CN116930215A - 一种基于微波检测的slm粉层缺陷识别系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微波检测的SLM粉层缺陷识别系统及方法，其特征在于，所述系统包括：粉缸、微波模块、信号采集模块、计算模块、提示模块和电源模块；所述微波模块包括波导探头和定向耦合器；所述微波模块设置在粉缸顶部；所述信号采集模块连接微波模块与计算模块；所述计算模块连接提示模块。本申请通过微波检测技术对SLM粉层缺陷进行识别，解决传统缺陷识别检测速度慢、需要耦合剂、容易受对象的表面状态影响的问题。
Description
技术领域
本发明涉及缺陷检测领域，设计了一种基于微波检测的SLM粉层缺陷识别系统及方法。
背景技术
SLM（Selective Laser Melting，激光选区融化）技术具备制造周期短、不受复杂结构限制、成型件精度高、表面粗糙低等优点从而被广泛应用于制造高端装备零件中，但是在SLM制件中，进行铺粉操作后的粉层容易产生缺陷，包括凹形缺陷、凸形缺陷、供粉不足、供粉过多、翘曲和存在杂质，这会导致最终成型件的缺损和歪斜情况的发生，所以针对粉层缺陷进行缺陷检测有重大意义。
微波检测是利用微波在传播过程中，遇到对象非连续处而产生反射、透射、散射的特征以及对象的电磁特性（介电常数和损耗的相对变化）而提出的一种新型无损检测技术，具有检测频谱宽、穿透力强、灵敏度高、非接触、无需耦合剂等特点，同时具有检测速度高、受环境影响小以及绿色环保的优点。
现有对于SLM粉层的检测为超声检测、声发射检测或红外检测等，存在检测速度慢、需要耦合剂、容易受对象的表面状态影响等缺陷，而且针对SLM粉层缺陷识别方法需要依靠人工进行缺陷识别，无法做到对SLM铺粉操作进行实时监控，存在遗漏检、误检、实时性差、效率低的问题，因此缺少一种能针对SLM粉层缺陷快速且精准的智能缺陷识别方案，以便更好解决实际生产实践中粉层缺陷检测低效的技术问题。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提出一种基于微波检测的SLM粉层缺陷识别系统及方法，本发明设计的技术方案包括：
一种基于微波检测的SLM粉层缺陷识别系统包括：粉缸、微波模块、信号采集模块、计算模块、提示模块和电源模块；所述微波模块包括波导探头和定向耦合器；所述微波模块设置在粉缸顶部；所述信号采集模块连接微波模块与计算模块；所述计算模块连接提示模块；所述电源模块用于提供所述粉缸、微波模块、信号采集模块和计算模块的工作电压；所述波导探头用于输出微波信号并接收反射的微波信号；所述定向耦合器用于将所述输出微波信号与反射的微波信号独立；所述信号采集模块用于接收所述独立后的反射微波信号并记录储存，然后输入到计算模块；所述计算模块用于对所述独立后的反射微波信号进行计算然后提取缺陷特征；所述提示模块用于接收所述缺陷特征然后对用户进行提示。
优选地，所述波导探头为长方形探头，设置在粉缸顶部的中心，直接开口辐射到粉缸，所述波导探头尺寸为15mm×11mm×11mm，设置两个端口，分别为发射微波端口与接收反射微波端口。
优选地，所述电源模块完成AC/DC变换功能，将220V交流电转换为12V直流电给所述系统提供工作电压。
本发明还另外提供一种基于微波检测的SLM粉层缺陷识别方法，应用于上述的一种基于微波检测的SLM粉层缺陷识别系统，所述方法包括以下步骤：
S10：所述电源模块启动，提供所述粉缸、微波模块、信号采集模块和计算模块的工作电压；
S20：所述波导探头输出微波信号并接收反射的微波信号；
S30：所述定向耦合器将所述输出的微波信号与反射的微波信号独立；
S40：所述信号采集模块接收所述独立后的反射微波信号并记录储存，然后输入到计算模块；
S50：所述计算模块对所述独立后的反射微波信号进行计算然后提取缺陷特征；
S60：所述提示模块用于接收所述缺陷特征然后对用户进行提示。
优选地，在执行所述S20时，所述波导探头输出微波信号采用线性蛇形发射的方式对粉层进行扫描，以粉层中心点为原点建立xy坐标轴，发射微波按照设定的步长进行移动，首先向x轴移动，到达设定的x步长后，向y轴移动，到达设定的y步长，重复进行移动操作，直到到达设定终点位置结束。
优选地，在执行所述S50时，所述计算模块接收所述独立后的反射微波信号后，计算每个检测位置中的反射率然后写入图像矩阵，对所述图像矩阵进行分析判断是否存在缺陷和缺陷类型。
优选地，所述计算每个检测位置中的反射率然后写入图像矩阵包括：
通过所述独立后的反射微波信号计算反射率，公式为：
式中，为反射信号，/>为入射信号；/>为反射率；
然后以粉层中心点为原点建立xy坐标轴，将反射率结果写入图像矩阵，公式为：
式中，为检测点坐标，以粉层中心点为原点建立xy坐标轴。
优选地，所述对所述图像矩阵进行分析判断包括：设置凸阈值与凹阈值，凸阈值大于凹阈值；当某位置点的反射率处于凸阈值与凹阈值间，判断为正常范围状态；当所述某位置点的反射率高于凸阈值，判断为凸形缺陷状态；当所述某位置点的反射率低于凹阈值，判断为凹形缺陷状态；当某位置点连续5次及5次以上判断为凸形缺陷状态或凹形缺陷状态，更新判断为翘曲缺陷状态。
优选地，所述缺陷特征包括凸形缺陷状态、凹形缺陷状态和翘曲缺陷状态；所述提示模块接收到凸形缺陷状态后，给出更换刮板的提示；所述提示模块接收到凹形缺陷状态后，给出重新铺粉的提示和铺粉规划；所述提示模块接收到翘曲缺陷状态后，给出取消该加工零件的提示。
有益效果：
1、本发明通过利用微波检测技术对SLM粉层缺陷进行识别，解决传统缺陷识别检测速度慢、需要耦合剂、容易受对象的表面状态影响的问题；
2、本发明通过一种基于微波检测的SLM粉层缺陷识别方法利用每个检测点的反射率来筛选缺陷类型，针对SLM融化一层粉末的时间为1~2分钟，能快速识别并筛选缺陷，达到实时监测SLM粉层状态；
3、本发明通过提示模块接收缺陷特征然后对用户进行提示，针对不同缺陷类型提供不同的操作方案给与用户，并且还提供了铺粉规划，提高后续解决缺陷的效率。
附图说明
图1是本发明一种基于微波检测的SLM粉层缺陷识别系统的架构示意图；
图2是本发明一种基于微波检测的SLM粉层缺陷识别方法的流程示意图；
图3是本发明一种基于微波检测的SLM粉层缺陷识别方法的波导探头输出微波信号的示意图；
图4是本发明一种基于微波检测的SLM粉层缺陷识别方法的输出微波信号并接收反射微波信号的示意图；
图5是本发明一种基于微波检测的SLM粉层缺陷识别方法的缺陷识别的时序示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，下述的实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明设计了一种基于微波检测的SLM粉层缺陷识别系统及方法，技术方案包含以下步骤，具体包括：
如图1所示，一种基于微波检测的SLM粉层缺陷识别系统包括：粉缸、微波模块、信号采集模块、计算模块、提示模块和电源模块；微波模块包括波导探头和定向耦合器；微波模块设置在粉缸顶部；信号采集模块连接微波模块与计算模块；计算模块连接提示模块；电源模块用于提供粉缸、微波模块、信号采集模块和计算模块的工作电压；波导探头用于输出微波信号并接收反射的微波信号；定向耦合器用于将输出微波信号与反射的微波信号独立；信号采集模块用于接收独立后的反射微波信号并记录储存，然后输入到计算模块；计算模块用于对独立后的反射微波信号进行计算然后提取缺陷特征；提示模块用于接收缺陷特征然后对用户进行提示。
具体的，波导探头用于发射微波信号和接收回传的微波信号，微波信号为直流电信号，波导探头为长方形探头，设置在粉缸顶部的中心，直接开口辐射到粉缸，波导探头尺寸为15mm×11mm×11mm，设置两个端口，分别为发射微波端口与接收反射微波端口。定向耦合器用于将回传微波信号独立，使其不受发射微波信号的影响；工作频率范围为25GHz~30GHz，频率处于本发明微波的范围，具有良好的方向性和隔离性，保证发射微波信号与回传微波信号互不干扰电源模块包括：电源模块完成AC/DC变换功能，将220V交流电转换为12V直流电给系统提供工作电压。数据采集模块用于采集微波模块输出的反射微波信号并储存，能真实完整的记录微波信号，提高检测鲁棒性，然后转换为交流电信号输入计算模块进行缺陷；
如图2所示，一种基于微波检测的SLM粉层缺陷识别方法，方法包括以下步骤：S10：电源模块启动，提供粉缸、微波模块、信号采集模块和计算模块的工作电压；S20：波导探头输出微波信号并接收反射的微波信号；S30：定向耦合器将输出的微波信号与反射的微波信号独立；S40：信号采集模块接收独立后的反射微波信号并记录储存，然后输入到计算模块；S50：计算模块对独立后的反射微波信号进行计算然后提取缺陷特征；S60：提示模块用于接收缺陷特征然后对用户进行提示。
具体的，如图3-4所示，波导探头在极短的时间内对粉层发射脉冲，测量每个点的高度判断粉层厚度大小和厚度是否均匀，可以产生不同的回波判断出是否有缺陷，可以根据回波判断出粉层是否存在缺陷、缺陷类型和缺陷位置。铺粉层厚度：铺粉层厚度对成型件的致密度、拉伸性能、微观组合、成形质量和效率有重要的影响，过厚会导致成型件各种性能降低、过薄会导致成型件发生重熔和翘曲。波导探头输出微波信号采用线性蛇形发射的方式对粉层进行扫描，以粉层中心点为原点建立xy坐标轴，发射微波按照设定的步长进行移动，首先向x轴移动，到达设定的x步长后，向y轴移动，到达设定的y步长，重复进行移动操作，直到到达设定终点位置结束。S50包括：计算模块接收独立后的反射微波信号后，计算每个检测位置中的反射率然后写入图像矩阵，对图像矩阵进行分析判断是否存在缺陷和缺陷类型。计算每个检测位置中的反射率然后写入图像矩阵包括：通过独立后的反射微波信号计算反射率，公式为：
式中，为反射信号，/>为入射信号；/>为反射率；
然后以粉层中心点为原点建立xy坐标轴，将反射率结果写入图像矩阵，公式为：
式中，为检测点坐标，以粉层中心点为原点建立xy坐标轴。
优选地，对图像矩阵进行分析判断包括：
设置凸阈值与凹阈值，凸阈值大于凹阈值；当某位置点的反射率处于凸阈值与凹阈值间，判断为正常范围状态；当某位置点的反射率高于凸阈值，判断为凸形缺陷状态；当某位置点的反射率低于凹阈值，判断为凹形缺陷状态；当某位置点连续5次及5次以上判断为凸形缺陷状态或凹形缺陷状态，更新判断为翘曲缺陷状态。
优选地，S60包括：
缺陷特征包括凸形缺陷状态、凹形缺陷状态和翘曲缺陷状态；提示模块接收到凸形缺陷状态后，给出更换基板的提示；提示模块接收到凹形缺陷状态后，给出重新铺粉的提示和铺粉规划；提示模块接收到翘曲缺陷状态后，给出取消该加工零件的提示。
具体的，如图5所示，增添双阈值，设置凸阈值和凹阈值/>，当/>，系统判断无缺陷表征，不给予提示，系统正常运作；当/>，判断为凸形缺陷状态，由于对整体加工过程影响小，所以只给出更换刮板的提醒；当/>，系统判断为凹形缺陷，对于供粉不足缺陷则会根据面积的大小重新规划铺粉方案并重新铺粉；对于翘曲，系统在某位置点连续5次及5次以上判断为凸形缺陷状态或凹形缺陷状态，更新判断为翘曲缺陷状态，取消该加工零件，因为翘曲不仅可能导致零件加工失败，甚至会导致硬件设备的损坏，需要及时提醒并控制系统停机。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于微波检测的SLM粉层缺陷识别系统，其特征在于，包括：粉缸、微波模块、信号采集模块、计算模块、提示模块和电源模块；所述微波模块包括波导探头和定向耦合器；所述微波模块设置在粉缸顶部；所述信号采集模块连接微波模块与计算模块；所述计算模块连接提示模块；
所述电源模块用于提供所述粉缸、微波模块、信号采集模块和计算模块的工作电压；
所述波导探头用于输出微波信号并接收反射的微波信号；
所述定向耦合器用于将所述输出微波信号与反射的微波信号独立；
所述信号采集模块用于接收所述独立后的反射微波信号并记录储存，然后输入到计算模块；
所述计算模块用于对所述独立后的反射微波信号进行计算然后提取缺陷特征；
所述提示模块用于接收所述缺陷特征然后对用户进行提示。
2.根据权利要求1所述的一种基于微波检测的SLM粉层缺陷识别系统，其特征在于，所述波导探头为长方形探头，设置在粉缸顶部的中心，直接开口辐射到粉缸，所述波导探头尺寸为15mm×11mm×11mm，设置两个端口，分别为发射微波端口与接收反射微波端口。
3.根据权利要求1所述的一种基于微波检测的SLM粉层缺陷识别系统，其特征在于，所述电源模块完成AC/DC变换功能，将220V交流电转换为12V直流电给所述系统提供工作电压。
4.一种基于微波检测的SLM粉层缺陷识别方法，其特征在于，应用于如权利要求1所述的一种基于微波检测的SLM粉层缺陷识别系统，所述方法包括以下步骤：
S10：所述电源模块启动，提供所述粉缸、微波模块、信号采集模块和计算模块的工作电压；
S20：所述波导探头输出微波信号并接收反射的微波信号；
S30：所述定向耦合器将所述输出的微波信号与反射的微波信号独立；
S40：所述信号采集模块接收所述独立后的反射微波信号并记录储存，然后输入到计算模块；
S50：所述计算模块对所述独立后的反射微波信号进行计算然后提取缺陷特征；
S60：所述提示模块用于接收所述缺陷特征然后对用户进行提示。
5.根据权利要求4所述的一种基于微波检测的SLM粉层缺陷识别方法，其特征在于，在执行所述S20时，所述波导探头输出微波信号采用线性蛇形发射的方式对粉层进行扫描，以粉层中心点为原点建立xy坐标轴，发射微波按照设定的步长进行移动，首先向x轴移动，到达设定的x步长后，向y轴移动，到达设定的y步长，重复进行移动操作，直到到达设定终点位置结束。
6.根据权利要求4所述的一种基于微波检测的SLM粉层缺陷识别方法，其特征在于，在执行所述S50时，所述计算模块接收所述独立后的反射微波信号后，计算每个检测位置中的反射率然后写入图像矩阵，对所述图像矩阵进行分析判断是否存在缺陷和缺陷类型。
7.根据权利要求6所述的一种基于微波检测的SLM粉层缺陷识别方法，其特征在于，所述计算每个检测位置中的反射率然后写入图像矩阵包括：
通过所述独立后的反射微波信号计算反射率，公式为：
式中，为反射信号，/>为入射信号；/>为反射率；
然后以粉层中心点为原点建立xy坐标轴，将反射率结果写入图像矩阵，公式为：
式中，为检测点坐标，以粉层中心点为原点建立xy坐标轴。
8.根据权利要求6所述的一种基于微波检测的SLM粉层缺陷识别方法，其特征在于，所述对所述图像矩阵进行分析判断包括：
设置凸阈值与凹阈值，凸阈值大于凹阈值；当某位置点的反射率处于凸阈值与凹阈值间，判断为正常范围状态；当所述某位置点的反射率高于凸阈值，判断为凸形缺陷状态；当所述某位置点的反射率低于凹阈值，判断为凹形缺陷状态；当某位置点连续5次及5次以上判断为凸形缺陷状态或凹形缺陷状态，更新判断为翘曲缺陷状态。
9.根据权利要求4或8所述的一种基于微波检测的SLM粉层缺陷识别方法，其特征在于，所述缺陷特征包括凸形缺陷状态、凹形缺陷状态和翘曲缺陷状态；所述提示模块接收到凸形缺陷状态后，给出更换刮板的提示；所述提示模块接收到凹形缺陷状态后，给出重新铺粉的提示和铺粉规划；所述提示模块接收到翘曲缺陷状态后，给出取消该加工零件的提示。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 铁道部劳动和卫生司等: "《钢轨探伤工》", 中国铁道出版社, pages: 200 - 201 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116930215B (zh) | 2023-12-08 |
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