CN108580899A - 一种激光选区熔化加工过程离轴监测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光选区熔化加工过程离轴监测装置及方法，本发明能够在激光打印加工过程中，通过相机和红外热像仪对打印表面状态持续采集，并将采集后的图像发送至图像采集控制器中，图像采集控制器将相机和红外热像仪所采集到的粉床与打印成型的质量信息发送至计算机中，本装置能与激光选区熔化设备完美兼容，实现零部件制作过程中的自动在线监测，本装置不仅能在激光选区熔化成形过程中监测铺粉平整度信息捕捉铺粉缺陷，还可在逐层打印过程中识别其他嵌入的打印缺陷，并且通过相机和红外热像仪能够识别整个工作台平面，适用范围广，工作精度高。

Description

一种激光选区熔化加工过程离轴监测装置及方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体涉及一种激光选区熔化加工过程离轴监测装置及方法。
背景技术
激光选区熔化技术(SelectiveLaserMelting，SLM)是以原型制造技术为基本原理发展起来的一种先进的激光增材制造技术。通过专用软件对零件三维数模进行切片分层，获得各截面的轮廓数据后，利用高能量激光束根据轮廓数据逐层选择性地熔化金属粉末，通过逐层铺粉，逐层熔化凝固堆积的方式，制造三维实体零件。
在SLM加工成形过程中，零件的质量受到设备系统稳定性(气氛环境、送粉和铺粉机构稳定性等)、工艺参数(激光功率、扫描速度、扫描间距、加工层厚等)、原材料等多重影响；这些影响因素一旦得不到有效控制，便会在成形零件中形成孔洞、球化、裂纹等缺陷，进而使SLM打印的零部件质量无法达到实际使用要求。因此，要想获得高质量的SLM打印零部件，必须对SLM工艺过程的每一层成形过程和成形质量进行监测，并及时优化工艺参数，进而减少甚至消除成形缺陷。
近几年，研究人员有单纯利用工业相机观察铺粉平整度信息或单纯利用热像仪来进行缺陷捕捉的尝试，也有利用高速摄像仪观察粉末熔化道特征以捕捉激光与粉末的相互作用。但是，仅使用工业相机只能在铺粉时监测铺粉平整度信息捕捉铺粉缺陷，而仅使用红外热像仪则只能在逐层打印完成时捕捉热场信息且精度有限；二者均不能全面地获取逐层的零件质量信息。而采用高速相机观察熔化道时，相机镜头需离工作平面很近，观察视场极小，不能有效监测整个工作台平面。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种激光选区熔化加工过程离轴监测装置及方法，不仅能在激光选区熔化成形过程中监测铺粉平整度信息捕捉铺粉缺陷，还可在逐层打印过程中识别其他嵌入的打印缺陷。
为了达到上述目的，一种激光选区熔化加工过程离轴监测装置，包括激光器、图像采集控制器和密封腔室，图像采集控制器连接相机和红外热像仪，激光器连接扫描振镜，密封腔室内设置有成型缸，扫描振镜、相机和红外热像仪均照射成型缸的上表面，图像采集控制器连接计算机；
激光器和扫描振镜用于在成型缸上表面逐层打印零部件；
相机和红外热像仪用于捕捉成型缸上表面的粉床与逐层成型质量信息，并发送至图像采集控制器；
图像采集控制器用于接收粉床与逐层成型质量信息并识别打印异常或缺陷，并将打印异常或缺陷数据发送至计算机中；
计算机用于显示和保持图像采集控制器发送的数据。
图像采集控制器包括图像采集模块，图像采集模块连接图像识别模块，图像识别模块连接图像传输模块；
图像采集模块用于控制相机和红外热像仪采集铺粉、打印以及逐层打印完时的图像数据，并将图像数据发送至图像识别模块；
图像识别模块用于对图像数据进行纠偏、降噪和增强处理，并进行打印异常或缺陷识别，并将结果图像发送至图像传输模块；
图像传输模块用于将结果图像发送至计算机。
密封腔室的顶面上开设有可见光视窗、红外光视窗和振镜窗口，相机通过可见光视窗拍摄成型缸，红外热像仪通过红外光视窗拍摄成型缸，扫描振镜通过振镜窗口照射成型缸。
红外光视窗的材质与红外热像仪所响应波长相对应。
密封腔室内壁的顶部设置有若干光源。
相机的传感器类型为面阵CCD；芯片规格为35mm；分辨率为6576×4384pixels；像元大小≤5.5μm×5.5μm；帧频为6.2fps；相机的镜头前设有激光滤镜。
红外热像仪光谱响应为7.5-14μm；像素分辨率：640×480；最大测温≥2000℃；测温精度为±2℃或±2％读数；帧频≥50Hz；红外热像仪的镜头前设有激光滤镜。
一种激光选区熔化加工过程离轴监测装置的工作方法，包括以下步骤：
步骤一，激光器对密封腔室内的成型缸逐层打印零部件，相机和红外热像仪持续拍摄成型缸上表面；
步骤二，相机和红外热像仪分别在逐层的铺粉完成后、打印过程中和打印完成后形成图像数据传输至图像采集控制器中；
步骤三，图像采集控制器对相机和红外热像仪所拍摄的可见光图像和红外图像进行透视变换矫正纠偏，以消除透视畸变，并通过滤波降噪的方式对图像进行降噪处理；
步骤四，对降噪处理后的图像进行融合处理，从而识别缺陷或异常；
步骤五，将识别后的图像发送至计算机中。
步骤四中，识别缺陷或异常的具体方法如下：
第一步，对降噪后的可见光图像和红外图像进行图像配准；
第二步，将图像配准后的可见光图像和红外图像进行图像融合；
第三步，对融合处理后的图像进行缺陷判断，若发现缺陷，则进行缺陷定义；若无缺陷返回第一步；若无法明确识别缺陷，则形成待判定的采集区域，进行第四步；
第四步，对待判定的采集区域进行分割提取；
第五步，在可见光图像中，对分割后的区域进行缺陷识别，最后，进行缺陷判断，若发现缺陷，则进行缺陷定义；若无缺陷返回第一步。
与现有技术相比，本发明的装置能够在激光器进行打印时，通过相机和红外热像仪对打印表面状态持续采集，并将采集后的图像发送至图像采集控制器中，图像采集控制器将相机和红外热像仪所采集到的粉床与逐层成型质量信息转换为打印异常或缺陷信息，发送至计算机中，本装置能与激光选区熔化设备完美兼容，实现零部件制作过程中的自动在线监测与闭环控制，本装置不仅能在激光选区熔化成形过程中监测铺粉平整度信息捕捉铺粉缺陷，还可在逐层打印过程中识别其他嵌入的打印缺陷，并且通过相机和红外热像仪能够识别整个工作台平面，适用范围广，工作精度高。
本发明的工作方法通过相机和红外热像仪分别在逐层的铺粉完成后、打印过程中和打印完成后形成图像数据，图像采集控制器对图像数据进行处理后，在经过融合处理，最后发送至计算机。本方法同时采集高分辨可见光图像和红外热成像，并采用可见光与红外融合的图像处理算法，既能突显红外图像的目标信息，又尽可能保留可见光图像的丰富细节信息，因此能充分提高缺陷识别的精度，本方法流程简单，操作方便精度高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的图像采集工作流程图；
图3是本发明的图像数据融合处理过程图；
其中，1、激光器，2、扫描振镜，3、相机，4、红外热像仪，5、可见光视窗，6、红外视窗，7、振镜窗口，8、光源，9、成型缸，10、密封腔室，11、图像采集控制器，12、计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，一种激光选区熔化加工过程离轴监测装置，包括激光器1、图像采集控制器11和密封腔室10，图像采集控制器11连接相机3和红外热像仪4，激光器1连接扫描振镜2，密封腔室10内设置有成型缸9，扫描振镜2、相机3和红外热像仪4均照射设置成型缸9的上表面，图像采集控制器11连接计算机12，密封腔室10的顶面上开设有可见光视窗5、红外光视窗6和振镜窗口7，相机3通过可见光视窗5拍摄成型缸9，红外热像仪4通过红外光视窗6拍摄成型缸9，扫描振镜2通过振镜窗口7照射成型缸9，密封腔室10内壁的顶部设置有若干光源8；
红外光视窗6的材质与红外热像仪4所响应波长相对应，若热像仪为长波红外敏感7μm-14μm，则红外视窗需能透过7μm-14μm的长波红外波段，如锗玻璃。若热像仪为中波红外敏感1-5μm，则红外视窗需能透过1-5μm的中波红外波段，如蓝宝石玻璃；
激光器1和扫描振镜2用于在成型缸9上表面逐层打印零部件；
相机3和红外热像仪4用于捕捉成型缸9上表面的粉床与逐层成型质量信息，并发送至图像采集控制器11；
图像采集控制器11用于接收粉床与逐层成型质量信息并识别打印异常或缺陷，并将打印异常或缺陷数据发送至计算机12中；
计算机12用于显示和保持图像采集控制器11发送的数据。
参见图2，图像采集控制器11包括图像采集模块111，图像采集模块111连接图像识别模块112，图像识别模块112连接图像传输模块113；
图像采集模块111用于控制相机3和红外热像仪4采集铺粉、打印以及逐层打印完时的图像数据，保存于内存中，并将图像数据发送至图像识别模块112；当粉床铺粉机构铺粉完成时，控制器响应发出采集指令，相机3和红外热像仪4同时捕捉打印平台图像，当单层打印结束时，控制器响应发出采集指令，相机3和红外热像仪4同时捕捉打印平台图像。并在此时间间隔内，即打印过程中，控制器控制两相机3和红外热像仪4按照一定帧频实时拍摄图像。
图像识别模块112用于对图像数据进行纠偏、降噪和增强处理，并进行打印异常或缺陷识别，并将结果图像发送至图像传输模块113；
图像传输模块113用于将结果图像发送至计算机12。
优选的，相机3的传感器类型为面阵CCD；芯片规格为35mm；分辨率为6576×4384pixels；像元大小≤5.5μm×5.5μm；帧频为6.2fps；相机3的镜头前设有激光滤镜。
红外热像仪4光谱响应为7.5-14μm；像素分辨率：640×480；最大测温≥2000℃；测温精度为±2℃或±2％读数；帧频≥50Hz；红外热像仪4的镜头前设有激光滤镜。
参见图3，一种激光选区熔化加工过程离轴监测装置的工作方法，包括以下步骤：
步骤一，激光器1对密封腔室10内的成型缸9逐层打印零部件，相机3和红外热像仪4持续拍摄成型缸9上表面；
步骤二，相机3和红外热像仪4分别在逐层的铺粉完成后、打印过程中和打印完成后形成图像数据传输至图像采集控制器11中；
步骤三，图像采集控制器11对相机3和红外热像仪4所拍摄的可见光图像和红外图像进行透视变换矫正纠偏，以消除透视畸变，并通过滤波降噪的方式对图像进行降噪处理；
步骤四，由于高分辨力相机3与红外热像仪4的分辨力相差100倍或者更高，因此将降噪后的可见光图像和红外图像进行图像配准；
步骤五，对图像配准后的可见光图像和红外图像进行图像融合，融合处理后可使缺陷或异常区域更加尖锐突出，多数缺陷可对比识别出；
步骤六，对融合处理后的图像进行缺陷判断，若发现缺陷，则进行缺陷定义；若无缺陷返回步骤四；若无法明确识别缺陷，则形成待判定的采集区域，进行步骤七；
步骤七，对待判定的采集区域进行分割提取；
步骤八，在可见光图像中，对分割后的区域进行缺陷识别，最后，进行缺陷判断，若发现缺陷，则进行缺陷定义；若无缺陷返回步骤四。
步骤九，将识别后的图像发送至计算机12中。

Claims (9)

1.一种激光选区熔化加工过程离轴监测装置，其特征在于，包括激光器(1)、图像采集控制器(11)和密封腔室(10)，图像采集控制器(11)连接相机(3)和红外热像仪(4)，激光器(1)连接扫描振镜(2)，密封腔室(10)内设置有成型缸(9)，扫描振镜(2)、相机(3)和红外热像仪(4)均照射成型缸(9)的上表面，图像采集控制器(11)连接计算机(12)；
激光器(1)和扫描振镜(2)用于在成型缸(9)上表面逐层打印零部件；
相机(3)和红外热像仪(4)用于捕捉成型缸(9)上表面的粉床与逐层成型质量信息，并发送至图像采集控制器(11)；
图像采集控制器(11)用于接收粉床与逐层成型质量信息并识别打印异常或缺陷，并将打印异常或缺陷数据发送至计算机(12)中；
计算机(12)用于显示和保持图像采集控制器(11)发送的数据。
2.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化加工过程离轴监测装置，其特征在于，图像采集控制器(11)包括图像采集模块(111)，图像采集模块(111)连接图像识别模块(112)，图像识别模块(112)连接图像传输模块(113)；
图像采集模块(111)用于控制相机(3)和红外热像仪(4)采集铺粉、打印以及逐层打印完时的图像数据，并将图像数据发送至图像识别模块(112)；
图像识别模块(112)用于对图像数据进行纠偏、降噪和增强处理，并进行打印异常或缺陷识别，并将结果图像发送至图像传输模块(113)；
图像传输模块(113)用于将结果图像发送至计算机(12)。
3.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化加工过程离轴监测装置，其特征在于，密封腔室(10)的顶面上开设有可见光视窗(5)、红外光视窗(6)和振镜窗口(7)，相机(3)通过可见光视窗(5)拍摄成型缸(9)，红外热像仪(4)通过红外光视窗(6)拍摄成型缸(9)，扫描振镜(2)通过振镜窗口(7)照射成型缸(9)。
4.根据权利要求3所述的一种激光选区熔化加工过程离轴监测装置，其特征在于，红外光视窗(6)的材质与红外热像仪(4)所响应波长相对应。
5.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化加工过程离轴监测装置，其特征在于，密封腔室(10)内壁的顶部设置有若干光源(8)。
6.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化加工过程离轴监测装置，其特征在于，相机(3)的传感器类型为面阵CCD；芯片规格为35mm；分辨率为6576×4384pixels；像元大小≤5.5μm×5.5μm；帧频为6.2fps；相机(3)的镜头前设有激光滤镜。
7.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化加工过程离轴监测装置，其特征在于，红外热像仪(4)光谱响应为7.5-14μm；像素分辨率：640×480；最大测温≥2000℃；测温精度为±2℃或±2％读数；帧频≥50Hz；红外热像仪(4)的镜头前设有激光滤镜。
8.权利要求1所述的一种激光选区熔化加工过程离轴监测装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，激光器(1)对密封腔室(10)内的成型缸(9)逐层打印零部件，相机(3)和红外热像仪(4)持续拍摄成型缸(9)上表面；
步骤二，相机(3)和红外热像仪(4)分别在逐层的铺粉完成后、打印过程中和打印完成后形成图像数据传输至图像采集控制器(11)中；
步骤三，图像采集控制器(11)对相机(3)和红外热像仪(4)所拍摄的可见光图像和红外图像进行透视变换矫正纠偏，以消除透视畸变，并通过滤波降噪的方式对图像进行降噪处理；
步骤四，对降噪处理后的图像进行融合处理，从而识别缺陷或异常；
步骤五，将逐层处理识别后的图像发送至计算机(12)中。
9.权利要求8所述的一种激光选区熔化加工过程离轴监测装置的工作方法，其特征在于，步骤四中，识别缺陷或异常的具体方法如下：
第一步，对降噪后的可见光图像和红外图像进行图像配准；
第二步，将图像配准后的可见光图像和红外图像进行图像融合；
第三步，对融合处理后的图像进行缺陷判断，若发现缺陷，则进行缺陷定义；若无缺陷返回第一步；若无法识别缺陷，则形成待判定的采集区域，进行第四步；
第四步，对待判定的采集区域进行分割提取；
第五步，在可见光图像中，对分割后的区域进行缺陷识别，最后，进行缺陷判断，若发现缺陷，则进行缺陷定义；若无缺陷返回第一步。
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