CN107796328A - 金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器及检测方法 - Google Patents

金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器及检测方法 Download PDF

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李蓉
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Abstract

本发明提供一种金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器及检测方法,传感器包括摄像机、光学镜头、光学三棱镜、复合滤光系统,光学三棱镜用于构造虚拟摄像机,使单摄像机获得上下熔池图像对,金属增材制造熔池形貌三维视觉检测方法如下:标定两虚拟摄像机内外参数及相对位置关系,三维视觉传感器采集金属增材制造上下熔池图像,上下熔池图像极线矫正,熔池图像视差图求取,金属增材制造熔池形貌三维重建;本发明设计的传感器装配灵活,可获得上下熔池图像对,适用于不同尺寸大小金属增材制造熔池的检测,检测方法可实现金属增材制造熔池三维形貌的在线检测,为金属增材制造熔池尺寸智能控制提供了有效的技术支撑。

Description

金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器及检测方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域,具体涉及一种金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器及检测方法。
背景技术
金属增材制造是一种以激光、电弧或电子束为热源,根据金属构件的三维模型,逐层熔化金属材料的方式制造三维实体金属构件的技术。与传统的减法制造不同,金属增材制造技术有效克服了复杂金属构件制造周期长、材料利用率低等缺点。同时,在成形钛、镍合金等昂贵金属材料时,具有显著的低成本优势。因此,目前该技术得到了广泛的研究和应用。
金属增材制造是单热源多层成形过程,存在众多扰动因素,如:成形层层间温度、层间停留时间、基板材质与散热条件、保护气体流量等都将影响金属增材制造熔池成形的稳定性。由于熔池成形的稳定性与成形尺寸直接决定凝固后成形层的质量。当前熔池成形的稳定性还将直接影响后续成形层的质量。因此,有必要对金属增材制造熔池进行实时检测以评估成形层质量。
众所周知,视觉传感技术有着直观、信息量丰富等诸多优点。然而,在现有的研究技术与文献中,对金属增材制造熔池的检测主要基于单目视觉检测,该方法仅能获得金属增材制造熔池在宽度或高度上的二维平面信息,无法获取成形熔池的三维形貌信息;另一方面,由于扰动因素的干扰,金属增材制造过程堆积层的高度与工作台下降的设定高度难以保持一致,在熔池宽度检测时,将导致单目视觉传感器到当前成形层表面距离发生变化,检测过程失效。因此,有必要探索一种基于三维视觉的金属增材制造熔池形貌传感装置与检测方法,从而可以检测熔池多角度的信息,且不受传感器到成形层表面距离的影响,进一步为后续金属增材制造熔池尺寸控制提供技术支撑。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足,本发明的目的在于解决金属增材制造熔池检测难题,提供一种金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器及检测方法。
为实现上述发明目的,本发明技术方案如下:
一种金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器,包括由顶板、底板、前侧板、后侧板、左侧板围成的传感器外壳,顶板上设有摄像机通孔槽,摄像机和顶板之间设有垫块,所述摄像机和垫块通过螺栓连接在顶板的摄像机通孔槽中,摄像机前方通过螺纹连接光学镜头,所述光学镜头前方通过螺纹连接圆形套筒,复合滤光系统安装在圆形套筒内部,用于过滤金属增材制造热源辐射的杂光,所述复合滤光系统包括滤光片、减光片以及透光玻璃片,与左侧板相对的一侧设有光学三棱镜带槽固定板,光学三棱镜带槽固定板上设有三角形槽,三角形槽内安装光学三棱镜,光学三棱镜的顶角棱正对金属增材制造熔池平面,光学三棱镜的底面与摄像机光轴垂直相交,光学三棱镜的顶角棱与摄像机光轴垂直相交于顶角棱的中点,光学三棱镜的上侧面与顶板的上表面平行,金属增材制造熔池反射光线透过光学三棱镜时,分别经光学三棱镜第一侧面、底面的折射,以及第二侧面、底面的折射,形成两束相交光线,由此构造出关于摄像机光轴对称的上下虚拟摄像机,使得摄像机获得上下金属增材制造熔池图像;
所述光学三棱镜带槽固定板顶面通过螺栓和顶板连接,顶板上设有使光学三棱镜带槽固定板横向滑动的光学三棱镜通孔槽;光学三棱镜带槽固定板靠近摄像机的一侧设有光学三棱镜穿孔固定板,所述光学三棱镜穿孔固定板将光学三棱镜压在所述光学三棱镜通孔槽中。
作为优选方式,光学三棱镜的边角α为6-10°。如果光学三棱镜边角过小,则光学三棱镜加工精度差;如果光学三棱镜边角过大,则上下图像遮挡区域过大。
作为优选方式,光学镜头的焦点与光学三棱镜底面的距离为40-60mm。如果光学镜头焦点与光学三棱镜底面间隔距离过小,则上下图像出现重叠;光学镜头焦点与光学三棱镜底面间隔距离过小,则上下图像超出摄像机成像平面。
作为优选方式,光学镜头的焦点与金属增材制造熔池表面沿摄像机光轴方向距离为150-300mm。光学镜头焦点与金属增材制造熔池表面沿摄像机光轴方向距离过小,则金属增材制造高温辐射将影响摄像机正常工作;光学镜头焦点与金属增材制造熔池表面沿摄像机光轴方向距离过大,则金属增材制造熔池图像放大倍数过小。
作为优选方式,摄像机光轴与金属增材制造熔池平面的夹角为45°-85°。摄像机光轴与金属增材制造熔池平面夹角过大,则获取的液态熔池信息过少;摄像机光轴与金属增材制造熔池平面夹角过小,则金属增材制造热源散发出的强光对熔池影响过大。
为实现上述发明目的,本发明还供一种金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器的检测方法,包括如下步骤:
步骤一:金属增材制造熔池三维形貌传感器通过USB线连接在计算机上,利用金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器拍摄不同位姿下的平面标定模板,采用摄像机标定算法,分别标定上下虚拟摄像机的像素焦距、主点坐标以及上下虚拟摄像机相对于同一世界坐标系的旋转矩阵与平移向量,同时根据上述参数标定上下虚拟摄像机之间的相对旋转矩阵与相对平移向量;
步骤二:启动金属增材制造热源,金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器,检测金属增材制造熔池,获取金属增材制造上下熔池图像;
步骤三:根据上下虚拟摄像机的标定结果,采用透射投影极线校正算法,对金属增材制造上下熔池图像进行透射投影变换,使得上下熔池图像上的对应点位于同一竖直线上;
步骤四:采用熔池图像预处理算法,对金属增材制造熔池图像进行图像处理,采用基于极线校正的立体匹配算法,求取图像处理后的金属增材制造熔池图像相对应的上下熔池视差图,采用熔池视差值精化算法对上下熔池视差图进行精化;
步骤五:根据精化后的上下熔池视差图、两虚拟摄像机的像素焦距、主点坐标以及相对旋转矩阵与平移向量,利用三角测量原理计算金属增材制造熔池表面空间点三维坐标,重建金属增材制造熔池表面三维形貌。
作为优选方式,步骤二中所述的金属增材制造热源为激光或者电弧。
作为优选方式,步骤四中所述的熔池图像预处理算法由中值滤波算法、高斯平滑滤波算法构成,中值滤波算法对金属增材制造熔池图像进行去噪处理,高斯平滑滤波算法对金属增材制造熔池图像进行平滑滤波。
作为优选方式,步骤四中所述的熔池视差值精化算法包括左右一致校验算法、中值滤波算法,左右一致校验算法用于去除熔池视差图中的遮挡点,中值滤波算法用于熔池视差图平滑滤波。
本发明设计的金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器,装配灵活,可使单摄像机获得上下熔池图像,实现摄像机镜头焦点、光学三棱镜到熔池平面距离的连续性调整,适用于不同尺寸大小金属增材制造熔池的检测;本发明提供的金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器的检测方法,可重建金属增材制造熔池表面三维形貌,克服了单目视觉传感只能获取熔池某个方向上二维平面信息的缺点,同时解决了单目视觉传感器到熔池表面距离波动带来的传感器标定难题,可准确提取熔池尺寸空间信息,实现金属增材制造熔池的在线检测,为金属增材制造智能控制提供了可靠的技术支撑。
附图说明
图1是金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器去掉底板、前侧板后的内部结构示意图;
图2是金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器外部结构示意图;
图3是光学三棱镜示意图;
图4是光学三棱镜带槽固定板示意图。
图5是光学三棱镜穿孔固定板示意图。
图6是GMAW增材制造三维视觉传感系统结构示意图;
图7是金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器采集的GMAW增材制造熔池图像;
图8是GMAW增材制造熔池形貌三维重建示意图。
1为摄像机,2为光学镜头,3为光学三棱镜,4为复合滤光系统,5为圆形套筒,6为光学三棱镜带槽固定板,7为光学三棱镜穿孔固定板,8为垫块,9为顶板,10为前侧板,11为后侧板,12为左侧板,13为底板,14为摄像机通孔槽,15为光学三棱镜通孔槽,16为光学三棱镜的顶角棱,17为光学三棱镜的底面,18为光学三棱镜的第一侧面,19为光学三棱镜的第二侧面,20为工作平台,21为焊枪,22为第一步进电机,23为第二步进电机,24为计算机,25为气保焊机,26为金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器,27为光学三棱镜的上侧面。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本实施例的试验平台如图4所示:气保焊机为松下400GE2型焊机,第一步进电机驱动的丝杠带动工作平台运动,第二步进电机驱动的丝杠带动焊枪、金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器运动。基板为Q235低碳钢,基板尺寸为250mm×100mm×10mm,填充丝材为直径1.2mm的H08Mn2Si,试验工艺参数为:堆积电流130A,电弧电压21V,行走速度4mm/s,保护气为95%Ar+5%CO2,气体流量18L/min。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示,本实施例包括:金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器26、计算机24、气保焊机25、焊枪21、第一步进电机22、第二步进电机23以及工作平台20。其中,金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器26包括由顶板9、底板13、前侧板10、后侧板11、左侧板12围成的传感器外壳,顶板9上设有摄像机通孔槽14,摄像机1和顶板9之间设有垫块8,所述摄像机1和垫块8通过螺栓连接在顶板9的摄像机通孔槽14中,摄像机1前方通过螺纹连接光学镜头2,所述光学镜头2前方通过螺纹连接圆形套筒5,复合滤光系统4安装在圆形套筒5内部,用于过滤金属增材制造热源辐射的杂光,所述复合滤光系统4包括滤光片、减光片以及透光玻璃片,与左侧板12相对的一侧设有光学三棱镜带槽固定板6,光学三棱镜带槽固定板6上设有三角形槽,三角形槽内安装光学三棱镜3,光学三棱镜3的顶角棱16正对金属增材制造熔池平面,光学三棱镜3的底面17与摄像机1光轴垂直相交,光学三棱镜3的顶角棱16与摄像机1光轴垂直相交于顶角棱16的中点,光学三棱镜3的上侧面27与顶板9的上表面平行,金属增材制造熔池反射光线透过光学三棱镜3时,分别经光学三棱镜3第一侧面18、底面17的折射,以及第二侧面19、底面17的折射,形成两束相交光线,由此构造出关于摄像机1光轴对称的上下虚拟摄像机,使得摄像机1获得上下金属增材制造熔池图像;
所述光学三棱镜带槽固定板6顶面通过螺栓和顶板9连接,顶板9上设有使光学三棱镜带槽固定板6横向滑动的光学三棱镜通孔槽15;光学三棱镜带槽固定板6靠近摄像机1的一侧设有光学三棱镜穿孔固定板7,所述光学三棱镜穿孔固定板7将光学三棱镜压在所述光学三棱镜通孔槽15中。
所述光学三棱镜的边角α为6-10°,光学三棱镜的材质为K9光学玻璃,所述摄像机通孔槽14长60mm,所述光学三棱镜通孔槽15长40mm,所述光学镜头的焦点与光学三棱镜底面的距离为40-60mm,所述光学镜头的焦点与金属增材制造熔池表面沿摄像机光轴方向距离为150-300mm,所述摄像机光轴与增材制造熔池平面之间的夹角为45°-85°。
本实施例还提供一种利用上述金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器的检测方法,具体步骤如下:
步骤一:金属增材制造熔池三维形貌传感器通过USB线连接在计算机上,利用金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器拍摄不同位姿下的平面标定模板,采用摄像机标定算法,分别标定上下虚拟摄像机的像素焦距、主点坐标以及上下虚拟摄像机相对于同一世界坐标系的旋转矩阵与平移向量,同时根据上述参数标定上下虚拟摄像机之间的相对旋转矩阵与相对平移向量;具体的,步骤一中所述的摄像机标定算法为平面模板标定法。
步骤二:启动金属增材制造热源,金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器,检测金属增材制造熔池,获取金属增材制造上下熔池图像,如图7所示。具体的,步骤二中所述的金属增材制造热源为熔化极气体保护焊电弧。
步骤三:根据上下虚拟摄像机的标定结果,采用透射投影极线校正算法,对金属增材制造上下熔池图像进行透射投影变换,使得上下熔池图像对应点位于同一竖直线上。
步骤四:采用熔池图像预处理算法,对金属增材制造熔池图像进行图像处理,采用基于极线校正的立体匹配算法,求取图像处理后的金属增材制造熔池图像相对应的上下熔池视差图,采用熔池视差值精化算法对上下熔池视差图进行精化;具体的,步骤四中所述的熔池图像预处理算法由中值滤波算法、高斯平滑滤波算法构成,中值滤波算法对金属增材制造熔池图像进行去噪处理,高斯平滑滤波算法对金属增材制造熔池图像进行平滑滤波。具体的,步骤四中所述的基于极线校正的立体匹配算法为自适应Census变换立体匹配算法。具体的,步骤四中所述的熔池视差值精化算法包括左右一致校验算法、中值滤波算法,左右一致校验算法用于去除熔池视差图中的遮挡点,中值滤波算法用于熔池视差图平滑滤波。
步骤五:根据精化后的上下熔池视差图、两虚拟摄像机的像素焦距、主点坐标以及相对旋转矩阵与平移向量,利用三角测量原理计算金属增材制造熔池表面空间点三维坐标,重建金属增材制造熔池表面三维形貌,其结果如图8所示。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器,其特征在于:包括由顶板(9)、底板(13)、前侧板(10)、后侧板(11)、左侧板(12)围成的传感器外壳,顶板(9)上设有摄像机通孔槽(14),摄像机(1)和顶板(9)之间设有垫块(8),所述摄像机(1)和垫块(8)通过螺栓连接在顶板(9)的摄像机通孔槽(14)中,摄像机(1)前方通过螺纹连接光学镜头(2),所述光学镜头(2)前方通过螺纹连接圆形套筒(5),复合滤光系统(4)安装在圆形套筒(5)内部,用于过滤金属增材制造热源辐射的杂光,所述复合滤光系统(4)包括滤光片、减光片以及透光玻璃片,与左侧板(12)相对的一侧设有光学三棱镜带槽固定板(6),光学三棱镜带槽固定板(6)上设有三角形槽,三角形槽内安装光学三棱镜(3),光学三棱镜(3)的顶角棱(16)正对金属增材制造熔池平面,光学三棱镜(3)的底面(17)与摄像机(1)光轴垂直相交,光学三棱镜(3)的顶角棱(16)与摄像机(1)光轴垂直相交于顶角棱(16)的中点,光学三棱镜(3)的上侧面(27)与顶板(9)的上表面平行,金属增材制造熔池反射光线透过光学三棱镜(3)时,分别经光学三棱镜(3)第一侧面(18)、底面(17)的折射,以及第二侧面(19)、底面(17)的折射,形成两束相交光线,由此构造出关于摄像机(1)光轴对称的上下虚拟摄像机,使得摄像机(1)获得上下金属增材制造熔池图像;
所述光学三棱镜带槽固定板(6)顶面通过螺栓和顶板(9)连接,顶板(9)上设有使光学三棱镜带槽固定板(6)横向滑动的光学三棱镜通孔槽(15);光学三棱镜带槽固定板(6)靠近摄像机(1)的一侧设有光学三棱镜穿孔固定板(7),所述光学三棱镜穿孔固定板(7)将光学三棱镜(3)压在所述光学三棱镜通孔槽(15)中。
2.根据权利要求1所述的金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器,其特征在于:光学三棱镜的边角α为6-10°。
3.根据权利要求1所述的金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器,其特征在于:光学镜头的焦点与光学三棱镜底面的距离为40-60mm。
4.根据权利要求1所述的金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器,其特征在于:光学镜头的焦点与金属增材制造熔池表面沿摄像机光轴方向距离为150-300mm。
5.根据权利要求1所述的金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器,其特征在于:摄像机光轴与金属增材制造熔池平面的夹角为45°-85°。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器的检测方法,其特征在于包括如下步骤:
步骤一:金属增材制造熔池三维形貌传感器通过USB线连接在计算机上,利用金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器拍摄不同位姿下的平面标定模板,采用摄像机标定算法,分别标定上下虚拟摄像机的像素焦距、主点坐标以及上下虚拟摄像机相对于同一世界坐标系的旋转矩阵与平移向量,同时根据上述参数标定上下虚拟摄像机之间的相对旋转矩阵与相对平移向量;
步骤二:启动金属增材制造热源,金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器,检测金属增材制造熔池,获取金属增材制造上下熔池图像;
步骤三:根据上下虚拟摄像机的标定结果,采用透射投影极线校正算法,对金属增材制造上下熔池图像进行透射投影变换,使得上下熔池图像上的对应点位于同一竖直线上;
步骤四:采用熔池图像预处理算法,对金属增材制造熔池图像进行图像处理,采用基于极线校正的立体匹配算法,求取与图像处理后的金属增材制造熔池图像相对应的上下熔池视差图,采用熔池视差值精化算法对上下熔池视差图进行精化;
步骤五:根据精化后的上下熔池视差图、两虚拟摄像机的像素焦距、主点坐标以及相对旋转矩阵与平移向量,利用三角测量原理计算金属增材制造熔池表面空间点三维坐标,重建金属增材制造熔池表面三维形貌。
7.根据权利要求6所述的金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器的检测方法,其特征在于:步骤一中所述的摄像机标定算法为平面模板标定法。
8.根据权利要求6所述的金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器的检测方法,其特征在于:步骤二中所述的金属增材制造热源为激光或者电弧。
9.根据权利要求6所述的金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器的检测方法,其特征在于:步骤四中所述的熔池图像预处理算法由中值滤波算法、高斯平滑滤波算法构成,中值滤波算法对金属增材制造熔池图像进行去噪处理,高斯平滑滤波算法对金属增材制造熔池图像进行平滑滤波。
10.根据权利要求6所述的金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器的检测方法,其特征在于:步骤四中所述的熔池视差值精化算法包括左右一致校验算法、中值滤波算法,左右一致校验算法用于去除熔池视差图中的遮挡点,中值滤波算法用于熔池视差图平滑滤波。
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