CN110257823B - 用于激光熔覆的实时监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光熔覆的实时监测方法及装置，该方法包括如下步骤：采集熔覆层表面的线结构光图像；获取基底与熔覆层表面的3D轮廓数据；计算基底位置；计算熔覆层厚度、激光器相对于基底表面的工作距离和激光入射角度。本发明可实时测量激光器相对于基底表面的工作距离和激光入射角度、熔覆层厚度和缺陷，可以实时调整相关工艺参数，稳定控制熔覆层厚度，可改善激光熔覆的质量，同时提高工作效率。

Description

用于激光熔覆的实时监测方法及装置

技术领域

本发明涉及激光熔覆技术领域，特别是一种用于激光熔覆的实时监测方法及装置。

背景技术

激光熔覆的工艺质量与激光相对基底材料的距离(离焦量)和倾斜姿态有关，为了保证稳定的熔覆效果，要求激光光斑以一定角度(通常为垂直角度)正确聚焦在熔覆区域，在熔覆过程中，由于激光头要沿着工件表面相对移动，可能引起工作距离的变化，使激光的投射光斑不能正确聚焦在熔覆区域，或者引起激光光斑未能以正确角度投射到基地表面，即发生一定倾斜，最终会导致熔覆质量的波动。一般地解决方案是在激光器旁边安装测距传感器(比如激光位移传感器)，以保证激光器始终处于最佳工作距离，但测距传感器往往容易受到激光或熔覆飞溅物的干扰，而且只能测量某激光器上某个固定位置到工件表面某一个点的距离，不能同时反馈激光器相对于工件表面的倾斜角，因此，一般的测距传感器很难同时解决激光器工作距离和倾斜角的实时测量问题。

激光熔覆完成之后，一般还要对熔覆表面进行二次加工，使该表面达到一定的尺寸要求和粗糙度要求，稀有金属粉末材料比较昂贵，如果熔覆层厚度过厚，就会造成资源浪费，为了保证熔覆质量，控制成本，同时也为提高熔覆效率，实时精确测量和控制熔覆层的厚度是非常有必要的。传统的测量激光熔覆层厚度的方法有金相法，超声波法等，但金相法要破坏熔覆层的整体性能，且为抽样检测，不具备实时性；超声波法存在一定测量盲区，测量精度不高。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于激光熔覆的实时监测方法及装置，可实时监测激光熔覆的激光器离焦量、姿态以及熔覆层的厚度，提高了工作效率，也提高了熔覆工艺质量。

本发明采用的技术方案是：

一种用于激光熔覆的实时监测方法，包括如下步骤：

S1、采集熔覆层表面的线结构光图像；

S2、获取基底与熔覆层表面的3D轮廓数据；

S3、计算基底位置；

S4、计算熔覆层厚度、激光器相对于基底表面的工作距离和激光入射角度。

实时测量激光器相对于基底表面的工作距离和激光入射角度，可以帮助工作人员在运行前精确调整激光器的位置和姿态，同时使得激光熔覆系统可以在运行时动态调整激光器的工作距离和姿态，使激光熔覆工艺始终处于理想状态；同时可实时测量熔覆层厚度和缺陷，使激光熔覆系统可以实时调整相关工艺参数，稳定控制熔覆层厚度；可改善激光熔覆的质量，同时提高工作效率。

进一步地，步骤S3包括如下步骤：

S31、根据基底3D轮廓数据，设定基底计算区域；

S32、扫描设定的基底计算区域，判断该基底计算区域内是否有熔覆层，如果有熔覆层，则获取基底计算区域内的光条中心线延长到熔覆区内的部分的位置数据，获得基底位置；如果没有熔覆层，则获取基底计算区域内的光条中心线的位置数据，获得基底位置。

更准确的获取基底位置，提高准确度。

进一步地，步骤S32中，判断该基底计算区域内是否有熔覆层包括如下步骤：

S321、计算所述基底计算区域内的光条中心线；

S322、判断该光条中心线代表的z轴高度变化是否大于基底轮廓的局部不平整度，如果是，则该基底计算区域内有熔覆层；如果否，则该基底计算区域内没有熔覆层。

准确判断该基底计算区域内是否有熔覆层，以便更好的确定基底位置。

进一步地，步骤S4中，计算熔覆层厚度包括如下步骤：

S41、根据基底熔覆层表面3D轮廓数据，设定熔覆层计算区域；

S42、获取熔覆层计算区域内的光条中心线的位置数据；

S43、计算熔覆层计算区域内的光条中心线的位置数据与基底位置的高度差值，获得熔覆层厚度的3D数据。

准确计算出熔覆层厚度，有利于稳定控制熔覆层厚度，提高熔覆质量。

进一步地，步骤S4中，计算激光器相对于基底表面的工作距离和激光入射角度包括如下步骤：

S44、计算基底表面上基底位置光条两端附近的两个点的3D坐标；

S45、计算该两点的中点位置的z轴坐标或视野区域的中垂线与光条中心线交点代表的z轴坐标，获得激光器相对于基底表面的工作距离；

S46、计算该两点的连线与熔覆激光器激光光轴的夹角，获得激光入射到基底表面的倾斜角度。

有利于调整激光器的工作距离和姿态，使激光熔覆工艺始终处于理想状态，提高熔覆质量与效率。

进一步地，步骤S4还包括如下步骤：

S47、计算熔覆层的平均厚度直线；

S48、计算熔覆层上表面轮廓曲线上各点到所述平均厚度直线的距离，获得熔覆层厚度缺陷尺寸。

根据熔覆层厚度缺陷尺寸，进一步提高熔覆质量与效率。

进一步地，步骤S4还包括如下步骤：

S49、计算熔覆层的平均厚度直线；

S410、计算熔覆层上表面轮廓曲线与所述平均厚度直线的包络区域面积，获得熔覆层厚度缺陷尺寸。

根据面积来计算熔覆层厚度缺陷尺寸，使数据更加准确，提高熔覆质量与效率。

一种基于本发明方法和技术原理的用于激光熔覆的实时监测装置，包括凹形盒子，所述凹形盒子的一端面上设有第一光学窗口玻璃和第二光学窗口玻璃，所述凹形盒子的另一端面上设有底板和多个电控输出插座，所述底板上设有第一线激光器、第二线激光器、第一反射镜片、图像传感器和与该图像传感器呈一定夹角的镜头，所述第一反射镜片设于所述镜头前端并与所述镜头呈一定夹角，所述第一线激光器的出口端设有与所述第一线激光器的光轴呈45°的半反半透镜片，所述第二线激光器的出口端设有与所述第二线激光器的光轴呈45°的第二反射镜片，所述第一线激光器的出射光和所述第二线激光器的出射光的一字线之间呈90°，所述底板上还设有电控处理装置和图像处理运算装置。

通过该实时监测装置可实时测量激光器相对于基底表面的工作距离和激光入射角度，可以帮助工作人员在运行前精确调整激光器的位置和姿态，同时使得激光熔覆系统可以在运行时动态调整激光器的工作距离和姿态，使激光熔覆工艺始终处于理想状态；同时可实时测量熔覆层厚度和缺陷，使激光熔覆系统可以实时调整相关工艺参数，稳定控制熔覆层厚度；可改善激光熔覆的质量，同时提高工作效率。

进一步地，所述半反半透镜片表面镀有光学膜。

该光学膜可增加对第一线激光器波长的光的透过率，同时增加对第二线激光器波长的光的反射率。

进一步地，所述第一线激光器和第二线激光器分别为具有不同的主波长的一字线激光器，且第一线激光器的一字线方向垂直于所述底板。

进一步地，其特征在于，所述图像传感器与所述镜头之间设有窄带滤光片。

通过该窄带滤光片可选取特定的波长的光，进行滤波，可减少杂散光的干扰。

进一步地，所述第二光学窗口玻璃内侧设有陷波滤光片。

可深度截止熔覆激光波长，使基底表面反射的熔覆激光不能或只能以极低比例到达图像传感器。

本发明的有益效果是：

1、可实时测量激光器相对于基底表面的工作距离和激光入射角度，帮助工作人员在运行前精确调整激光器的位置和姿态，同时使得激光熔覆系统可以在运行时动态调整激光器的工作距离和姿态，使激光熔覆工艺始终处于理想状态；

2、可实时测量熔覆层厚度和缺陷，使激光熔覆系统可以实时调整相关工艺参数，稳定控制熔覆层厚度；

3、可改善激光熔覆的质量，同时提高工作效率。

附图说明

图1为本发明实施例一种用于激光熔覆的实时监测方法的流程图；

图2为本发明实施例一种用于激光熔覆的实时监测方法中计算基底位置的流程图；

图3为本发明实施例一种用于激光熔覆的实时监测方法中判断基底计算区域内是否有熔覆层的示意图；

图4为本发明实施例一种用于激光熔覆的实时监测方法中计算熔覆层厚度的流程图；

图5为本发明实施例一种用于激光熔覆的实时监测方法中计算激光器相对于基底表面的工作距离和激光入射角度的流程图；

图6为本发明实施例一种用于激光熔覆的实时监测方法中计算熔覆层厚度缺陷的流程图；

图7为本发明实施例一种用于激光熔覆的实时监测方法中根据面积计算熔覆层厚度缺陷的流程图；

图8为本发明实施例一种用于激光熔覆的实时监测装置的结构示意图；

图9为本发明实施例一种用于激光熔覆的实时监测装置中凹形盒子的结构示意图。

附图标记：1、第一线激光器；2、第二线激光器；3、激光器安装底座；4、半反半透镜片；5、半反半透镜片安装底座；6、第一反射镜片安装底座；7、第一反射镜片；8、图像传感器；9、窄带滤光片；10、镜头安装底座；11、镜头；12、第二反射镜片安装底座；13、第二反射镜片；14、电控处理装置；15、底板；16、凹形盒子；17、第一光学窗口玻璃；18、第二光学窗口玻璃；19、图像处理运算装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例

如图1-图7所示，一种用于激光熔覆的实时监测方法，包括如下步骤：

一种用于激光熔覆的实时监测方法，包括如下步骤：

S1、采集熔覆层表面的线结构光图像。一个可选方案是基于线结构光的三角测量原理，将激光轮廓仪的测量激光投射到基底与熔覆层表面。将激光轮廓仪相对熔覆激光器固定安装，在启动熔覆前，使激光轮廓仪发出的测量激光对准熔覆激光光斑附近的熔覆区。如果熔覆激光光斑为接近长方形的形状，一个比较优选的安装位置，是使激光轮廓仪的激光线与熔覆激光光斑的长轴方向平行，距离熔覆区中心距离10-25mm，且尽量使激光轮廓仪激光线的中点与熔覆激光光斑的中心点对齐，使得的获得结果能真实实时地反映熔覆激光器的位置姿态和熔覆层的实时厚度值。所选激光轮廓仪其优选参数为：z轴量程5-30mm，z轴高度测量分辨率为1-25um，水平轴量程30-60mm，工作波长为650nm或655nm或660nm。由于熔覆激光器的指示激光通常是红光，其波长通常位于630～660nm区间，优选激光轮廓仪的工作波长为650nm或655nm或660nm。选红光波段的一个好处是，可以在安装时，在激光轮廓仪采集到的图像上同时观察到激光轮廓仪的线激光图像和熔覆激光器指示激光图像，从而便于判断并引导安装，使激光轮廓仪的线激光与熔覆激光器的指示激光对齐。作为将激光轮廓仪的视野与熔覆区中点对齐的一个辅助措施，在控制界面上，位于视野的中垂线与线激光中心线的交点处，可以绘制一个十字绿线。

S2、获取基底与熔覆层表面的3D轮廓数据。

S3、计算基底位置。设定基底计算区域ROI1；扫描设定的基底计算区域，判断该基底计算区域内是否有熔覆层，如果有熔覆层，则获取基底计算区域内的光条中心线的拟合直线延长到熔覆区内的部分的位置数据，计算基底位置；如果没有熔覆层，则获取基底计算区域内的光条中心线的位置数据，计算基底位置。

S4、计算熔覆层厚度、激光器相对于基底表面的工作距离和激光入射角度；

计算熔覆层厚度：设定熔覆层计算区域；获取熔覆层计算区域内的光条中心线的位置数据；计算熔覆层计算区域内的光条中心线的位置数据与基底位置的差值，获得熔覆层厚度的3D数据；计算激光器工作距离和倾斜角度：计算基底表面上基底位置光条两端附近的两个点A、B的3D坐标，计算A、B的中点C点的z轴坐标，也可以将轮廓仪视野区域中垂线与中心线AB的交点作为C点。C点的z轴坐标代表C点到激光轮廓仪底部的距离，通过测量熔覆激光器到激光轮廓仪之间的距离H，结合C点的Z轴坐标Zc，根据公式D＝H+Zc*cos(a)可计算出熔覆激光器相对于基底表面的工作距离D，其中a为激光轮廓仪的z轴相对于熔覆激光光轴的安装夹角。也可在激光器的工作距离处于理想位置时，记录C点的z轴坐标，记为Z0，设备运行时，C点坐标相对于Z0的变化量Zc-Z0，即为熔覆激光器的离焦量，即激光器相对于基底表面的工作距离。计算该A、B两点的连线与激光器激光光轴z轴的夹角，获得激光入射到基底表面的倾斜角度。根据熔覆层厚度、激光器相对于基底表面的工作距离和激光入射角度，实时调整相关参数。

可实时测量激光器相对于基底表面的工作距离和激光入射角度，帮助工作人员在运行前精确调整激光器的位置和姿态，同时使得激光熔覆系统可以在运行时动态调整激光器的工作距离和姿态，使激光熔覆工艺始终处于理想状态；同时可实时测量熔覆层厚度和缺陷，使激光熔覆系统可以实时调整相关工艺参数，稳定控制熔覆层厚度；可改善激光熔覆的质量，同时提高工作效率。

在其中一个实施例中，如图2所示，步骤S3包括如下步骤：

S31、根据基底3D轮廓数据，设定基底计算区域；

S32、扫描设定的熔覆计算区域，判断该熔覆计算区域内是否有熔覆层，如果有熔覆层，则获取基底计算区域内的光条中心线延长到熔覆区内的部分的位置数据，获得基底位置；如果没有熔覆层，则获取基底计算区域内的光条中心线的位置数据，获得基底位置。

在其中一个实施例中，如图3所示，步骤S32中，判断该基底计算区域内是否有熔覆层包括如下步骤：

S321、计算所述基底计算区域内的光条中心线；

S322、判断该光条中心线代表的z轴高度变化是否大于基底轮廓的局部不平整度，如果是，则该基底计算区域内有熔覆层；如果否，则该基底计算区域内没有熔覆层。

在其中一个实施例中，如图4所示，步骤S4中，计算熔覆层厚度包括如下步骤：

S41、根据基底熔覆层表面3D轮廓数据，设定熔覆层计算区域ROI2；

S42、获取熔覆层计算区域内的光条中心线的位置数据；

S43、计算熔覆层计算区域内的光条中心线的位置数据与基底位置的高度差值，获得熔覆层厚度的3D数据。

在熔覆层区域ROI2内计算熔覆层轮廓线到基底位置线之间的z轴坐标差，即为熔覆层厚度，也可以计算其平均值，均方根值，极值等作为熔覆层厚度值。

在其中一个实施例中，如图5所示，步骤S4中，计算激光器相对于基底表面的工作距离和激光入射角度包括如下步骤：

S44、计算基底表面上基底位置光条两端附近的两个点的3D坐标；

S45、计算该两点的中点位置的z轴坐标或视野区域的中垂线与光条中心线交点代表的z轴坐标，获得激光器相对于基底表面的工作距离；

S46、计算该两点的连线与激光器激光光轴的夹角，获得激光入射到基底表面的倾斜角度。

在其中一个实施例中，如图6所示，步骤S4还包括如下步骤：

S47、计算熔覆层的平均厚度直线；

S48、计算熔覆层上表面轮廓曲线上各点到所述平均厚度直线的距离，获得熔覆层厚度缺陷尺寸。

计算熔覆层厚度缺陷，这类缺陷往往是由于工艺不稳定等因素造成的，表现为熔覆层轮廓线的凹凸程度，采用凹凸高度差法来计算缺陷大小，计算熔覆层上表面轮廓曲线上各点到所述平均厚度直线的距离，其极值作为熔覆层厚度缺陷高度尺寸的值输出。可根据工艺要求设置熔覆层厚度缺陷的允许值范围，如果缺陷尺寸大于所述允许值范围，则输出熔覆缺陷报警信号。

在其中一个实施例中，如图7所示，步骤S4还包括如下步骤：

S49、计算熔覆层的平均厚度直线；

S410、计算熔覆层上表面轮廓曲线与所述平均厚度直线的包络区域面积，获得熔覆层厚度缺陷尺寸。

采用面积法来计算缺陷大小，计算表面轮廓曲线与所述平均厚度直线的包络区域面积，作为熔覆层厚度缺陷缺陷的尺寸值输出。可根据工艺要求设置熔覆层厚度缺陷的允许值范围，如果缺陷尺寸大于所述允许值范围，则输出熔覆缺陷报警信号。

如图8-图9所示，一种用于激光熔覆的实时监测装置，包括凹形盒子16，所述凹形盒子16的一端面上设有第一光学窗口玻璃17和第二光学窗口玻璃18，所述凹形盒子16的另一端面上设有底板15和多个电控输出插座，所述底板15上设有用于测量的第一线激光器1、用于指示的第二线激光器2、激光器安装底座3、第一反射镜片7、第一反射镜片安装底座6、图像传感器8、与该图像传感器8呈一定夹角的镜头11、镜头安装底座10，用于测量的第一线激光器1、用于指示的第二线激光器2均为可见光半导体激光器，发出一字线结构光，且所述一字线长度方向垂直于底板15，所述第一线激光器1其优选参数包括：激光波长650nm，或655nm或660nm，聚焦距离100-150mm，激光线宽0.1mm-0.2mm，激光线长40-60m，激光线长度方向垂直于底板15，所述第二线激光器2其优选参数包括：聚焦距离与第一线激光器1一致，激光线宽0.1-0.3mm，激光线长20-30m，波长532nm，第二线激光器2的激光线与图像传感器8采集到的图片视野的中垂线重合；所述第一反射镜片7设于所述镜头11前端并与所述镜头11呈一定夹角，该第一反射镜片7用于折叠成像光路，第一线激光器1的激光垂直于检测对象表面，第一反射镜7与第一线激光器1的光轴呈一定夹角，使得反射光线往第一线激光器的一侧内折，镜头的主平面延长线与图像传感器表面的延长线，以及激光光路相对于第一反射镜7的镜像虚光路L2的延长线相交于一点，使得所述激光投射图案经该折射光路和镜头11后可以清晰成像于所述图像传感器8上；所述第一线激光器1的出口端设有与第一线激光器1的光轴呈45°的半反半透镜片4和半反半透镜片安装底座5，所述第二线激光器2的出口端设有与第二线激光器2的光轴呈45°的第二反射镜片13和第二反射镜片安装底座12，合理选择第一光学窗口玻璃17的大小，使得第一线激光器1和第二线激光器2的激光得以垂直交叉地从第一光学窗口玻璃17出射，投射到熔覆基底表面；所述第一线激光器1的出射光和所述第二线激光器2的出射光的一字线之间呈90°交垂直叉状，并通过第一光学窗口玻璃17出射到所述凹形盒子16外部--该结构安排用于产生测量激光和十字指示激光投射图案；所述底板15上还设有电控处理装置14和图像处理运算装置19，该电控处理装置14，用于驱动产生激光和输入输出电气信号，同时用于控制图像传感器8采集图像，该图像处理运算装置19，用于实施本发明方法所述的算法步骤，进行图像处理运算。所述凹形盒子16紧扣于底板15上，使底板15上安装的各元件被密封在凹形盒子16内部。通过半反半透镜和反射镜，使得第一线激光器1和第二线激光器2的激光在镜片的下表面垂直交叉，且两光轴中心重合。

在其中一个实施例中，所述半反半透镜片4表面镀有光学膜。通过对半反半透镜片4靠近第一线激光器1的一侧面进行镀膜，可增透第一激光器1的波长的光，另一侧镀膜，可增第一透激光器1的波长的光，同时增加第二激光器2的波长的光的反射率。

在其中一个实施例中，所述第一线激光器和第二线激光器分别为具有不同的主波长的一字线激光器，且第一线激光器的一字线方向垂直于所述底板。

在其中一个实施例中，所述图像传感器8与所述镜头11之间设有窄带滤光片9。可减少杂散光的干扰。

在其中一个实施例中，所述第二光学窗口玻璃18内侧设有陷波滤光片。由于熔覆激光的能量通常高达上千瓦，在熔覆过程中，基底表面会反射大量熔覆激光，其中有一部分会通过第一光学窗口玻璃17和第二光学窗口玻璃18不可避免地会进入测量装置内部，为保护图像传感器8元件不受熔覆激光损坏，在第二光学窗口玻璃18内测，安装截止波段覆盖熔覆激光波长的陷波滤光片。以熔覆激光为808nm的激光器为例，可以选择中心波长为808nm的陷波滤光片，安装在第二光学窗口玻璃18的后侧，以阻止熔覆激光被反射进入仪器内部。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种用于激光熔覆的实时监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、采集熔覆层表面的线结构光图像；

S2、获取基底与熔覆层表面的3D轮廓数据；

S3、计算基底位置；

S31、根据基底3D轮廓数据，设定基底计算区域；

S32、扫描设定的基底计算区域，判断该基底计算区域内是否有熔覆层，如果有熔覆层，则获取基底计算区域内的光条中心线延长到熔覆区内的部分的位置数据，获得基底位置；如果没有熔覆层，则获取基底计算区域内的光条中心线的位置数据，获得基底位置,

S4、计算熔覆层厚度、激光器相对于基底表面的工作距离和激光入射角度；

其中，步骤S32中，判断该基底计算区域内是否有熔覆层包括如下步骤：

S321、计算所述基底计算区域内的光条中心线；

S322、判断该光条中心线代表的z轴高度变化是否大于基底轮廓的局部不平整度，如果是，则该基底计算区域内有熔覆层；如果否，则该基底计算区域内没有熔覆层；

步骤S4中，计算熔覆层厚度包括如下步骤：

S41、根据基底熔覆层表面3D轮廓数据，设定熔覆层计算区域；

S42、获取熔覆层计算区域内的光条中心线的位置数据；

S43、计算熔覆层计算区域内的光条中心线的位置数据与基底位置的高度差值，获得熔覆层厚度的3D数据；

步骤S4中，计算激光器相对于基底表面的工作距离和激光入射角度包括如下步骤：

S44、计算基底表面上基底位置光条两端附近的两个点的3D坐标；

S45、计算该两点的中点位置的z轴坐标或视野区域的中垂线与光条中心线交点代表的z轴坐标，获得激光器相对于基底表面的工作距离；

S46、计算该两点的连线与熔覆激光器激光光轴的夹角，获得激光入射到基底表面的倾斜角度；

步骤S4还包括如下步骤：

S47、计算熔覆层的平均厚度直线；

S48、计算熔覆层上表面轮廓曲线上各点到所述平均厚度直线的距离，获得熔覆层厚度缺陷尺寸；

步骤S4还包括如下步骤：

S49、计算熔覆层的平均厚度直线；

S410、计算熔覆层上表面轮廓曲线与所述平均厚度直线的包络区域面积，获得熔覆层厚度缺陷尺寸。

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