1为本发明实例所述增材制造同轴送粉喷嘴测试方法流程图。

图2为本发明实例所述增材制造同轴送粉喷嘴测试装置构成图。

图3为本发明实例所述增材制造同轴送粉喷嘴测试参数示意图。

图4a为本发明实例所述增材制造同轴送份喷嘴粉末汇聚的竖直图像。

图4b为本发明实例所述增材制造同轴送份喷嘴粉末汇聚的水平图像。

图中：1为丝杠支撑座，2为Y轴步进电机，3为顶板，4为Y轴丝杠，5为相机固定支架，6为Y轴滑块导轨，7为Y轴滚珠丝杠滑块，8为Y轴联轴器，9为X轴步进电机，10为X轴丝杠，11角度指示器，12为角度步进电机，13为喷嘴，14为送粉管，15为喷嘴安装座，16为微型CCD相机，17为LED顶光源，18为转接板，19为侧位相机支撑座，20为LED背光源面板，21为底板，22为侧位CCD相机。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明增材制造同轴送粉喷嘴测试装置及方法，能够针对各种喷嘴汇聚特性进行准确、真实、快速评估的全自动测试，可以对设计的各种喷嘴的入射角度、喷嘴之间距离进行测试，获得该设计喷嘴的最优送粉角度、安装距离和送粉汇聚高度值。

激光增材制造同轴送粉系统的汇聚特性对熔覆道的几何形貌、熔池的稳定性和粉末利用率具有较大的影响，同轴送粉喷嘴入射角度、喷嘴间隙大小、喷嘴长度、各喷嘴之间的距离等参数是影响粉末汇聚特性的关键参数，当某一型喷嘴设计制造完成后，需要对该喷嘴的最佳入射角度、各喷嘴之间的安装距离进行测试和评估。本发明就是为了能够全自动的满足上述要求而产生的。

本发明所述的增材制造同轴送粉喷嘴测试装置，如图2所示，包括水平移动系统，角度调节系统，视觉成像系统，主体框架四部分。其中，所述水平移动系统、角度调节系统、视觉成像系统均安装在该主体框架内，并使所述水平移动系统和角度调节系统分别安装在该主体框架的顶板的下表面，所述视觉成像系统中包括水平视觉成像系统和设置在顶部垂直向下视觉成像系统，所述顶部垂直向下视觉成像系统中的顶置相机位于所述顶板下表面的几何中心处，水平视觉成像系统中的侧位相机位于该主体框架内一侧。

其中，水平移动系统包括顶板3，滚珠丝杠，滚珠丝杠滑块，步进电机构成，当步进电机驱动两垂直方向的滚珠丝杠转动时，四个对称方向的滚珠丝杠滑块带动送粉喷嘴同时向中点聚拢或远离，并可以通过计算机实时控制喷嘴距中心的距离。所述驱动电机有两台，分别是驱动X轴丝杠10的X轴步进电机9和驱动Y轴丝杠4的Y轴步进电机2，均固定安装在所述主体框架的顶板3的边框上，并使所述X轴步进电机9的轴线与Y轴步进电机2的轴线空间相互垂直。以Y轴为例，Y轴滚珠丝杠滑块7与Y轴丝杠4螺纹连接，一端滑动设置在顶板3下端面上的Y轴滑块导轨6内，Y轴滑块导轨6与Y轴丝杠4平行设置。Y轴丝杠4的一端通过Y轴联轴器8连接Y轴步进电机2，另一端通过丝杠支撑座1连接在顶板3上。

其中，角度调节系统包括喷嘴13，转接板18，角度步进电机12和喷嘴安装座15，不同型号的标准化送粉喷嘴13均可以同喷嘴安装座15固定端螺纹装配，在喷嘴测试前，可通过计算机控制角度步进电机12进行喷嘴倾斜角度调节。所述喷嘴13分别通过各喷嘴安装座15安装在所述顶板3的下表面，并使该喷嘴13的轴线与对应连接的丝杠轴线在同一竖直平面内，各转接板18的一端分别与各滚珠丝杠滑块连接，各转接板18的另一端与各喷嘴安装座15配合铰接；所述角度步进电机12固定在转接板18上，通过联轴器与喷嘴安装座15相连，并控制喷嘴安装座15转动；所述角度指示器11连接在角度步进电机12的输出轴上，设置刻度的一端固定安装在转接板18的中部。四个喷嘴的角度调节系统分别通过转接板18分别与X向移动机构中的滑块和Y向移动机构中的滑块连接。

其中，视觉成像系统包括顶部垂直向下视觉成像系统与水平视觉成像系统组成。为不干扰丝杠运动，并观察喷嘴中点处粉末汇聚情况，采用支架固定在中点处安装微型CCD相机16，利用其摄像头拍摄，可以通过图像识别算法，计算实时显示粉末汇聚斑点大小。为了计算喷嘴高度与汇聚点到底板的高度，侧面安装侧位CCD相机22与发光板，通过侧位CCD相机22拍照，计算机计算测量，可得到稳定汇聚点时喷嘴距离顶板3的高度以及汇聚点到底板的高度。所述视觉成像系统中的顶部垂直向下视觉成像系统包括相机固定支架5、LED顶光源17和微型CCD相机16构成，所述相机固定支架5安装在顶板3上，微型CCD相机16安装在该相机固定支架5的下表面，LED顶光源17亦固定在固定支架的底面上。所述水平视觉成像系统包括LED背光源面板20、侧位CCD相机22和侧位相机支撑座19，侧位CCD相机22通过侧位相机支撑座19安放在该主体框架内一侧侧边处，并使该侧位CCD相机22的高度能够拍摄所述各喷嘴中心线的延长线的交汇区域；LED背光源面板20安放在该主体框架内另一侧侧边处。

其中，主体框架包括顶板3与底板21两部分组成，顶板3用于固定水平调节系统，角度调节系统与顶部垂直向下视觉成像系统，底板21和顶板3连接的侧边用于固定水平方向的水平视觉成像系统。

另外，由于喷嘴13由远及近向中心点聚拢时，喷射出的粉末流由互相不接触到互相接触重叠，再到相互作用碰撞反弹，该过程中存在某一特定距离使得汇聚粉末粉斑大小最小。基于以上原理与测试装置，本发明测试方法采用CCD相机连续观察粉末汇聚斑点大小，能够通过计算机编程控制CCD相机拍摄频率，因此实现了喷嘴13在水平向上移动时，CCD相机对汇聚图像的连续拍摄，因此，通过计算机控制，按照一定的频率对当前喷嘴移动的距离和粉末喷出后的图像进行同步采集，获得水平图像-竖直图像的关联数据。测试实验完成后，即可获得一系列送粉角度下，喷嘴位置-粉斑大小-汇聚高度等相关的数据信息，通过计算机自动查询，能够根据用户需求搜索出最优送粉角度、安装距离和送粉汇聚高度值。

具体方法如下：

所述LED顶光源17采用环形光源，用于增大视场亮度，LED背光源面板20采用片光源用于汇聚粉斑处。经过实验验证分析，混合光源可以有效提高CCD相机成像质量。

所述CCD相机按一定频率进行连续拍摄，进行图像捕捉；其中顶部垂直向下的微型CCD相机16主要用于捕捉粉斑汇聚情况，水平侧位CCD相机22主要用于捕捉粉束汇聚情况。捕捉的图像经过数字化处理后，可通过计算机USB，IEEE1394接口直接传输到计算机中，通过专用图像识别处理软件，对粉末边缘特征点进行提取，形成轮廓线；以送粉喷嘴单次移动行程所拍粉束汇聚图像为一组图像，选取粉束束腰距离最小的图像作为该组实验的最佳值，并输出此时的喷嘴距中心点距离d，喷嘴倾斜角度α，汇聚点到喷嘴高度h与粉斑水平图像；再进行角度调节，捕捉粉斑汇聚图像，选取粉斑面积最小的图像作为该组实验的最佳值，并输出此时的喷嘴距中心点距离D，喷嘴倾斜角度A，汇聚点到喷嘴高度H。另外，本发明所采用的CCD相机均为500万像素的高清摄像机，捕捉视场大小50mm*50mm范围，系统分辨率0.02mm。

所述图像处理时包括图像增强，噪声去除，轮廓提取，像素计算等。由于粉末具有一定的发散性，捕捉图像容易受到边缘粉末的影响，因此有必要加强图像识别软件的图像增强与噪声去除功能，其中，中值滤波法是一种非线性滤波，能去除一定噪声，且图像目标的边缘不会变坏。本发明基于图像识别形成对其测试结果的评价系统，通过同一组图像像素比例的计算可以确定出最佳汇聚粉斑的大小。

因此，通过以上水平电机与角度电机的实时调节，加上CCD相机同步拍摄与图像处理，各种喷嘴的汇聚特性可以准确、真实、快速评估的得到全自动评估，并可以对设计的各种喷嘴的入射角度、喷嘴之间距离进行全自动测试，从而获得该设计喷嘴的最优送粉角度、安装距离和送粉汇聚高度值。

如图1所示，下面仅以外径8mm，内径1mm标准送粉喷嘴为代表，阐述增材制造同轴送粉喷嘴测试装置使用方法，其他型号喷嘴作用原理类似，在此不再赘述。

1.预先在控制系统中输入所要测试的喷嘴距中心点距离最大值d₁与最小值d₂，其差值为Δd；喷嘴倾斜角度最大值α₁与最小值α₂，其差值为Δα；并设定视觉成像系统拍照频率为n，送粉速率为g，角度调节进给度数β；

2.在控制系统的控制下，启动水平步进电机驱动滚珠丝杠，使喷嘴自动运行到中心距离最大值与角度最小值处；同时启动视觉成像系统与喷嘴送粉系统；

3.水平步进电机控制喷嘴由距中心点最大值处匀速运动到最小值处，向中心聚拢，视觉成像系统按照设定频率进行图像捕捉，其中顶部垂直向下视觉成像系统将获得粉斑水平图像，如图4b所示，水平视觉成像系统将获得粉束竖直图像，如图4a所示；

4.利用图像识别处理软件对捕捉到的粉束竖直图像进行轮廓识别与距离测量，通过距离大小对比，搜索出最小粉束汇聚宽度，并输出此时对应的喷嘴距中心点距离d，喷嘴倾斜角度α，汇聚点到喷嘴高度h与粉斑水平图像，如图3所示；

5.系统程序控制水平步进电机使得喷嘴自动回程到距离最大值处，喷嘴角度较前一次增大β；重复步骤3和步骤4，直到喷嘴角度达到最大值，获得Δα/β+1组实验数据与粉斑水平图像；

6.对比以上Δα/β+1组粉斑水平图像，利用图像识别处理软件进行粉斑轮廓识别与面积计算，搜索得到面积最小粉斑汇聚水平图像，同时输出此时对应的喷嘴距中心点距离D，喷嘴倾斜角度A，汇聚点到喷嘴高度H，作为最优解，完成测试。其中，由于图像识别处理软件在对图像进行识别时，阈值范围能够调整，因此能够得到多组最优解，从而供使用者根据实际进行选择；本优选实例中的图像识别处理软件采用cognex visionpro。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本装置与方法进行多种替换和改进，这些均落入本装置与方法的保护范围内。

Claims (9)

1.增材制造同轴送粉喷嘴测试方法，其特征在于，基于如下所述的增材制造同轴送粉喷嘴测试装置，其包括水平移动系统，角度调节系统，视觉成像系统和主体框架，以及用于控制水平移动系统和角度调节系统运动的控制系统；

所述的主体框架包括顶板(3)和底板(21)，顶板(3)和底板(21)通过两侧的侧边连接固定形成框架；水平移动系统、角度调节系统和视觉成像系统均安装在主体框架内；

所述的水平移动系统用于提供喷嘴(13)在X轴方向和Y轴方向上的四个安装位置；X轴和Y轴形成的水平坐标系与顶板(3)平行；

所述的角度调节系统用于设置喷嘴(13)在四个安装位置上的倾斜角度；安装后喷嘴(13)的轴线与对应安装位置上的坐标轴在同一竖直平面内；

所述的视觉成像系统包括计算机、顶部垂直向下视觉成像系统和水平视觉成像系统；顶部垂直向下视觉成像系统包括微型CCD相机(16)；微型CCD相机(16)固定安装在经过水平坐标系原点的垂线上微型CCD相机(16)用于实时采集粉末汇聚斑点大小；水平视觉成像系统包括固定安装在侧边上的侧位CCD相机(22)；侧位CCD相机(22)用于实时采集稳定汇聚点时喷嘴距离顶板(3)的高度以及汇聚点到底板的高度；计算机的输入端分别连接微型CCD相机(16)和侧位CCD相机(22)的输出端；

所述的方法包括如下步骤，

步骤1，预先在控制系统中输入所要测试的喷嘴距中心点距离最大值d₁与最小值d₂，其差值为Δd；喷嘴倾斜角度最大值α₁与最小值α₂，其差值为Δα；并设定视觉成像系统拍照频率为n，送粉速率为g，角度调节进给度数β；

步骤2，通过控制系统启动水平步进电机驱动滚珠丝杠，使喷嘴自动运行到中心距离最大值与角度最小值处；同时启动视觉成像系统与喷嘴送粉系统；

步骤3，水平步进电机控制喷嘴由距中心点最大值处匀速运动到最小值处，向中心聚拢，视觉成像系统按照设定频率进行图像捕捉，其中顶部垂直向下视觉成像系统将获得粉斑水平图像，水平视觉成像系统将获得粉束竖直图像；

步骤4，利用图像识别处理软件对捕捉到的粉束竖直图像进行轮廓识别与距离测量，通过距离大小对比，搜索出最小粉束汇聚宽度，并输出此时对应的喷嘴距中心点距离d，喷嘴倾斜角度α，汇聚点到喷嘴高度h与粉斑水平图像；

步骤5，通过控制系统控制水平步进电机使得喷嘴自动回程到距离最大值处，喷嘴角度较前一次增大β；重复步骤3和步骤4，直到喷嘴角度达到最大值，获得Δα/β+1组实验数据与粉斑水平图像；

步骤6，对比以上Δα/β+1组粉斑水平图像，利用图像识别处理软件进行粉斑轮廓识别与面积计算，搜索得到面积最小粉斑汇聚水平图像，同时输出此时对应的喷嘴距中心点距离D，喷嘴倾斜角度A，汇聚点到喷嘴高度H，作为最优解。

2.根据权利要求1所述的增材制造同轴送粉喷嘴测试方法，其特征在于，图像识别处理软件对采集到粉束竖直图像进行轮廓识别与距离测量，包括如下步骤，

a.对于每一组图像中喷嘴送粉的粉束边缘轮廓进行识别与捕捉，得到L₁,L₂,L₃,L₄四条轮廓线，其中L₁与L₂为左端喷嘴粉束的左右边缘线，L₃与L₄为右端喷嘴粉束的左右边缘线；

b.标定L₁与L₃交点，L₂与L₄交点，获取两点坐标，通过距离计算获得一组图像中最小粉束宽度；

c.识别最小粉束宽度时喷嘴预置标定点坐标，两标定点距离的一半为喷嘴距中心点距离d，标定点到交点的竖直距离为汇聚点到喷嘴高度h，则喷嘴倾斜角度α＝arctan(h/d)。

3.根据权利要求1所述的增材制造同轴送粉喷嘴测试方法，其特征在于，图像识别处理软件对采集到粉斑水平图像进行轮廓识别与面积计算包括如下步骤，

a.对于每一组水平图像，利用图像识别处理软件，对汇聚的粉斑轮廓进行提取；

b.通过像素识别计算汇聚粉斑的面积，选取最小面积汇聚粉斑的图像为最优结果，并输出此时的喷嘴距中心点距离D，喷嘴倾斜角度A，汇聚点到喷嘴高度H。

4.根据权利要求1所述的增材制造同轴送粉喷嘴测试方法，其特征在于，图像识别处理软件对采集到的水平图像和竖直图像进行处理时，采用中值滤波法进行图像增强和噪声去除处理。

5.根据权利要求1所述的增材制造同轴送粉喷嘴测试方法，其特征在于，所述的水平移动系统包括分别沿X轴和Y轴设置的滚珠丝杠，每个滚珠丝杠上分别配合设置的两个滚珠丝杠滑块，以及与每个滚珠丝杠上连接的水平步进电机；每个滚珠丝杠滑块的上端滑动设置在顶板(3)下端面上的导轨内，导轨与对应的滚珠丝杠平行布置，滚珠丝杠滑块用于提供喷嘴(13)的安装位置；水平步进电机的控制端连接控制系统。

6.根据权利要求5所述的增材制造同轴送粉喷嘴测试方法，其特征在于，角度调节系统包括转接板(18)，角度步进电机(12)和喷嘴安装座(15)；

所述喷嘴(13)分别通过各喷嘴安装座(15)对应安装在滚珠丝杠滑块上，喷嘴(13)的轴线与对应连接的滚珠丝杠轴线在同一竖直平面内；

所述转接板(18)的一端固定连接滚珠丝杠滑块，另一端与喷嘴安装座(15)铰接配合；固定在转接板(18)上的角度步进电机(12)的输出轴通过联轴器与喷嘴安装座(15)相连，角度步进电机(12)的输出轴上设置有角度指示器(11)，角度指示器(11)的刻度盘固定安装在转接板(18)中部；角度步进电机(12)的控制端连接控制系统。

7.根据权利要求1所述的增材制造同轴送粉喷嘴测试方法，其特征在于，所述的顶部垂直向下视觉成像系统还包括相机固定支架(5)和LED顶光源(17)；相机固定支架(5)安装在顶板(3)上，相机固定支架(5)的下底面依次设置LED顶光源(17)和微型CCD相机(16)；LED顶光源(17)为环形光源，微型CCD相机(16)设置在LED顶光源(17)中心处。

8.根据权利要求1所述的增材制造同轴送粉喷嘴测试方法，其特征在于，所述的水平视觉成像系统还包括LED背光源面板(20)和侧位相机支撑座(19)；侧位CCD相机(22)通过侧位相机支撑座(19)安放在一个侧边内，侧位CCD相机(22)的高度能够拍摄各喷嘴中心线延长线的交汇区域；LED背光源面板(20)安放另一个侧边内。

9.根据权利要求8所述的增材制造同轴送粉喷嘴测试方法，其特征在于，LED背光源面板(20)为片光源，中心正对侧位CCD相机(22)设置。