CN113843420B - 基于单相机的金属增材制造熔池形貌多角度视觉传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于单相机的金属增材制造熔池形貌多角度视觉传感装置，传感装置包括传感通路、复合滤光系统和图像检测系统三个部分，第一平面镜从上方接收熔池辐射出的光线并反射至复合滤光系统，经过图像检测系统后得到熔池宽度信息；熔池辐射出的光线和前一堆积层反射的电弧光被第三平面镜反射到达第二平面镜，而后经过复合滤光系统，最后通过图像检测系统得到熔池的高度信息和前一堆积层的高度信息；本发明装置提供的多角度视觉传感装置能够实现在单幅图像中同时显示熔池的高度信息、熔池的宽度信息和前一堆积层的高度信息，降低了监测系统的复杂度，为后续堆积层高度和宽度的高精准闭环控制奠定基础。
Description
技术领域
本发明属于金属增材制造技术领域，具体涉及一种基于单相机的金属增材制造熔池形貌多角度视觉传感装置。
背景技术
增材制造技术，又称3D打印技术，具有快速制造，可实现构件性能和结构个性化定制，无需模具和易于修复与再制造等一系列优良的特点。增材制造技术有效克服了传统减材制造过程制造周期长、材料利用率低等缺点，尤其在成形昂贵金属零部件时，具有明显的成本优势。目前，该技术得到了广泛的研究与应用。
金属增材制造技术是按照离散-堆积原理，自下而上快速制备出金属构件的成形技术。而在实际堆积过程中，受热积累、工艺参数波动以及前层堆积状况等多方面复杂因素的影响，每一层的实际尺寸可能会偏离分层切片设定值，致使成形件尺寸精度与稳定性降低。因此有必要对金属增材制造堆积层尺寸进行实时检测，为后续高精准闭环控制奠定基础。
以工业相机为代表的视觉传感器以其非接触、信息丰富、高灵敏度和高精度等优点，成为当前金属增材制造领域实时检测的重要传感方式。金属增材制造当前层的尺寸与前一堆积层的堆积状况密切相关，然而在现有研究文献中，金属增材制造过程的视觉检测主要采用多个相机在不同的位置监测熔池尾部区域，未对前一堆积层的成形尺寸进行检测。考虑到多相机协同检测会增加传感系统的复杂性，也对检测信息的处理融合提出了考验，因此亟待提出一种基于单相机的金属增材制造熔池形貌多角度视觉传感装置，可以在一幅图像上同时对熔池尾部尺寸和前一堆积层的成形尺寸进行采集，为后续成形尺寸的精准闭环控制奠定基础。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于单相机的金属增材制造熔池形貌多角度视觉传感装置，在单张图像信息中获取熔池的高度信息，熔池的宽度信息和前一堆积层的高度信息，简化了监测系统的复杂度，为后续堆积件尺寸高精准闭环控制奠定基础。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于单相机的金属增材制造熔池形貌多角度视觉传感装置，
包括：传感通路、复合滤光系统和图像检测系统；设置焊枪电极末端的中心为原点O，堆积高度方向为Z轴正方向，堆积行走方向为X轴正方向，Y轴正方向垂直于X轴和Z轴所组成平面且指向传感通路一侧；
所述传感通路用于将熔池尺寸信息和前一堆积层的高度尺寸信息传递到图像检测系统，包括第一平面镜1、第二平面镜2和第三平面镜3，且第一平面镜1、第二平面镜2和第三平面镜3的尺寸均相同，所述尺寸为长度l和宽度w；
所述复合滤光系统用于降低弧光强度与消除环境杂光的干扰，沿传感通路传递的熔池尺寸信息的传播方向依次设置滤光片4和减光片5，滤光片4和减光片5设置于工业相机6的前方，传感通路传递的熔池尺寸信息和前一堆积层的高度尺寸信息依次通过滤光片4、减光片5和工业相机6；
所述图像检测系统用于采集熔池尺寸图像与前一堆积层的高度尺寸图像，并提取熔池尺寸和前一堆积层的高度尺寸，包括工业相机6和计算机7，工业相机6通过USB数据线连接到计算机7，工业相机6用于采集熔池尺寸图像和前一堆积层的高度尺寸图像，计算机7用于开发图像处理算法并提取熔池尺寸和前一堆积层的高度尺寸；
所述第一平面镜1、第二平面镜2和第三平面镜3各自镜面所在的平面均垂直于YOZ面，且与XOY面的夹角均成45°；第一平面镜1最下方的下边缘17与第二平面镜2最上方的上边缘18在XOZ面内的投影完全重合，第一平面镜1的体心A、第二平面镜2的体心B和第三平面镜3的体心C确定一个平面ABC，第二平面镜2与第三平面镜3在由下边缘17与上边缘18确定的平面内的投影完全重合，第一平面镜1中平行于平面ABC且靠近原点O的侧面为第一侧面14，第二平面镜2中平行于平面ABC且沿X轴正方向距离原点O最远的侧面为第二侧面15，第三平面镜3中平行于平面ABC且沿X轴正方向距离原点O最远的侧面为第三侧面16；沿Y轴正方向，第二平面镜2的体心B在第一平面镜1的体心A右侧50-70mm；沿Z轴正方向，第二平面镜2的体心B在第三平面镜3的体心C上方42-70mm；所述第一平面镜1从上方接收熔池辐射出的光线，通过反射作用到达复合滤光系统和图像检测系统，该过程用于获取熔池的宽度信息，熔池辐射出的光线和前一堆积层反射的电弧光经过第三平面镜3反射到第二平面镜2，然后到达复合滤光系统和图像检测系统，该过程用于获取熔池的高度信息和前一堆积层的高度信息；
所述工业相机6中用于获取熔池图像的部件为图像传感器芯片19，第一平面镜1和第二平面镜2为工业相机6的直接观测对象，工业相机6镜头的焦距f满足下述关系式：
D—第二平面镜的体心B到工业相机图像传感器芯片体心的水平距离；
L—直接观测对象的长度；L为第一平面镜1的最高点和第二平面镜2的最低点连线在XOZ面内投影的距离；
ω—图像传感器芯片的长度。
第二平面镜的体心在第一平面镜体心右侧的距离设定为50-70mm的原因是：如果距离过小会使熔池只有部分出现在采集图像的左侧，导致检测失败，过大则会使熔池只有部分出现在采集图像的右侧，导致检测失败；第二平面镜的体心在第三平面镜的体心上方的距离设定为42-70mm的原因是：如果距离过小会使熔池只有部分出现在采集图像的下方，导致检测失败，过大则会使熔池只有部分出现在采集图像的上方，导致检测失败；
作为优选方式，所述的一种基于单相机的金属增材制造熔池形貌多角度视觉传感装置，其特征在于：工业相机镜头的焦距f＝25mm，图像传感器芯片的长度ω＝4.9mm；直接观测对象的长度L为60-70mm，第二平面镜的体心到工业相机图像传感器芯片体心的水平距离D为310-370mm。
设置直接观测对象的长度L为60-70mm的原因是：如果观测物体长度过小会导致采集图像中无法完全显示第一平面镜和第二平面镜中呈现的熔池尺寸信息，过大会导致工业相机采集图像中有效信息占比减少，检测精度下降；
作为优选方式，所述的一种基于单相机的金属增材制造熔池形貌多角度视觉传感装置，其特征在于：第一平面镜、第二平面镜和第三平面镜的长度l为35-43mm，长度l与宽度w满足下述关系式：
平面镜的长度l设置为35-43mm的原因是：如果长度过长会导致工业相机采集到的图像无法完全呈现熔池的高度信息，熔池的宽度信息和前一堆积层的高度信息，长度过小则会导致工业相机采集图像中有效信息占比减少，检测精度下降；
作为优选方式，所述的一种基于单相机的金属增材制造熔池形貌多角度视觉传感装置，其特征在于：平面ABC与XOY面的夹角为45-60°。
设置第一平面镜、第二平面镜和第三平面镜各自体心所确定的平面ABC与XOY面的夹角在45-60°内是因为夹角过小会导致工业相机采集到的图像无法完全呈现熔池的高度信息和前一堆积层的高度信息，过大会则导致工业相机采集到的图像中，宽度信息严重滞后。
与传统的多相机不同位置协同检测的视觉传感方式相比，本发明装置的有效益果为：本发明提出的一种基于单相机的金属增材制造熔池形貌多角度视觉传感装置，利用传感通路中平面镜的反射作用从不同角度对熔池尺寸信息进行观测，并将熔池的宽度尺寸信息、熔池的高度尺寸信息和前一堆积层的高度尺寸信息反射在同一幅图像中，从而实现单摄像机的同时同幅传感。本发明装置有效简化了传统监测系统的复杂度和标定次数，引入前一堆积层高度尺寸信息的检测可增强熔池尺寸反馈闭环控制系统的预判能力，为后续堆积层尺寸的高精准闭环控制奠定基础。
附图说明
图1为基于单相机的金属增材制造熔池形貌多角度视觉传感装置示意图；
图2为多角度视觉传感装置中传感通路的外壳示意图；
图3为金属增材制造熔池形貌多角度采集系统示意图；
图4为基于单相机的金属增材制造熔池形貌多角度视觉传感装置所采集的熔池形貌图；
1为第一平面镜，2为第二平面镜，3为第三平面镜，4为滤光片，5为减光片，6为工业相机，7为计算机，8为YASKAWA机器人，9为焊枪，10为自制夹具，11为气瓶，12为多角度视觉传感装置中传感通路的外壳，13为Fronius焊机，14为第一侧面，15为第二侧面，16为第三侧面，17为下边缘，18为上边缘，19为图像传感器芯片。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
本实施例基于低碳钢直壁件的电弧增材制造，以Fronius焊机提供的TIG电弧作为热源，运动执行装置为YASKAWA机器人8。基板为Q235B低碳钢，尺寸为200mm×100mm×5mm，填充金属为ER70S-6焊丝，直径1.2mm。实验工艺参数为：堆积电流140A，行走速度0.2m/min.送丝速度为1.1m/min，保护气为99.99％Ar，气流量为9L/min。
如图2、3所示，本实施例包括：基于单相机的金属增材制造熔池形貌多角度视觉传感装置，YASKAWA机器人8，焊枪9，自制夹具10，气瓶11，多角度视觉传感装置中传感通路的外壳12，Fronius焊机13。
所述基于单相机的金属增材制造熔池形貌多角度视觉传感装置包括：
传感通路、复合滤光系统和图像检测系统；设置焊枪电极末端的中心为原点O，堆积高度方向为Z轴正方向，堆积行走方向为X轴正方向，Y轴正方向垂直于X轴和Z轴所组成平面且指向传感通路一侧；
所述传感通路用于将熔池尺寸信息和前一堆积层的高度尺寸信息传递到图像检测系统，包括第一平面镜1、第二平面镜2和第三平面镜3，且第一平面镜1、第二平面镜2和第三平面镜3的尺寸均相同，所述尺寸为长度l和宽度w；
所述复合滤光系统用于降低弧光强度与消除环境杂光的干扰，沿传感通路传递的熔池尺寸信息的传播方向依次设置滤光片4和减光片5，滤光片4和减光片5设置于工业相机6的前方，传感通路传递的熔池尺寸信息和前一堆积层的高度尺寸信息依次通过滤光片4、减光片5和工业相机6；
所述图像检测系统用于采集熔池尺寸图像与前一堆积层的高度尺寸图像，并提取熔池尺寸和前一堆积层的高度尺寸，包括工业相机6和计算机7，工业相机6通过USB数据线连接到计算机7，工业相机6用于采集熔池尺寸图像和前一堆积层的高度尺寸图像，计算机7用于开发图像处理算法并提取熔池尺寸和前一堆积层的高度尺寸；
所述第一平面镜1、第二平面镜2和第三平面镜3各自镜面所在的平面均垂直于YOZ面，且与XOY面的夹角均成45°；第一平面镜1最下方的下边缘17与第二平面镜2最上方的上边缘18在XOZ面内的投影完全重合，第一平面镜1的体心A、第二平面镜2的体心B和第三平面镜3的体心C确定一个平面ABC，第二平面镜2与第三平面镜3在由下边缘17与上边缘18确定的平面内的投影完全重合，第一平面镜1中平行于平面ABC且靠近原点O的侧面为第一侧面14，第二平面镜2中平行于平面ABC且沿X轴正方向距离原点O最远的侧面为第二侧面15，第三平面镜3中平行于平面ABC且沿X轴正方向距离原点O最远的侧面为第三侧面16，沿Y轴正方向，第二平面镜2的体心B在第一平面镜1的体心A右侧50-70mm，沿Z轴正方向，第二平面镜2的体心B在第三平面镜3的体心C上方42-70mm；所述第一平面镜1从上方接收熔池辐射出的光线，通过反射作用到达复合滤光系统和图像检测系统，该过程用于获取熔池的宽度信息，熔池辐射出的光线和前一堆积层反射的电弧光经过第三平面镜3反射到第二平面镜2，然后到达复合滤光系统和图像检测系统，该过程用于获取熔池的高度信息和前一堆积层的高度信息；
所述工业相机6中用于获取熔池图像的部件为图像传感器芯片19，第一平面镜1和第二平面镜2为工业相机6的直接观测对象，工业相机6镜头的焦距f满足下述关系式：
D—第二平面镜的体心B到工业相机图像传感器芯片体心的水平距离；
L—直接观测对象的长度；L为第一平面镜1的最高点和第二平面镜2的最低点连线在XOZ面内投影的距离；
ω—图像传感器芯片的长度。
所述的工业相机镜头的焦距f＝25mm，工业相机中图像传感器芯片的长度ω＝4.9mm；直接观测对象的长度L为60mm-70mm，本实施例优选为60mm；第二平面镜的体心到工业相机图像传感器芯片体心的水平距离D为310mm-370mm，本实施例优选为310mm。
第一平面镜、第二平面镜和第三平面镜的长度l为35-43mm，长度l与宽度w满足下述关系式：
具体本实施例中所述的第一平面镜、第二平面镜和第三平面镜的长度l为42.5mm，宽度w为30mm。
平面ABC与XOY面的夹角为45-60°。具体本实施例中所述的第一平面镜、第二平面镜和第三平面镜各自体心所确定的平面与XOY面的夹角为60°。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (4)
1.一种基于单相机的金属增材制造熔池形貌多角度视觉传感装置，其特征在于，包括：传感通路、复合滤光系统和图像检测系统；设置焊枪电极末端的中心为原点O，堆积高度方向为Z轴正方向，堆积行走方向为X轴正方向，Y轴正方向垂直于X轴和Z轴所组成平面且指向传感通路一侧；
所述传感通路用于将熔池尺寸信息和前一堆积层的高度尺寸信息传递到图像检测系统，包括第一平面镜(1)、第二平面镜(2)和第三平面镜(3)，且第一平面镜(1)、第二平面镜(2)和第三平面镜(3)的尺寸均相同，所述尺寸为长度l和宽度w；
所述复合滤光系统用于降低弧光强度与消除环境杂光的干扰，沿传感通路传递的熔池尺寸信息的传播方向依次设置滤光片(4)和减光片(5)，滤光片(4)和减光片(5)设置于工业相机(6)的前方，传感通路传递的熔池尺寸信息和前一堆积层的高度尺寸信息依次通过滤光片(4)、减光片(5)和工业相机(6)；
所述图像检测系统用于采集熔池尺寸图像与前一堆积层的高度尺寸图像，并提取熔池尺寸和前一堆积层的高度尺寸，包括工业相机(6)和计算机(7)，工业相机(6)通过USB数据线连接到计算机(7)，工业相机(6)用于采集熔池尺寸图像和前一堆积层的高度尺寸图像，计算机(7)用于开发图像处理算法并提取熔池尺寸和前一堆积层的高度尺寸；
所述第一平面镜(1)、第二平面镜(2)和第三平面镜(3)各自镜面所在的平面均垂直于YOZ面，且与XOY面的夹角均成45°；第一平面镜(1)最下方的下边缘(17)与第二平面镜(2)最上方的上边缘(18)在XOZ面内的投影完全重合，第一平面镜(1)的体心A、第二平面镜(2)的体心B和第三平面镜(3)的体心C确定一个平面ABC，第二平面镜(2)与第三平面镜(3)在由下边缘(17)与上边缘(18)确定的平面内的投影完全重合，第一平面镜(1)中平行于平面ABC且靠近原点O的侧面为第一侧面(14)，第二平面镜(2)中平行于平面ABC且沿X轴正方向距离原点O最远的侧面为第二侧面(15)，第三平面镜(3)中平行于平面ABC且沿X轴正方向距离原点O最远的侧面为第三侧面(16)；沿Y轴正方向，第二平面镜(2)的体心B在第一平面镜(1)的体心A右侧50-70mm；沿Z轴正方向，第二平面镜(2)的体心B在第三平面镜(3)的体心C上方42-70mm；所述第一平面镜(1)从上方接收熔池辐射出的光线，通过反射作用到达复合滤光系统和图像检测系统，该过程用于获取熔池的宽度信息，熔池辐射出的光线和前一堆积层反射的电弧光经过第三平面镜(3)反射到第二平面镜(2)，然后到达复合滤光系统和图像检测系统，该过程用于获取熔池的高度信息和前一堆积层的高度信息；
所述工业相机(6)中用于获取熔池图像的部件为图像传感器芯片(19)，第一平面镜(1)和第二平面镜(2)为工业相机(6)的直接观测对象，工业相机(6)镜头的焦距f满足下述关系式：
D—第二平面镜的体心B到工业相机图像传感器芯片体心的水平距离；
L—直接观测对象的长度；L为第一平面镜(1)的最高点和第二平面镜(2)的最低点连线在XOZ面内投影的距离；
ω—图像传感器芯片的长度。
2.根据权利要求1所述的一种基于单相机的金属增材制造熔池形貌多角度视觉传感装置，其特征在于：工业相机镜头的焦距f＝25mm，图像传感器芯片的长度ω＝4.9mm；直接观测对象的长度L为60-70mm，第二平面镜的体心到工业相机图像传感器芯片体心的水平距离D为310-370mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于单相机的金属增材制造熔池形貌多角度视觉传感装置，其特征在于：第一平面镜、第二平面镜和第三平面镜的长度l为35-43mm，长度l与宽度w满足下述关系式：
4.根据权利要求1所述的一种基于单相机的金属增材制造熔池形貌多角度视觉传感装置，其特征在于：平面ABC与XOY面的夹角为45-60°。
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