CN115096200B - 激光近净成型过程中变形场-温度场同步在线监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光近净成型（LENS）过程中变形场‑温度场同步在线监测方法，包括以下步骤：一，在用于激光打印制作试件的基板上预先用高温漆制备一层耐高温的第一高温散斑；二，利用半透半反镜将被测物体基板和试件表面发射出的光分成两束不同方向的透射光路和反射光路，将基板的第一高温散斑的一面和试件的被观测表面对准透射光路方向；利用第一双棱镜的两个前表面上的不同中心波长的窄带通滤光膜，用以将反射光路中的图像分成两个不同波段的图像；…等。本发明可以解决LENS过程中，极端制造环境导致的变形场‑温度场测量难题。
Description
技术领域
本发明属于光测力学技术领域，具体涉及一种激光近净成型过程中变形场-温度场同步在线监测方法。
背景技术
增材制造（AM）作为变革性技术，已在航空航天、汽车、舰船等重要领域得到推广应用。金属增材制造过程的稳定性和产品质量是其广泛应用的主要阻碍之一，特别是对有严格要求的高价值零部件而言，如航空发动机涡轮叶片。其中，激光近净成型（LENS）是AM的重要分支，为了提高金属零部件的质量，避免成型过程中产生裂纹、几何形状畸变等缺陷，以及更好地理解 LENS 过程中发生的复杂多场耦合现象（包括热、能量、粉末效应、几何效应等相互作用），一个重要途径是在成型过程中对关键参量进行原位监测，如变形和温度，从而为实时反馈控制奠定基础。
数字图像相关（Digital Image Correlation , DIC）方法是一种基于物体表面变形前后图像的现代光学全场、非接触式变形测量方法。3D-DIC可实现三维形貌和变形场表征，在 LENS 变形原位监测中有较大潜力。相比传统的基于双目视觉原理的双相机3D-DIC方法，基于双棱镜的单相机三维数字图像相关（BSL 3D DIC）方法（Applied optics, 2015,54(26): 7842-7850.），通过在单个镜头前放置双棱镜进行分光，即可实现三维测量，具有成本低、无需考虑双相机同步、与狭小空间中的极端测试环境匹配性强等优点。
双波段比色测温法是基于黑体辐射定律发展而来的一种辐射测温方法，该方法可以通过物体表面辐射光中两个相邻狭窄波段内辐射强度的比值计算辐射区域内的温度。所述比色法不受物体发射率影响、响应快、测温范围广，特别是针对600 ℃以上高温物体具有较高的测量精度，在LENS 温度原位监测中有较大潜力。然而传统比色测温系统通常由双相机搭建而成，这使得测温系统整体体积较大、便携性差、不便调试的同时增加了研制成本。目前前沿研究方向之一是设计和优化系统光路，建立基于单相机的测温系统。在公开号为CN 108871585 A的中国专利中公开了一种基于单相机的温度场测量系统与方法，该专利创新性设计了单相机比色测温光路，满足了集成化的测试需求。但该方法也存在一定的不足：通过半透半反镜进行分光，分别由两块窄带滤光片进行滤波，再分别经过两次反射之后由相机接收，一方面测温光路较为复杂，提高了加工难度，精度难以保证，另一方面图像经多次反射，会对图像信息造成一定影响，由于色差和装配误差等原因也会增大测量难度，降低测量精度。
值得注意的是，结合温度和变形测量是揭示增材制造过程中应力应变生成和演化机理的关键之一，亟需发展针对LENS过程中试件表面温度场和变形场的同步测量技术。在进行温度和变形同步原位监测时，为获得试件表面一点对应的温度和变形信息，需对变形场与温度场进行匹配。G.Z.Zeng等（Experimental Mechanics, 2021, 61(8): 1261-1270）提出了一种变形场与温度场的空间位置匹配方法：将红外热像仪获得的图像转换为灰度图像，作为参考图像1。在三维变形测量系统中，将参考摄像机获得的图像用作参考图像2；应用一阶相关函数根据相关算法进行位置匹配即可实现变形场与温度场空间点的位置匹配。但是其测量对象为打印过程中基体的底面，变形场和温度场分别由双相机3D-DIC和红外热像仪获得，无法测量包括基体和打印体在内的打印全过程温度场和变形场信息。此外，如何结合基于单相机的温度场和变形场测量方法的优点，并优化和简化测量系统光路，仍有待进一步研究。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种激光近净成型过程中变形场-温度场同步在线监测方法，以解决激光近净成型（LENS）过程中，极端制造环境导致测量难的问题。
实现本发明目的采用的技术方案如下：
本发明提供的激光近净成型过程中变形场-温度场同步在线监测方法，包括以下步骤：
步骤一，在用于激光打印制作试件的基板上预先用高温漆制备一层耐高温的第一高温散斑。
步骤二，利用半透半反镜将被测物体基板和试件表面发射出的光分成两束不同方向的透射光路和反射光路，将基板的第一高温散斑的一面和试件的被观测表面对准透射光路方向；利用第一双棱镜的两个前表面，用以将透射光路中的图像分成两个带有视差的左右图像；利用第二双棱镜的两个前表面上的不同中心波长的窄带通滤光膜，用以将反射光路中的图像分成两个不同波段的左右图像。
步骤三，利用激光3D打印设备在基板上逐层打印形成试件，控制第一相机从所述透射光路与第二相机从所述反射光路分别同步频率同步采集同时包含有第一高温散斑的基板图像和试件被观测表面的图像。
步骤四，在打印一定层数形成试件后，暂停激光打印，在试件的被观测表面用高温漆制备一层第二高温散斑。
步骤五，重复步骤三和步骤四直到打印结束，其中步骤三分别同步频率同步采集同时包含有第一高温散斑的基板图像和包含有第二高温散斑的试件图像。
步骤六，利用第一计算机对第一相机通过第一双棱镜所采集的两个带有视差的左右图像进行处理，使用三维数字图像相关（3D-DIC）方法计算出基体和试件的三维变形场。
步骤七，利用第二计算机对第二相机所采集的图像进行处理，使用二维数字图像相关（2D-DIC）方法，将通过第二双棱镜采集到的两个不同波段的左右图像中对应实际观测表面的同一点进行匹配，获得两个图像中对应像素单元的灰度值，根据对应像素单元的灰度值使用双波段比色测温方法测量全场的温度，获得基体和试件的温度场。
步骤八，使用变形场和温度场空间位置匹配方法，将同一时刻第一相机所采集图像的左图像或者右图像作为参考图像1和第二相机所采集图像的左图像或者右图像作为参考图像2，结合二维数字图像相关算法对参考图像1和参考图像2进行图像匹配，实现基体和试件的变形场和温度场空间点的一一对应。
所述步骤一是在对基板进行无水乙醇超声清洗、干燥后再在所述基板上制备第一高温散斑。
还包括采用蓝光补光光源，用于对所述基板上的第一高温散斑图像和试件被测物体表面进行照射。
还包括在所述透射光路上采用截止片，以解决激光对所述第一相机带来的光晕和局部过曝光的影响。
还包括在所述透射光路上采用窄带通蓝光滤波片，用于过滤蓝光以外的幅射光，保留蓝光，并配合蓝光补光光源用于解决试件“成型”过程中金属熔融热辐射引起的大面积过曝光和数字图像相关（DIC）计算中的“退相关”问题。
还包括采用UV保护镜，用于防护激光在打印试件过程中粉末冲击对所述半透半反镜、第一双棱镜、第二双棱镜、截止片、窄带通蓝光滤波片、第一相机和第二相机光学元件造成损伤。
还包括采用可升降式金属隔板，用于阻隔激光打印过程中飞溅的火星进入第一相机和第二相机拍摄区域。
有益效果
一、本发明使用半透半反镜将入射光分成两束，透射光路中的光由第一相机接收并基于单相机3D-DIC方法测量三维变形场，反射光路中的光由第二相机接收并基于单相机双波段比色测温方法测量全场温度，使得本发明能够实现复杂现场环境下对同一表面的非接触式变形场与温度场的同步测量，且变形测量与温度测量均基于单个相机，大大降低了成本，提升了测量系统的紧凑性和便捷性。
二、本发明通过在第二双棱镜的两个前表面分别镀上一层不同中心波长的窄带通滤光膜，将反射光路中的光束分成两束不同波段的光束同时进入相机的镜头，仅需单个相机即可获得两个不同波段的目标图像用于比色法测温。避免了现有双相机比色测温技术中的同步触发难题，降低了成本。同时大大简化了已有单相机比色测温技术中的测量光路，降低了加工难度，提高了实用性。
三、本发明设计了可升降式的金属隔板，用于阻隔LENS过程中飞溅的粉末对光学元件与镜头造成损伤，防止飞溅的火星进入成像区域从而提高了图像质量与计算精度，且可有效避免长时间打印过程中粉末堆积在基体底部附近所导致的部分成像区域被遮挡的问题。
四、本发明中变形场与温度场的空间位置匹配方法均使用灰度相机获得的灰度图像进行图像匹配，相比于现有技术中将热像仪获得的图像转化为灰度图像再与变形测量图像进行匹配的方法拥有更高的匹配精度。
下面结合附图对本发明方法做进一步说明。
附图说明
图1是本发明实施例1采用的变形场-温度场在线监测系统示意图。
图2是图1中的光路示意图。
具体实施方式
本发明提出的激光近净成型过程中变形场-温度场同步在线监测方法，包括采用变形场-温度场在线监测系统及以下步骤：
所述变形场-温度场在线监测系统如图1、图2所示，包括：
激光3D打印设备，其激光头1用于打印试件2，采用直接能量沉积方式的五轴复合激光制造中心；
基体6，用于支承试件和作为高温散斑a1的载体；
蓝光补光光源3，用于对基板6上的高温散斑a1图像和被测物体表面进行照射；
半透半反镜10，用于将被测物体表面发射出的光分成两束不同方向的透射光路和反射光路；
双棱镜11，用于将透射光路中的图像分成两个带有视差的图像，图像被相机采集后，相当于两台虚拟相机分别从不同的角度对被测物体表面进行拍摄，形成双目视觉的效果；
双棱镜7，选取光谱上两个适合的相邻波段λ1与λ2以镀膜的方式在双棱镜7的两个前表面701和702上形成中心波长分别为λ1与λ2的窄带通滤光膜，用以将反射光路中的图像分成中心波长分别为λ1与λ2的两个不同波段的图像，两个图像带有视差；
1064nm截止片12，针对本施例中五轴激光复合制造中心（直接能量沉积式增材制造机床）所使用的1064nm波长的强激光，使用截止波段为1064nm的截止片以解决强激光对透射光路上的第一相机8带来的光晕和局部过曝光的影响；除本实施例所述情况外，针对不同增材制造机床以及其所使用的强激光可选用与其激光波长相对应的截止片；
窄带通蓝光滤波片13，用于过滤蓝光以外的幅射光，保留反射光（蓝光），并采用蓝光补光光源3进行照明，透射中心波段与蓝光补光光源3的照明波段相对应，用于解决试件“成型”过程中金属熔融热辐射等引起的大面积过曝光和DIC计算中的“退相关”问题；
双远心镜头相机8，用于采集透射光路中经过双棱镜11、1064nm截止片12和窄带通蓝光滤波片13处理的最终图像；
计算机14，用于处理双远心镜头相机8采集的图像，使用3D-DIC的方法计算获得被测物体表面的三维变形场；
CMOS相机5，用于采集反射光路中通过双棱镜7所得的两个不同波段的图像，除本施例所述情况外，还可以用普通灰度相机；
计算机4，用于处理CMOS相机5采集的两个不同波段的图像，使用二维数字图像相关（2D-DIC）方法，将两个不同波段的左右图像中对应实际观测表面的同一点进行匹配，获得两个图像中对应像素单元的灰度值，根据对应像素单元的灰度值使用双波段比色测温方法测量全场的温度，获得被测物体表面的温度场；
同步控制器15，用于控制双远心镜头相机8与CMOS相机5实现同步触发，同步频率同步采集，同步中止。
UV保护镜9，用于防护激光在打印试件2过程中粉末冲击对蓝光补光光源3、半透半反镜10、双棱镜7、双棱镜11截止片12、窄带通蓝光滤波片13、双远心镜头相机8和CMOS相机5等光学元件造成损伤；
可升降式金属隔板16，通过调节金属隔板两侧的支撑杆可以调整金属隔板的高度位置，用于阻隔打印过程中飞溅的火星进入CMOS相机5和双远心镜头相机8拍摄区域，能够有效的提升拍摄过程中图像的质量，提高计算精度。
本方法步骤包括（参见图1—图2）：
步骤一，对用于激光打印制作试件2的基板6进行无水乙醇超声清洗，待基板干燥后在基板6的前面用高温漆制备一层耐高温的高温散斑a1，并用热风机对其进行干燥。
步骤二，将制备有高温散斑a1的基板6通过夹具固定在五轴激光复合制造中心的激光头1下方，利用半透半反镜10将被测物体基板6和试件2表面发射出的光分成两束不同方向的透射光路和反射光路，将基板6的高温散斑a1的一面和试件2的被观测表面对准透射光路方向；利用双棱镜11的两个前表面1101和1102，用以将透射光路中的图像分成两个带有视差的左右图像；利用双棱镜7的两个前表面701和702上的不同中心波长的窄带通滤光膜，用以将反射光路中的图像分成两个中心波长分别为λ1与λ2的不同波段的左右图像。
步骤三，在五轴激光复合制造中心的控制面板选择打印程序，开始在基板6的上表面逐层打印形成试件2，激光头1出光的同时，通过同步控制器15控制双远心镜头相机8从透射光路与CMOS相机5从反射光路分别同步频率同步采集同时包含有高温散斑a1的基板6图像和试件2被观测表面的图像。
步骤四，在打印一定层数形成试件2后，停止打印，激光头1关光的同时，通过同步控制器15控制双远心镜头8与CMOS相机5同步中止；在打印停止的间隙，在试件2的被观测表面用高温漆快速制备一层耐高温的高温散斑a2。
步骤五，重复步骤三和步骤四直到打印结束，其中步骤三分别同步频率同步采集同时包含有高温散斑a1的基板6图像和包含有高温散斑a2的试件2图像。
步骤六，计算机 14对双远心镜头相机8通过双棱镜11所采集的带有视差的左右图像进行处理，使用3D-DIC方法计算出基体6和试件2的三维变形场。
步骤七，计算机4对CMOS相机5所采集的图像进行处理，使用2D-DIC方法（Experimental Mechanics, 2015, 55(6): 1105-1122.），将通过双棱镜7采集到的两个中心波长分别为λ1与λ2的不同波段的左右图像进行图像匹配,将该左右图像中对应实际观测表面中的同一点一一匹配起来，即可获得两图像中对应像素单元的灰度值，使用双波段比色测温方法测量全场的温度，获得基体6和试件2的温度场；
采用以下公式（信息与控制,2008,37(06):747-750+756.），使用两图像中对应的像素单元灰度值进行温度计算：
其中，T为开尔文温度，c2为第二辐射常数，λ1、λ2分别表示双棱镜7前表面701与前表面702上的窄带通滤光膜对应的中心波长，G1和G2分别表示通过双棱镜前表面701与前表面702所获得的两幅图像中相对应的一个像素单元的灰度值，K为所述标定系数可通过黑体炉标定获得（CN108871585A）。
步骤八，使用变形场和温度场空间位置匹配方法，具体步骤如下：
1.将双远心镜头相机8获得的图像的左图像或者右图像作为参考图像1；
2.将同一时刻CMOS相机5获得的图像的左图像或者右图像作为参考图像2；
3. 由步骤六与步骤七的计算可获得参考图像1内任意点位置对应的三维变形，参考图像2内任意点位置对应的温度值；
4. 裁剪参考图像1与参考图像2以保持一致；
5.使用2D-DIC的方法进行位置匹配，即可实现基体6和试件2的变形场与温度场空间点的一一对应。
本发明中的激光3D打印设备除了可采用五轴复合激光制造中心外，也可采用其它现有商业化的采用直接能量沉积方式的增材制造设备。
Claims (7)
1.一种激光近净成型过程中变形场-温度场同步在线监测方法，其特征是包括以下步骤：
步骤一，在用于激光打印制作试件的基板上预先用高温漆制备一层耐高温的第一高温散斑；
步骤二，利用半透半反镜将被测物体基板和试件表面发射出的光分成两束不同方向的透射光路和反射光路，将基板的第一高温散斑的一面和试件的被观测表面对准透射光路方向；利用第一双棱镜的两个前表面，用以将透射光路中的图像分成两个带有视差的左右图像；利用第二双棱镜的两个前表面上的不同中心波长的窄带通滤光膜，用以将反射光路中的图像分成两个不同波段的左右图像；
步骤三，利用激光3D打印设备在基板上逐层打印形成试件，控制第一相机从所述透射光路与第二相机从所述反射光路分别同步频率同步采集同时包含有第一高温散斑的基板图像和试件被观测表面的图像；
步骤四，在打印一定层数形成试件后，暂停激光打印，在试件的被观测表面用高温漆制备一层第二高温散斑；
步骤五，重复步骤三和步骤四直到打印结束，其中步骤三分别同步频率同步采集同时包含有第一高温散斑的基板图像和包含有第二高温散斑的试件图像；
步骤六，利用第一计算机对第一相机通过第一双棱镜所采集的两个带有视差的左右图像进行处理，使用三维数字图像相关方法计算出基体和试件的三维变形场；
步骤七，利用第二计算机对第二相机所采集的图像进行处理，使用二维数字图像相关方法，将通过第二双棱镜采集到的两个不同波段的左右图像中对应实际观测表面的同一点进行匹配，获得两个图像中对应像素单元的灰度值，根据对应像素单元的灰度值使用双波段比色测温方法测量全场的温度，获得基体和试件的温度场；
步骤八，使用变形场和温度场空间位置匹配方法，将同一时刻第一相机所采集图像的左图像或者右图像作为参考图像1和第二相机所采集图像的左图像或者右图像作为参考图像2，结合二维数字图像相关算法对参考图像1和参考图像2进行图像匹配，实现基体和试件的变形场和温度场空间点的一一对应。
2.根据权利要求1所述的激光近净成型过程中变形场-温度场同步在线监测方法，其特征是所述步骤一是在对基板进行无水乙醇超声清洗、干燥后再在所述基板上制备第一高温散斑。
3.根据权利要求1所述的激光近净成型过程中变形场-温度场同步在线监测方法，其特征是采用蓝光补光光源，用于对所述基板上的第一高温散斑图像和试件被测物体表面进行照射。
4.根据权利要求3所述的激光近净成型过程中变形场-温度场同步在线监测方法，其特征是在所述透射光路上采用截止片，以解决激光对所述第一相机带来的光晕和局部过曝光的影响。
5.根据权利要求4所述的激光近净成型过程中变形场-温度场同步在线监测方法，其特征是在所述透射光路上采用窄带通蓝光滤波片，用于过滤蓝光以外的幅射光，保留蓝光，并配合蓝光补光光源用于解决试件“成型”过程中金属熔融热辐射引起的大面积过曝光和数字图像相关计算中的“退相关”问题。
6.根据权利要求1所述的激光近净成型过程中变形场-温度场同步在线监测方法，其特征是采用UV保护镜，用于防护激光在打印试件过程中粉末冲击对所述半透半反镜、第一双棱镜、第二双棱镜、截止片、窄带通蓝光滤波片、第一相机和第二相机光学元件造成损伤。
7.根据权利要求6所述的激光近净成型过程中变形场-温度场同步在线监测方法，其特征是采用可升降式金属隔板，用于阻隔激光打印过程中飞溅的火星进入第一相机和第二相机拍摄区域。
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