CN108509665A - 光电二极管检测的熔池光强数据场建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电二极管检测的熔池光强数据场建模方法，步骤如下：划分网格：根据检测电路采样频率，将成形件每一层的加工截面进行规则网格划分，使每个网格对应一个坐标值；建立矩阵：建立二维矩阵，矩阵的每个单元对应一个截面网格位置；坐标对应：根据激光扫描速度，将熔池光强数据与所述截面网格位置的坐标数据相对应，并将该熔池光强数据填入相应的矩阵单元；图像显示：将二维矩阵中的熔池光强数据值转化空间域可视化信号。本发明能够直观地观察熔池光强在成形层上的分布与变化，根据RGB色彩的差异反映熔池光强的差异，分辨孔洞、凹陷、裂纹等缺陷的产生，便于缺陷产生机理的研究以及通过调整激光参数实现在线反馈，简单通用，易于推广。
Description
一、技术领域
本发明属于数据图像化处理技术领域，特别是一种光电二极管检测的熔池光强数据场建模方法。
二、背景技术
激光选区熔化/烧结(Selective Laser Melting/Selective Laser Sintering,SLM/SLS)是近些年发展起来的增材制造技术，基于增材制造基本原理，利用离散材料逐层叠加“生长”加工的方式直接成形具有特定几何形状的零件，具有精度高、材料利用率高、零件致密性好、工艺简单等优点。金属材料在该技术领域已获得成熟应用，但翘曲、变形这类缺陷仍是成形过程中普遍存在的问题。而陶瓷材料SLM/SLS成形技术正处在研究阶段，裂纹、孔隙等影响零件性能的缺陷问题亟待解决。从熔池的热行为上对SLM/SLS成形过程进行研究。通过对SLM/SLS成形过程中的熔池进行监控有助于理解不同的过程条件是如何影响熔化过程，并可以通过与参考数据对比及时发现和修正过程扰动。
光电二极管检测熔池光强是熔池在线检测的一种成熟方法，通过将材料的熔化过程中的熔池光辐射信号转变为电压信号来实时反映出当前熔池的光强信息，相比高频相机和红外热像仪等检测手段的高成本和难推广，光电二极管在线监测是一种经济且有效的检测手段，然而光电二极管检测得出的信息是电压时域信号，无法与空间域上的熔池尺寸、温度等信息直接对应，无法直观地观察和对比整个加工平面的熔池变化。
三、发明内容
本发明的目的在于提供一种光电二极管检测的熔池光强数据场建模方法，从而直观地观察和对比SLM/SLS成形过程中整个加工平面的熔池变化。
实现本发明目的的技术方案如下：一种光电二极管检测的熔池光强数据场建模方法，包括以下步骤：
步骤1、划分网格：根据检测电路采样频率，将成形件每一层的加工截面进行规则网格划分，使每个网格对应一个坐标值；
步骤2、建立矩阵：建立二维矩阵，矩阵的每个单元对应一个截面网格位置；
步骤3、坐标对应：根据激光扫描速度，将熔池光强数据与所述截面网格位置的坐标数据相对应，并将该熔池光强数据填入相应的矩阵单元；
步骤4、图像显示：将二维矩阵中的熔池光强数据值转化空间域可视化信号。
进一步地，步骤2所述二维矩阵为利用Matlab根据划分的网格建立的矩阵。
进一步地，步骤3所述熔池光强数据为光电二极管接收熔池光强信号后输出的电压信号。
进一步地，步骤4所述空间域可视化信号为RGB图像信号。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)利用一种简单有效的映射算法，对SLM/SLS过程中二极管在线检测的熔池光强数据场进行处理，将熔池光强时域信号转换为空间域上以图片形式进行可视化表示的信号，不仅可以获得熔池光强的大小和波动，而且可以获得熔池光强的空间分布；(2)能够直观观察和对比熔池的尺寸、温度等信息，进而发现在加工过程中的成形层上的孔洞、凹陷、裂纹等缺陷，为后期缺陷的产生机理的研究以及通过调整激光参数实现在线反馈打下基础，简单通用，易于推广。
四、附图说明
图1为光电二极管输出的时域电压信号转换为空间域上可视化的RGB信号效果图。
图2为软件界面和二极管在线检测的熔池光强数据场建模效果图。
图3为激光功率不同时陶瓷SLM过程中熔池光强数据场建模结果图，其中(a)～(d)分别为激光功率为140W、160W、180W和200W时的建模结果图。
图4为通过SLM成形技术获得的具有凹陷的陶瓷试件表面形态图，其中(a)、(b)分别为两个凹陷位置不同的陶瓷试件表面形态图。
图5为两个陶瓷试件的熔池光强数据场建模结果图，其中(a)、(b)分别为对应于图4中(a)、(b)的熔池光强数据场建模结果图。
图6为通过SLM成形技术获得的具有宏观裂纹的两个陶瓷试件与熔池光强数据场建模效果图，其中(a1)、(b1)分别为一个陶瓷试件的底面、正面形态图，(c1)为该陶瓷试件的熔池光强数据场建模效果图；(a2)、(b2)分别为另一个陶瓷试件的底面、正面形态图，(c2)为该陶瓷试件的熔池光强数据场建模效果图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。
本发明利用一种映射算法将SLM/SLS成形过程中熔池光强时域信号转换为空间域上以图片形式进行可视化表示的信号，所述的映射算法为将SLM/SLS过程中的成形层进行有限的规则网格划分，然后根据网格的位置信息与光电二极管输出的电压信号一一对应，在这个过程中电压信号又与RGB图像信号一一对应。
本发明光电二极管检测的熔池光强数据场建模方法，包括以下步骤：
步骤1、划分网格：根据检测电路采样频率，将成形件每一层的加工截面进行规则网格划分，使每个网格对应一个坐标值。
步骤2、建立矩阵：建立二维矩阵，矩阵的每个单元对应一个截面网格位置；所述二维矩阵为利用Matlab根据划分的网格建立的矩阵。
步骤3、坐标对应：根据激光扫描速度，将熔池光强数据与所述截面网格位置的坐标数据相对应，并将该熔池光强数据填入相应的矩阵单元；所述熔池光强数据为光电二极管接收熔池光强信号后输出的电压信号。
步骤4、图像显示：将二维矩阵中的熔池光强数据值转化空间域可视化信号，所述空间域可视化信号为RGB图像信号。
使用Visual Basic开发的程序将二维矩阵中的熔池光强数据值转化RGB值进行图像显示，如图1～2所示。时域电压信号与RGB色卡的对应关系如表1所示。
表1
实施例1
分别采用140W、160W、180W和200W的激光功率进行陶瓷SLM成形实验，在这个过程中使用光电二极管进行熔池光强在线检测，并通过本发明的建模方法对第4层熔池光强数据建模获得熔池数据场模型，如图3所示，其中(a)～(d)分别为激光功率为140W、160W、180W和200W时的建模结果图，可以明显看出熔池光强在空间域上的分布与变化。
实施例2
在研究陶瓷SLM熔池热行为的试验中，部分试件出现了明显的凹痕，如图4所示，其中(a)、(b)分别为两个凹陷位置不同的陶瓷试件表面形态图，采用映射算法根据光电二极管检测到的熔池光强数据建立熔池数据场模型，如图5所示，其中(a)、(b)分别为对应于图4中(a)、(b)的熔池光强数据场建模结果图。可以发现，凹痕出现位置处，二极管信号强度相对其他位置处有明显的增强。光电二极管检测得到的电压信号通过数据场建模方法转变为空间域上的图形显示，相比原来只能观察电压的数值和波动，现在可以在成形件上确定缺陷的位置和大小，有利于后期对于缺陷产生机理的研究。
实施例3
在研究陶瓷SLM熔池热行为的试验中，人为的在基板上制造了宏观裂纹，在成形参数为激光功率为120W、扫描速度为90mm/s、铺粉层厚为50μm的条件下，在存在裂纹的基板上通过SLM技术获得一层陶瓷成形层。采用设计的熔池光强监测系统对整个成形过程进行监测，然后通过数据场建模方法获得熔池光强数据场模型，如图6所示，其中(a1)、(b1)分别为一个陶瓷试件的底面、正面形态图，(c1)为该陶瓷试件的熔池光强数据场建模效果图；(a2)、(b2)分别为另一个陶瓷试件的底面、正面形态图，(c2)为该陶瓷试件的熔池光强数据场建模效果图。从图中可以发现在裂纹位置处的二极管信号比其他位置强，通过颜色的差别可以区分裂纹的形态与分布，将裂纹的产生与熔池光强信号直接相关联。
Claims (4)
1.一种光电二极管检测的熔池光强数据场建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、划分网格：根据检测电路采样频率，将成形件每一层的加工截面进行规则网格划分，使每个网格对应一个坐标值；
步骤2、建立矩阵：建立二维矩阵，矩阵的每个单元对应一个截面网格位置；
步骤3、坐标对应：根据激光扫描速度，将熔池光强数据与所述截面网格位置的坐标数据相对应，并将该熔池光强数据填入相应的矩阵单元；
步骤4、图像显示：将二维矩阵中的熔池光强数据值转化空间域可视化信号。
2.根据权利要求1所述的光电二极管检测的熔池光强数据场建模方法，其特征在于，步骤2所述二维矩阵为利用Matlab根据划分的网格建立的矩阵。
3.根据权利要求1所述的光电二极管检测的熔池光强数据场建模方法，其特征在于，步骤3所述熔池光强数据为光电二极管接收熔池光强信号后输出的电压信号。
4.根据权利要求1所述的光电二极管检测的熔池光强数据场建模方法，其特征在于，步骤4所述空间域可视化信号为RGB图像信号。
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