CN110340357A - 一种温度递推估计的3d打印激光熔点温度检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种温度递推估计的3D打印激光熔点温度检测方法，工件加工前启动激光3D打印机，待激光熔点温度稳定后设定温度阈值，利用红外成像仪对激光熔点温度进行图像采集，并进行标定和图像处理，得到标定温度区域；工件加工过程中利用所述红外成像仪对激光熔点温度进行实时图像采集，并进行图像处理，在相同的温度阈值下得到实时温度区域；将标定温度区域与实时温度区域进行特征匹配，通过温度递推估计确定激光熔点温度。本发明基于表面温度热成像，利用低精度、低分辨率的红外成像仪检测并递推估计3D打印过程中激光的温度，成本低，测量更精准。

Description

一种温度递推估计的3D打印激光熔点温度检测方法
技术领域
本发明涉及一种激光3D打印测温方法，具体地说，涉及一种温度递推估计的3D打印激光熔点温度检测方法。
背景技术
3D打印技术具有成型速度快、数字化、智能化程度高、生产周期短等特点，近年来已经被广泛的应用于各行各业，而金属的激光3D打印技术在3D打印体系中是最前沿和最有潜力的技术，拥有广阔的发展前景。
在金属的激光3D打印技术中，其加工技术的核心是通过激光产生的高温将金属粉末熔化，激光扫过后金属自然冷却凝固，从而实现的逐层堆积的材料叠加。通常金属的熔点大于1000℃，因此，温度因素会在金属工件的加工过程中产生极为重要的影响。
在金属3D打印成型过程中，要求激光温度恒定在金属熔化的临界点上，温度变化较小，而温度的上升与下降极易受到环境的影响，微小的变化都将会严重影响制品收缩率、工件内部沙眼以及翘曲率，以及工件内部构造，进而影响工件精度以及工件的强度，进而影响成品率。而在3D打印激光点周围是大于1000℃的高温复杂环境，通常的测温仪器难以实现精确测温。因此，对成型制品在加工过程中的表面温度检测是3D打印技术亟待解决的重要问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种温度递推估计的3D打印激光熔点温度检测方法，利用红外成像仪检测并递推估计3D打印过程中激光的温度，成本低，测量更精准。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种温度递推估计的3D打印激光熔点温度检测方法，具体包括以下步骤：
步骤1，工件加工前，先启动激光3D打印机，待激光熔点温度稳定后设定温度阈值，利用红外成像仪对激光熔点温度进行图像采集，并进行标定和图像处理，得到标定温度区域；
步骤2，工件加工过程中利用所述红外成像仪对激光熔点温度进行实时图像采集，并进行图像处理，在与步骤1相同的温度阈值下，得到实时温度区域；
步骤3，将标定温度区域与实时温度区域进行特征匹配及温度递推估计，确定激光熔点温度。
进一步地，步骤1中设定的温度阈值低于红外成像仪的最高测温范围。
进一步地，步骤1中红外成像仪的分辨率是32X24像素、80X80像素或160X120像素。
进一步地，步骤1中标定和图像处理是利用设定的温度阈值对红外成像仪采集到的图像进行处理，首先提取标准设定阈值温度下红外成像仪采集的热力图像，从中提取高于温度阈值的区域，之后将这个区域标定为工件成型表面激光熔点最佳温度时对应的激光温度区域。
进一步地，步骤3中特征匹配及温度递推估计，是将实时温度区域与标定温度区域进行匹配，若实时温度区域偏向标定温度区域内侧，则判断激光熔点温度低于工件成型表面激光熔点最佳温度，若实时温度区域偏向标定温度区域外侧，则判断激光熔点温度高于工件成型表面激光熔点最佳温度，若实时温度区域与标定温度区域一致，则判断激光熔点温度为工件成型表面激光熔点最佳温度。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
1)本发明温度递推估计的3D打印激光熔点温度检测方法，基于表面温度热成像，利用红外成像仪检测并递推估计3D打印过程中激光的温度，成本低，测量更精准。
2)本发明采用低精度、低分辨率的红外成像仪进行激光熔点温度采集，并结合递推估计，能够达到高精度红外成像仪同样的激光熔点温度检测效果，可以大幅节约成本，同时检测激光熔点的温度波动梯度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例中温度递推估计的3D打印激光熔点温度检测方法的流程图；
图2是本发明实施例中同一温度梯度下不同激光熔点温度对应的温度区域。
图中，1.标定温度区域，2.温度高于标定状态下的温度区域，3.温度低于标定状态下的温度区域。
具体实施方式
以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
以金属工件的激光3D打印过程为例，本发明温度递推估计的3D打印激光熔点温度检测方法，参见图1，具体包括以下步骤：
步骤1，工件加工前，先启动激光3D打印机，待激光熔点温度稳定后设定温度阈值，利用红外成像仪对激光熔点温度进行图像采集，并进行标定和图像处理，得到标定温度区域，如图2中的1区域；
针对温度区域的特征匹配，首先需要定义温度区域的温度阈值，阈值的定义与选用的红外成像仪有关，温度阈值的设定低于红外成像仪的最高测温范围，例如若选取测温范围最高为300℃的红外成像仪，则可以定义温度阈值为250℃，完成温度阈值设置。
红外成像仪的分辨率是32X24像素、也可以是80X80像素或160X120像素，红外成像仪的分辨率是指将采集到的区域温度划分为点阵温度像素点，以像素点内的平均温度作为当前像素点的温度。
标定和图像处理是利用设定的温度阈值对红外成像仪采集到的图像进行处理，首先提取标准设定阈值温度下红外成像仪采集的热力图像，从中提取高于温度阈值的区域，之后将这个区域标定为工件成型表面激光熔点最佳温度时对应的激光温度区域，即标定温度区域。
步骤2，工件加工过程中利用所述红外成像仪对激光熔点温度进行实时图像采集，并进行图像处理，在与步骤1相同的温度阈值下，得到实时温度区域；
例如：根据步骤1，利用设置的温度阈值250℃，提取实时激光熔点温度图像中高于250℃的区域，得到实时的加工表面温度区域，即实时温度区域。
步骤3，将标定温度区域与实时温度区域进行特征匹配，通过温度递推估计，确定激光熔点温度。
若实时温度区域为1，则判断当前金属工件加工激光熔点温度等于工件成型表面激光熔点最佳温度，若实时温度区域为2(图2中的区域2)，则判断当前金属工件加工激光熔点温度高于工件成型表面激光熔点最佳温度，若实时温度区域为3(图2中的区域3)，则判断当前金属工件加工激光熔点温度低于工件成型表面激光熔点最佳温度。
温度递推估计是一种利用温度区域特征匹配的结果反推激光熔点温度的估计方法。根据图2所示，温度区域的范围会在温度区域1、2、3之间波动，根据温度区域的变化递推估计激光熔点温度，根据特征匹配过程，若温度区域形状越偏向温度区域2则可以递推估计激光熔点温度越高，若温度区域形状越偏向温度区域3则可以递推估计激光熔点温度越低，特征区域的隶属，决定了反向递推估计的激光熔点温度。
1)本发明温度递推估计的3D打印激光熔点温度检测方法，基于表面温度热成像，利用红外成像仪检测并递推估计3D打印过程中激光的温度，成本低，测量更精准。
2)本发明采用分辨率为32X24像素、也可以为80X80像素或160X120像素的低精度、低分辨率的红外成像仪进行激光熔点温度采集，并结合递推估计，能够达到高精度红外成像仪同样的激光熔点温度检测效果，可以大幅节约成本，同时检测激光熔点的温度波动梯度。
本发明温度递推估计的3D打印激光熔点温度检测方法，利用红外成像仪检测并递推估计3D打印过程中激光点的温度。现有的高精度红外成像仪具有极高的精度与测温范围，可以实现对实时激光3D打印工件表面温度热成像的捕捉，以及激光熔点的温度检测，但高精度的红外成像仪价格极高，3D打印机安装后将会大大增加3D打印机的制造成本，难以成为市场中常用的激光3D打印测温设备，而低精度的红外成像仪价格较低，测温范围较小，可以检测出激光成型过程中的激光轮廓，但难以检测激光熔点的准确温度。因此本发明是基于红外成像仪的，利用表面温度热成像进行温度递推估计的激光熔点温度检测方法。
在工件的加工过程中，根据热辐射原理，激光3D打印平台的激光熔点的温度与激光熔点附件工件的表面温度等温线有着直接的影响，不同激光熔点温度下表面温度拥有不同的特征，在同一等温线条件下，激光熔点温度越高，等温线面积越大。由于热量随时间进行散失，随着激光扫过金属表面，正在熔化的位置温度最高，扫过的位置温度逐渐降低，将要扫过的区域温度较低，但逐渐升高。因此在同一等温线下，工件表面，激光熔点附件呈现流星形状的温度等温线。激光熔点温度高，同一等温线内面积大，激光熔点温度低，同一等温线内面积小。
根据上述原理，首先定义较低温度的等温线，检测该等温线下工件加工过程中的温度区域形状。利用该形状对应的激光熔点温度，对温度区域形状进行标定，之后利用红外成像仪检测同一等温线下的温度区域形状，根据同一等温线下的温度区域特征，进行在线温度递推估计，若形状一致则表示当前温度稳定，若区域变大则表示温度过高，区域变小，则表示温度过低。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种温度递推估计的3D打印激光熔点温度检测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，工件加工前，先启动激光3D打印机，待激光熔点温度稳定后设定温度阈值，利用红外成像仪对激光熔点温度进行图像采集，并进行标定和图像处理，得到标定温度区域；
步骤2，工件加工过程中利用所述红外成像仪对激光熔点温度进行实时图像采集，并进行图像处理，在与步骤1相同的温度阈值下，得到实时温度区域；
步骤3，将标定温度区域与实时温度区域进行特征匹配及温度递推估计，确定激光熔点温度。
2.根据权利要求1所述的温度递推估计的3D打印激光熔点温度检测方法，其特征在于，步骤1中设定的温度阈值低于红外成像仪的最高测温范围。
3.根据权利要求2所述的温度递推估计的3D打印激光熔点温度检测方法，其特征在于，步骤1中红外成像仪的分辨率是32X24像素、80X80像素或160X120像素。
4.根据权利要求3所述的温度递推估计的3D打印激光熔点温度检测方法，其特征在于，步骤1中标定和图像处理是利用设定的温度阈值对红外成像仪采集到的图像进行处理，首先提取标准设定温度下红外成像仪采集的热力图像，从中提取高于温度阈值的区域，之后将这个区域标定为工件成型表面激光熔点最佳温度时对应的激光温度区域。
5.根据权利要求1-4任一项所述的温度递推估计的3D打印激光熔点温度检测方法，其特征在于，步骤3中特征匹配及温度递推估计，是将实时温度区域与标定温度区域进行匹配，若实时温度区域偏向标定温度区域内侧，则判断激光熔点温度低于工件成型表面激光熔点最佳温度，若实时温度区域偏向标定温度区域外侧，则判断激光熔点温度高于工件成型表面激光熔点最佳温度，若实时温度区域与标定温度区域一致，则判断激光熔点温度为工件成型表面激光熔点最佳温度。
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