CN109848413B - 基于多传感器耦合的增材制造过程监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于增材制造技术领域，具体为基于多传感器耦合的增材制造过程监测系统。本发明系统包括增材制造加工模块、公共光学模块、可见光光学模块、红外光学模块和图像融合与分析模块；公共光学模块包括离轴反射镜和分光片；可见光光学模块包括折叠反射镜、可见光滤光片、可见光镜头和工业CCD；红外光学模块包括红外滤光片、红外镜头和红外相机。该系统利用红外和可见光融合成像的多传感器监测手段，能够精确监测工件台表面的刮粉裂痕及加工过程产生的微观缺陷，为增材制造零件成型质量的评估及工艺参数的调控提供有利条件。
Description
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及基于多传感器耦合的增材制造过程监测系统。
背景技术
激光增材制造技术作为一项前沿的现代制造技术，能够轻松实现复杂金属零件的快速制造。在增材制造的过程中，零件加工成型的质量受到设备系统稳定性(气体环境、送粉等)、工艺参数(激光功率、扫描速度、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，进而使加工的零部件质量无法达到实际使用要求。因此，要想获得高质量的增材制造零部件，必须对制造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。然而增材制造过程复杂，零件加工的精度和可重复性受到诸多扰动因素的影响，如高温、强光、粉末飞溅等，为加工过程的监测带来了很大难题。
为了监测加工工件成型质量，为增材制造工艺参数的调控提供条件，国内外业界提出了各种监测的手段。单纯采用高速相机、高温计和光电二极管只能够同轴监测熔池状态，且相机镜头需离工作台很近，观察视场极小，不能有效监测整个工作台平面。单纯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。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供基于多传感器耦合的增材制造过程监测系统，既能够监测铺粉平整性，又能够大视场、高精度监测加工工件成型缺陷的融合成像过程。
本发明提供的基于多传感器耦合的增材制造过程监测系统，包括：增材制造加工模块10，公共光学模块20，可见光光学模块30，红外光学模块40和图像融合与分析模块50；其中，所述公共光学模块20包括离轴反射镜21和分光片22；所述可见光光学模块30包括折叠反射镜31、可见光滤光片32、可见光镜头33和工业CCD34；所述红外光学模块40包括红外滤光片41、红外镜头42和红外相机43。
进一步地，所述可见光镜头33连接工业CCD34，所述红外镜头42连接红外相机43，所述图像融合与分析模块50分别连接工业CCD34和红外相机43。
进一步地，所述离轴反射镜21是中心厚度为3-5mm的保护金反射镜，所述折叠反射镜31是中心厚度为3-5mm的保护银反射镜，所述分光片22反射可见光波段，折射红外波段光谱信息，所述可见光滤光片32选择性透过可见光波段光谱信息，所述红外滤光片41选择性透过红外光谱信息。
进一步地，所述增材制造加工模块10在加工过程中工件表面光谱信息经离轴反射镜21反射到达分光片22，所述分光片22表面反射可见光波段，所述可见光波段在折叠反射镜31表面被折叠并通过可见光滤光片32，再经可见光镜头33成像在工业CCD34，所述可见光滤光片32滤除可见光波段外的干扰光。
进一步地，所述分光片22折射红外波段，所述红外波段通过红外滤光片41，再经红外镜头42成像在红外相机43，所述红外滤光片41滤除红外波段外的干扰光。
进一步地，所述工业CCD34和红外相机43的视场匹配，便于图像进行配准融合。
进一步地，所述图像融合与分析模块50将加工工件的可见光与红外成像信息进行图像融合和分析，快速测量与识别成型缺陷。所述图像融合采用小波变换的方法，首先对图像做小波分解变换，小波基为haar，分解层数为3；然后根据计算局部方差准则确定融合图像的低频带系数，并进一步确定融合图像的高频带系数，最后根据计算得到的融合图像的小波系数，进行小波逆变换。所述分析方法为图像融合像质评价方法，运用信息熵表示图像所具有的信息量的多少，表征图像灰度分布的集中程度，所述信息熵表示为：
。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
（1）本发明通过设计出基于多传感器耦合的增材制造过程监测系统，对可见光图像和红外图像进行融合数据处理，既能够突出工件成型的温度分布信息，又能够保留高分辨、高丰富性的可见光信息，能够充分提高监测的精度与可靠性；
（2）本发明通过设计出基于多传感器耦合的增材制造过程监测系统，采用公共光学窗口的设计，能够在相机和加工工件相对位置发生改变时保证两个通道的成像精准配准融合，直观生动、快速准确的识别物体的整体形态和温度分布，可以显著提升监测效率；
（3）本发明通过设计出基于多传感器耦合的增材制造过程监测系统，通过折叠光路大大减小了系统的体积，系统的集成性好，监测过程更加便捷高效。
附图说明
图1为本发明的基于多传感器耦合的增材制造过程监测系统的示意图。
图2为本发明实施例中的公共光学模块的示意图。
图3为本发明实施例中的可见光光学模块的示意图。
图4为本发明实施例中的红外光学模块的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，基于多传感器耦合的增材制造过程监测系统，包括增材制造加工模块10、公共光学模块20、可见光光学模块30、红外光学模块40和图像融合与分析模块50。进一步地，如图2所示，所述公共光学模块20包括离轴反射镜21和分光片22；进一步地，如图3所示，所述可见光光学模块30包括折叠反射镜31、可见光滤光片32、可见光镜头33和工业CCD34；进一步地，如图4所示，所述红外光学模块40包括红外滤光片41、红外镜头42和红外相机43。进一步地，所述可见光镜头33连接工业CCD34，所述红外镜头42连接红外相机43，所述图像融合与分析模块50分别连接工业CCD34和红外相机43。进一步地，所述离轴反射镜21是中心厚度为4mm的保护金反射镜，所述折叠反射镜31是中心厚度为4mm的保护银反射镜，所述分光片22反射可见光波段，折射红外波段光谱信息，所述可见光滤光片32选择性透过可见光波段光谱信息，所述红外滤光片41选择性透过红外光谱信息。
进一步地，所述增材制造加工模块10在加工过程中工件表面光谱信息经离轴反射镜21反射到达分光片22，所述分光片22表面反射可见光波段，所述可见光波段在折叠反射镜31表面被折叠并通过可见光滤光片32，再经可见光镜头33成像在工业CCD34，所述可见光滤光片32滤除可见光波段外的干扰光。进一步地，所述分光片22折射红外波段，所述红外波段通过红外滤光片41，再经红外镜头42成像在红外相机43，所述红外滤光片41滤除红外波段外的干扰光。进一步地，所述工业CCD34和红外相机43的视场匹配，便于图像进行配准融合。进一步地，所述图像融合与分析模块50将加工工件的可见光与红外成像信息进行图像融合和分析，快速测量与识别成型缺陷。其中，所述图像融合采用小波变换的方法，首先对图像做小波分解变换，小波基为haar，分解层数为3；然后根据计算局部方差准则确定融合图像的低频带系数，并进一步确定融合图像的高频带系数，最后根据计算得到的融合图像的小波系数，进行小波逆变换。所述分析方法为图像融合像质评价方法，运用信息熵表示图像所具有的信息量的多少，表征图像灰度分布的集中程度，所述信息熵表示为：
。
上述实施例仅为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.基于多传感器耦合的增材制造过程监测系统，其特征在于，包括增材制造加工模块（10）、公共光学模块（20）、可见光光学模块（30）、红外光学模块（40）和图像融合与分析模块（50）；其中，所述公共光学模块（20）包括离轴反射镜（21）和分光片（22）；所述可见光光学模块（30）包括折叠反射镜（31）、可见光滤光片（32）、可见光镜头（33）和工业CCD（34）；所述红外光学模块（40）包括红外滤光片（41）、红外镜头（42）和红外相机（43）；所述可见光镜头（33）连接工业CCD（34），所述红外镜头（42）连接红外相机（43），所述图像融合与分析模块（50）分别连接工业CCD（34）和红外相机（43）；其中：
所述离轴反射镜（21）是中心厚度为3-5mm的保护金反射镜；所述折叠反射镜（31）是中心厚度为3-5mm的保护银反射镜；所述分光片（22）反射可见光波段，折射红外波段光谱信息，所述可见光滤光片（32）选择性透过可见光波段光谱信息，所述红外滤光片（41）选择性透过红外光谱信息；
所述增材制造加工模块（10）在加工过程中工件表面光谱信息经离轴反射镜（21）反射到达分光片（22），所述分光片（22）表面反射可见光波段，所述可见光波段在折叠反射镜（31）表面被折叠并通过可见光滤光片（32），再经可见光镜头（33）成像在工业CCD（34），所述可见光滤光片（32）滤除可见光波段外的干扰光；
所述分光片（22）折射红外波段，所述红外波段通过红外滤光片（41），再经红外镜头（42）成像在红外相机（43），所述红外滤光片（41）滤除红外波段外的干扰光；
所述工业CCD（34）和红外相机（43）的视场匹配，便于图像进行配准融合；
所述图像融合与分析模块（50）将加工工件的可见光与红外成像信息进行图像融合和分析，快速测量与识别成型缺陷。
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