CN109277568B - 一种选区激光熔化的实时监测方法、装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种选区激光熔化的实时监测方法、装置和系统，所述方法包括A1、标定图像提取角点；A2、在激光扫描成型完一层之后，采集成型平台区域的层成型图像信息；A3、将所述层成型图像信息与设计层图像信息进行对比，计算误差值；A4、对所述误差值进行判断，若误差值小于设定值，则继续下一层成型，若误差值大于等于设定值，则停止工作。所述装置与系统包括图像采集装置、控制器，实现层成型图像采集及处理，根据处理结果决定下一步工作方式。本发明通过对每一层的成型进行实时监测，避免成型缺陷，提高成品率。

Description

一种选区激光熔化的实时监测方法、装置和系统

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种选区激光熔化的实时监测方法、装置和系统。

背景技术

选区激光熔化工艺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，利用高能量的激光束照射预先铺覆好的金属粉末材料，将其直接熔化并固化，成型获得金属制件。是把实体的3D模型文件通过计算机转换成STL文件进行分层切片，并形成扫描路径，计算机根据扫描路径向机器发出指令，把材料逐层堆积融合，最终形成一个三维实体零件或原型。选区激光熔化工艺的金属增材制造设备在扫描成型过程中，影响其质量的因素有很多，譬如，粉末床刮刀铺粉均匀度、成型室内含氧量、激光功率的稳定度等，均会影响零件成型的质量，情况严重时，甚至会造成整个零件的打印成型的失败。

目前针对选区激光熔化工艺的质量检测有传统的的方式，即在整个零件成型后用仪器测量零件的尺寸参数、表面粗糙度，但如果制造有缺陷则会导致耗材量增加，进而成倍增加成本；有针对铺粉过程监测、铺粉后粉末床检测，但是铺粉均匀度的参数无法确定。采用选区激光熔化工艺成型的零件尺寸小，对成型缺陷更为敏感。目前有采用红外热成像在制造工件上绘制红外线测量图来研究熔池不规则性与形成的缺陷的相关性，但是红外热成像设备较为昂贵，且熔池的不规则性无法精确成型精度，因此，实时检测成型质量，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明就是为了解决选区激光熔化过程中对成型质量的检测问题，提出了一种实时检测成型图像的方法和装置，通过实时检测成型图像，并与设计图像进行对比，控制成型产品的质量，提高成品率，降低损耗。

为实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：

一种选区激光熔化的实时监测方法，包括以下步骤：

A1、标定图像提取角点，以获取不同视角标定板上的标定参数，用于将成型图像信息转换为成型尺寸的实际数据；

A2、在激光扫描成型完一层之后，采集成型平台区域的层成型图像信息；

A3、将所述层成型图像信息与设计层图像信息进行对比，计算误差值；

A4、对所述误差值进行判断，若误差值小于设定值，则继续下一层成型，若误差值大于等于设定值，则停止工作。

优选地，步骤A3中，包括以下步骤：

B1、对所述层成型图像信息进行处理，提取打印零件的边缘轮廓特征；

B2、根据所述边缘轮廓特征，进行函数匹配，求得零件的尺寸数据，利用标定参数得到实际的几何数据。

优选地，步骤B1中, 提取所述层成型图像信息的边缘轮廓特征，包括如下步骤：

C1、求层成型图像信息中的最大灰度值fmax(xmax,ymax)和最小灰度值fmin(xmin,ymin)，设初始阈值T=1/2(fmin+fmax)；

C2、用初始阈值T分割层成型图像，得到两种区域：灰度值大于初始阈值T的区域A1，灰度值小于或等初始阈值于T的区域A2；

C3、根据区域A1和A2中的所有像素计算平均灰度值f1和f2；

C4、计算修正阈值T’=1/2(f1+f2)；

C5、如果T= T’，则中止运算；否则令T=T’，返回步骤C2。

优选地，将层成型图像信息分割成N块，对每一块分别检测边缘轮廓，其中N为大于等于2的正整数。

优选地，采用最小二乘拟合法进行函数匹配，拟合对应的几何函数，并求得层零件的尺寸数据。

优选地，所述设定值是一个误差数值范围。

优选地，将所述层成型图像信息转化为当前层成型区域实际的几何参数，所述层设计图像信息是成型零件相应的切片层的设计数据信息，将所述当前成型区域实际的几何参数与所述切片层的设计数据信息进行对比。

为实现本发明目的，本发明还采取以下技术方案：

一种选区激光熔化的实时监测装置，包括图像采集装置、控制器，所述图像采集装置用于采集激光扫描成型区域的层成型图像信息，所述控制器用于将所述层成型图像信息与设计层图像信息进行对比，并根据对比结果进行操作；所述实时监测装置用于实现本申请所述实时监测方法。

为实现本发明目的，本发明还采取以下技术方案：

一种具有实时监测装置的选区激光熔化系统，包括打印基板、刮刀、图像采集装置、送分缸、传动机构、控制器；所述图像采集装置安装在所述打印基板的上方；所述控制器控制所述图像采集装置对打印基板的各个角点进行标定，确定标定参数；在设备激光扫描零件成型完一层之后且未开始铺设下一层成型粉末之前，所述图像采集装置采集层成型图像信息，所述控制器将所述层成型图像信息通过自适应阈值边缘检测提取层成型区域的轮廓特征，计算转换成层实际图像信息，与层设计图像信息进行对比，根据误差大小采取相应的措施。

为实现本发明目的，本发明还采取以下技术方案：

一种具有实时监测装置的选区激光熔化系统的控制方法，包括如下步骤：

D1、开始；

D2、图像采集装置对采集图像区域进行标定，得到标定参数；

D3、刮刀铺粉；

D4、激光扫描成型当前层；

D5、采集当前层图像信息，传输给控制器；

D6、控制器对当前层图像信息进行处理，得到与当前层设计图像信息的误差值；

D7、判断误差值是否在误差范围内，如否，转D9；如是，进入下一步；

D8、判断所有层是否打印完成，如否，转D3；如是，转D11

D9、选区激光熔化装置发出警告，系统暂停工作；

D10、人工操作纠错，完成后转D3；

D11、结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过实时采集成型图像信息，并与设计图像信息对应层的图像信息进行对比，及时把握成型质量，提高成品率。

进一步地，采用最小二乘拟合法求解图像像素数据的匹配函数，求得零件的尺寸数据，并与标定参数进行转换得到当前层的实际几何数据，从而实现与设计对应层的图像信息进行对比。

进一步地，采用自适应阈值Canny边缘检测方法，实现了成型图像的边缘检测。

进一步地，本发明在每一层都进行图像检测，实时对熔化成型质量进行监测，避免成型缺陷，提高成品率。

附图说明

图1是本发明的一种具有实时监测装置的选区激光熔化系统结构示意图；

图2是本发明的一种具有实时监测装置的选区激光熔化系统工作流程示意图。

具体实施方式

本发明的一种选区激光熔化的实时监测方法，包括如下步骤：

A1、标定图像提取角点，以获取不同视角标定板上的标定参数，用于将成型图像信息转换为成型尺寸的实际数据；

A2、在激光扫描成型完一层之后，采集成型平台区域的成型图像信息；

A3、将所述成型图像信息与设计图像信息进行对比，计算误差值；

A4、对所述误差值进行判断，若误差值小于设定值，则继续下一层成型，若误差值大于等于设定值，则停止工作。

将标定板放置打印基板不同位置，图像采集装置获取不同视角标定板上各个角点，标定图像提取角点，并将标定参数保存在控制器中，在图像采集装置位置保持不变的情况下，标定参数保持不变。

本发明的一个具体实施例中，使用棋盘格标定板，选用性能稳定、鲁棒性强的Harirs角点提取法来初步提取角点。将标定板放置打印基板不同位置，以便图像采集装置获取不同视角标定板上各个角点。

打印基板上铺设一层成形粉末，在设备激光扫描熔化成型完一层以后、未铺设下一层成型粉末时，图像采集装置对层图像信息进行采集，控制器对层图像信息进行边缘检测，并计算层实际图像信息，将层实际图像信息与层设计图像信息进行对比，决定设备下一步的工作方式。

控制器对层图像信息进行边缘检测，计算层实际图像信息包括如下步骤：

B1、对所述层成型图像信息进行处理，提取打印零件的边缘轮廓特征；

B2、根据所述边缘轮廓特征，进行函数匹配，求得零件的尺寸数据，利用标定参数得到实际的几何数据。

本发明的一个具体实施例中，采用算法，对所述层成型图像信息进行边缘检测，提取零件的边缘轮廓特征，检测算法包括Robert、Kirsch、Sobel、LoG、Canny等。考虑到传统Canny算子进行边缘检测时，需要人为确定高、低阈值的参数，而且不同的阈值对边缘检测的结果影响很大，但其具有较好的信噪比和检测精度，基于此，本发明的一个具体实施例中，提出一种改进的自适应阈值Canny边缘检测方法。

自适应阈值Canny边缘检测方法，包括如下步骤：

C1、设置初始阈值T：求层成型图像信息中的最大灰度值fmax(xmax,ymax)和最小灰度值fmin(xmin,ymin)，设初始阈值T=1/2(fmin+fmax)；

C2、用初始阈值T对层成型图像进行分割，得到两个区域：灰度值大于初始阈值T的区域A1，灰度值小于或等初始阈值于T的区域A2；

C3、根据区域A1和A2中的所有像素值计算平均灰度值f1和f2；

C4、修正阈值T’=1/2(f1+f2)；

C5、如果T= T’，则中止运算；否则令T=T’，返回步骤C2。

根据阈值得到图像边缘。在大多数情况下,由于图像信息的复杂性,目标物体和背景的对比度也有变化。这时,一个在图像中某一区域效果良好的阈值在其他域却可能效果很差；因此为了提高边缘检测的准确性，将层成型图像分割成多个，比如4个，或8个，对分割后的每一部分采用自适应阈值Canny边缘检测方法进行边缘检测，得到层成型图像的边缘信息。

对层成型图像的边缘信息进行拟合，得到对应的几何函数，计算零件的层实际数据信息。

本发明的一个具体实施例中，采用最小二乘拟合法寻找层成型图像的边缘信息的最佳匹配函数，求解零件的尺寸数据，利用标定参数转换为层实际数据信息。

将层实际数据信息与层设计数据信息进行对比，计算误差值，再将误差值与误差范围进行比较，如果误差值处于误差范围内，选区激光熔化系统继续执行铺设下一层成型粉末、熔化成型扫描工作；如果误差值超出误差范围，选区激光熔化系统停止工作，等待人工纠错后，开始继续工作。零件当前层设计图像信息是成型零件三维模型中相应的切片层的理论几何数据。

本发明的一个具体实施例中，误差参数范围取值为0.03mm-0.1mm。

本发明的一种选区激光熔化的实时监测装置，包括图像采集装置、控制器，所述图像采集装置用于采集激光扫描成型区域的层成型图像信息，所述控制器对图像成型区域进行标定，确定标定参数；对采集到的层成型图像信息进行分块，对每一块区域采用边缘检测方法获得层成型图像信息的边缘特征，对层成型图像的边缘特征进行拟合，得到对应的几何函数，求解零件的尺寸数据，利用标定参数转换为零件的层实际数据信息。将层实际数据信息与层设计数据信息进行对比，计算误差值，再将误差值与误差范围进行比较，根据比较结果，控制设备下一步的工作方式。

本发明的一种具有实时监测装置的选区激光熔化系统，如图1所示，包括打印基板3、刮刀4、图像采集装置5、送分缸7、传动机构8、控制器6；控制器6控制图像采集装置5对打印基板3上成型区域的各个角点进行标定，确定标定参数，图像采集装置5安装在打印基板3的上方，采集打印基板3上区域2所示区域内的图像信息。

开始工作前，把欲打印成型的零件资料输入控制器6中，此资料包括零件的层设计信息，控制器控制图像采集装置5对打印基板3上成型区域的各个角点进行标定，确定标定参数；控制刮刀4进行铺粉，当铺粉完成后，激光扫描成型当前层；此时，开启实时监测，图像采集装置5采集层成型图像信息，并把层成型图像信息传输给控制器6，控制器6对层成型图像信息进行处理，得到与层实际图像信息的误差值，并与误差范围进行比较，如误差值在误差允许范围内，则控制刮刀4进行下一层铺粉；如果误差值超出误差允许范围，则控制选区激光熔化系统发出告警，暂停当前工作，由操作人员现场进行纠错处理，完成后再进入下一层铺粉。

当所有层扫描成型完成后，打印零件完成，控制设备停止工作。

本发明的一个具体实施例中，图像采集装置为工业相机，控制器为工控机。

一种具有实时监测装置的选区激光熔化系统的工作过程，如图2所示，包括如下步骤：

S1、开始；

S2、导入零件的设计文件；

S3、对成型区域进行标定，确定标定参数；

S4、控制刮刀铺粉；

S5、激光扫描当前层成型；

S6、采集层成型图像信息，并传输控制器；

S7、控制器对层成型图像信息进行处理，得到层实际图像信息与层设计图像信息的误差值；

S8、判断误差值是否在误差范围内，如果是，则转S4，进入下一层铺粉；如果不是，进入下一步；

S9、判断所有层是否打印完成，如否，转D3；如是，转D11

S10、选区激光熔化系统发出告警，暂停当前工作；

S11、操作人员现场纠错，完成后，转S4；

S12、结束。

以上内容是结合具体的/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施例做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种选区激光熔化的实时监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

A1、标定图像提取角点，以获取不同视角标定板上的标定参数，用于将成型图像信息转换为成型尺寸的实际数据；

A2、在激光扫描成型完一层之后，采集成型平台区域的层成型图像信息；

A3、将所述层成型图像信息进行处理，采用改进的自适应阈值边缘检测方法，根据像素灰度值提取层成型图像的边缘轮廓特征，拟合层成型图像的边缘信息，求得成型图像的尺寸数据，利用标定参数计算层实际图像信息，将层实际图像信息与层设计图像信息进行对比，计算误差值；

A4、对所述误差值进行判断，若误差值小于设定值，则继续下一层成型，若误差值大于等于设定值，则停止工作；

改进的自适应阈值边缘检测方法，包括如下步骤：

C1、求层成型图像信息中的最大灰度值fmax(xmax,ymax)和最小灰度值fmin(xmin,ymin)，设初始阈值T=1/2(fmin+fmax)；

C2、用初始阈值T分割层成型图像，得到两种区域：灰度值大于初始阈值T的区域A1，灰度值小于等于初始阈值于T的区域A2；

C3、根据区域A1和A2中的所有像素计算平均灰度值f1和f2；

C4、计算修正阈值T’=1/2(f1+f2)；

C5、如果T=T’，则中止运算；否则，返回步骤C2，令T=T’。

2.根据权利要求1所述实时监测方法，其特征在于：将层成型图像信息分割成N块，对每一块分别检测边缘轮廓，其中N为大于等于2的正整数。

3.根据权利要求1所述实时监测方法，其特征在于：采用最小二乘拟合法进行函数匹配，拟合对应的几何函数，并求得层零件的尺寸数据。

4.根据权利要求1所述实时监测方法，其特征在于：所述设定值是一个误差数值范围。

5.根据权利要求1所述实时监测方法，其特征在于：将所述层成型图像信息转化为当前层成型区域实际的几何参数，所述层设计图像信息是成型零件相应的切片层的设计数据信息，将所述当前层成型区域实际的几何参数与所述切片层的设计数据信息进行对比。

6.一种选区激光熔化的实时监测装置，其特征在于：包括图像采集装置、控制器，所述图像采集装置用于采集激光扫描成型区域的层成型图像信息，所述控制器用于将所述层成型图像信息与设计层图像信息进行对比，并根据对比结果进行操作；所述实时监测装置用于实现权利要求1-5任意一项所述实时监测方法。

7.一种具有实时监测装置的选区激光熔化系统，其特征在于：包括打印基板、刮刀、图像采集装置、送分缸、传动机构、控制器；所述图像采集装置安装在所述打印基板的上方；所述控制器控制所述图像采集装置对打印基板的各个角点进行标定，确定标定参数；在设备激光扫描零件成型完一层之后且未开始铺设下一层成型粉末之前，所述图像采集装置采集层成型图像信息，所述控制器将所述层成型图像信息通过改进的自适应阈值边缘检测，根据像素灰度值提取层成型区域的轮廓特征，拟合层成型图像的边缘信息，计算转换成层实际图像信息，与层设计图像信息进行对比，根据误差大小采取相应的措施；

改进的自适应阈值边缘检测方法，包括如下步骤：

C1、求层成型图像信息中的最大灰度值fmax(xmax,ymax)和最小灰度值fmin(xmin,ymin)，设初始阈值T=1/2(fmin+fmax)；

C2、用初始阈值T分割层成型图像，得到两种区域：灰度值大于初始阈值T的区域A1，灰度值小于等于初始阈值于T的区域A2；

C3、根据区域A1和A2中的所有像素计算平均灰度值f1和f2；

C4、计算修正阈值T’=1/2(f1+f2)；

C5、如果T=T’，则中止运算；否则，返回步骤C2，令T=T’。

8.根据权利要求7所述系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

D1、开始；

D2、图像采集装置对采集图像区域进行标定，得到标定参数；

D3、刮刀铺粉；

D4、激光扫描成型当前层；

D5、采集当前层图像信息，传输给控制器；

D6、控制器对当前层图像信息进行处理，采用改进的自适应阈值边缘检测方法，根据像素灰度值提取打印零件的层成型图像边缘轮廓特征拟合层成型图像的边缘信息，利用标定参数计算层实际图像信息，得到当前层实际图像信息与设计图像信息的误差值；

D7、判断误差值是否在误差范围内，如否，转D9；如是，进入下一步；

D8、判断所有层是否打印完成，如否，转D3；如是，转D11；

D9、选区激光熔化装置发出警告，系统暂停工作；

D10、人工操作纠错，完成后转D3；

D11、结束。

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