CN117066652A - 一种电弧增材中熔覆层与熔池同时观察方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种电弧增材中熔覆层与熔池同时观察方法及装置。该装置中：第一CCD相机设置为低曝光、小增益模式，并在第一CCD相机前加一个高通红外滤光片，使电弧光影响得到有效降低；第二CCD相机设置为高曝光、大增益模式，依靠熔覆层反射的电弧光进行成像。本发明基于泊松融合算法，对第一CCD相机拍摄的熔池图像与第二CCD相机拍摄的熔覆层图像进行选区拼接，实现了增材制造过程中熔覆层与熔池的同时观察。本发明结构简单，可以广泛应用于电弧增材自动化领域。

Description

一种电弧增材中熔覆层与熔池同时观察方法及装置

技术领域

本发明涉及增材技术领域。更具体涉及为一种电弧增材中熔覆层与熔池同时观察方法及装置。

背景技术

增材制造技术作为一种可以将复杂几何形状零件快速成形的高效方法正在迅猛发展，而电弧增材是用电弧作为热源，金属丝材作为填充材料形成工件的加工方法，是增材制造中一种极为重要的技术，在电弧增材过程中实现增材区域熔覆层与熔池的同时监控能够为操作者提供更多视觉信息，不仅有助于操作者判断增材成形质量，还能使其观察到实际增材路径与预定路径间的偏差，进而实现对增材工艺参数、增材路径的即时调整，对电弧增材自动化领域具有重要意义。

然而，由于电弧增材过程中会产生强烈的电弧光，常规单目相机的感光度有限，在实现熔覆层区域成像后无法对熔池区域成像；同样，在实现熔池区域成像后无法对熔覆层区域成像。本发明一种电弧增材中熔覆层与熔池同时观察方法及装置基于双目CCD相机，能够实现熔覆层与熔池的同时观察，对操作者实时判断增材质量、增材路径具有重要的指导作用，并且可以广泛应用于增材自动化领域。

现有技术中对增材过程中熔覆层与熔池同时观察问题的解决方法为：通过外加主动光源，持续或间接性的照亮增材区域，使得周围环境亮度极大提升，减弱了电弧光与周围环境对比度，将熔覆层与熔池可视化，但是由于电弧光太强，所采用外接光源需要满足一定条件，如要与镜头光轴形成一定夹角；外接光源波长要根据不同材料进行选择等，照明光源，设备复杂，大大增加了使用条件，不利于电弧增材自动化发展。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种熔覆层与熔池同时观察方法及装置，该方法能够在实现熔池动态观察的同时，对熔覆层也实现实时观察。

为实现上述目的，本发明提供了具体技术解决方案：

一种电弧增材中熔覆层与熔池同时观察装置，包括PC端，第一CCD相机、第二CCD相机、信号线、网线、分光镜、全反镜、交换机、数据采集卡和850nm高通红外滤光片。PC端通过网线连接交换机，通过信号线与数据采集卡相连。交换机通过网线分别与第一CCD相机、第二CCD相机连接；数据采集卡通过信号线分别与第一CCD相机、第二CCD相机连接。

进一步的，在第一CCD相机前加装一个850nm高通滤光片，能够极大地降低电弧光干扰。

进一步的，将一个透反射比为1:1的分光镜放置于第一CCD相机前，一个全反镜放置于第二CCD相机前，分光镜所在平面与第一CCD相机镜头平面夹角为45°，分光镜与全反镜等间距平行放置。

进一步的，第一CCD相机与第二CCD相机等间距平行放置，并使其在同一水平面。第一CCD相机具有低曝光、小增益的特点，有益于熔池清晰成像；第二CCD相机具有高曝光、大增益的特点，有益于熔覆层清晰成像。

一种电弧增材中熔覆层与熔池同时观察方法，具体包括以下步骤：

步骤一：PC端发出拍摄指令，所述数据采集卡发出TTL高低电平信号；

步骤二：第一CCD相机与第二CCD相机响应于高电平信号同时触发拍摄，得到第一原始图像和第二原始图像。

步骤三：基于张正友标定法对第一CCD相机与第二CCD相机进行标定，获取第一CCD相机与第二CCD相机的内外参数。

步骤四：基于步骤三得到的第一CCD相机与第二CCD相机的内外参数分别对第一原始图像和第二原始图像进行校准，得到第一图像和第二图像。

步骤五：对第一图像中的熔池区域进行ROI区域提取；

将第一图像中的熔池部分与第二图像中的熔覆层部分进行选区拼接，实现增材过程中熔覆层与熔池的同时观察。

步骤六：基于泊松融合算法，对第一图像中的ROI区域与第二图像进行融合。

式中，Ω为融合后图像中的ROI区域；f与f^*分别为融合后图像在Ω内外的像素值；为Ω的外边界区域；/>为图像的梯度算子；/>分别为第二图像和ROI图像的梯度向量场；/>为约束条件。

进一步的，步骤五中的，选取拼接方案实现步骤为：

第一步，对第一图像和第二图像进行中值滤波处理；

第二步，基于Otsu大津算法，对第一步中值滤波处理后图像进行自适应阈值分割，得到二值化图像。

第三步：基于Canny算法对上述步骤中二值化处理后图像进行边缘检测。

第四步：进行形态学膨胀处理，最终处理后图像中，由边缘所围成的区域即为熔池，将该区域进行ROI提取。

第五步：基于泊松融合算法，对第一图像中的ROI区域与中值滤波处理后的第二图像进行选取融合。计算公式为：

式中，Ω为融合后图像中的ROI区域；f与f^*分别为融合后图像在Ω内外的像素值；为Ω的外边界区域；/>为图像的梯度算子；/>分别为第二图像和ROI图像的梯度向量场；/>为约束条件。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明通过设计分光光路系统，一方面大大降低了电弧光对相机成像的影响，有益于设备对熔池与熔覆层清晰成像；另一方面，由于第一CCD相机与第二CCD相机所接受的光都来自于分光镜，所以保证了第一CCD相机于第二CCD相机所成图像之间拍摄区域与视场完全相同，无需进行图像配准，有效保证了后期图像融合质量。

(2)本发明针对各区域，使用不同成像方式，有效增加了第一CCD相机与第二CCD相机成像中的可视区域。第一CCD相机设置为低曝光、小增益模式，并且加装一个850nm红外高通滤光片，能够极大地过滤电弧光，实现熔池清晰成像；而对于透过分光镜的光，使用一个全反镜将透过光全反射用于第二CCD相机成像，第二CCD相机设置为高曝光、大增益模式，实现了熔覆层清晰成像。

(3)本发明通过使用泊松融合算法，将第一CCD相机所拍摄的熔池范围图像进行ROI提取并融合到第二CCD相机所拍摄的图像中，实现了电弧增材过程中熔覆层与熔池同时清晰成像，为操作者提供更多视觉信息，同时本发明装置结构简单、安装方便，可以在电弧增材自动化领域广泛使用。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1为本发明的一种电弧增材中熔覆层与熔池同时观察装置的结构示意图。

图2是电弧增材中熔覆层与熔池同时观察方法的流程图。

熔池区域(1)、分光镜(2)、全反镜(3)、850nm高通红外滤光片(4)、相机镜头(5)、第一CCD相机(6)、第二CCD相机(7)、网线(8)、信号线(9)、交换机(10)、数据采集卡(11)和PC端(12)。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

如图1所示，本发明的一种电弧增材中熔覆层与熔池同时观察装置。具体包括分光镜2、全反镜3、850nm高通红外滤光片4、相机镜头5、第一CCD相机6、第二CCD相机7、网线8、信号线9、交换机10、数据采集卡11和PC端12；1为熔池区域示意图。PC端12通过网线8连接交换机，通过信号线9与数据采集卡11相连。交换机10通过网线8分别与第一CCD相机6、第二CCD相机7连接；数据采集卡通过信号线分别与第一CCD相机、第二CCD相机连接。在第一CCD相机前放置一分光镜，其透反射比为1:1，第二CCD相机前放置一全反镜。分光镜所在平面与第一CCD相机镜头所在平面所成夹角为45°，分光镜与全分镜平行等间距放置。第一CCD相机设置为低曝光、小增益模式；第二CCD相机设置为高曝光、大增益模式。增材过程中，电弧光和熔池反射光被分光镜一分为二，一份经过850nm高通红外滤光镜被第一CCD相机接收，用于熔池区域成像；另一份经过全反镜被第二CCD相机接收，用于熔覆层区域成像。对第一CCD相机采集的图像针对熔池区域进行ROI(感兴趣区域)提取，采用泊松融合算法对第一CCD相机采集的ROI区域与第二CCD相机采集的图像进行融合，最终得到熔池区域和熔覆层区域可同时观察的图像。

本发明提供了一种电弧增材中熔覆层与熔池同时观察方法，具体包括以下步骤：

(1)PC端发出拍摄指令，响应于该指令，数据采集卡会发出一个TTL电平信号。

(2)第一CCD相机与第二CCD相机接收到TTL高电平信号，同时进行拍摄。第一CCD相机所获取的图像为第一原始图像；第二CCD相机所获取的图像为第二原始图像。

(3)采用棋盘格标定板，基于张正友标定法分别对第一CCD相机和第二CCD相机进行标定，获得第一、第二CCD相机的内参和外参。

(4)由步骤三获得相机内外参数分别对第一原始图像和第二原始图像进行校正，校正后图像为第一图像和第二图像。

(5)对第一图像中的熔池区域进行ROI区域提取。具体包括以下步骤：

步骤一：对第一图像和第二图像进行中值滤波处理；

步骤二：基于Otsu大津算法，对步骤一中值滤波处理后图像进行自适应阈值分割，得到二值化图像。

步骤三：基于Canny算法对上述步骤中二值化处理后图像进行边缘检测。

步骤四：进行形态学膨胀处理，最终处理后图像中，由边缘所围成的区域即为熔池，将该区域进行ROI提取。

(6)基于泊松融合算法，对第一图像中的ROI区域与第二图像进行融合。计算公式为：

式中，Ω为融合后图像中的ROI区域；f与f^*分别为融合后图像在Ω内外的像素值；为Ω的外边界区域；/>为图像的梯度算子；/>分别为第二图像和ROI图像的梯度向量场；/>为约束条件。

Claims (8)

1.一种电弧增材中熔覆层与熔池同时观察装置，其特征在于，

包括数据采集卡；

所述数据采集卡与交换机并联，数据采集卡与交换机两端分别连接PC端和双CCD相机；

数据采集卡发出高低电平信号TTL，当接收PC端发出的拍摄指令后，数据采集卡发出一个TTL信号同时控制双CCD相机进行拍摄；

第一CCD相机前安装有分光镜、高通滤光片；

第二CCD相机前安装一个全反镜，使透过分光镜的光全部被第二CCD相机捕获，用于熔覆层成像。

2.根据权利要求1所述的电弧增材中熔覆层与熔池同时观察装置，其特征在于，双CCD相机等间距平行放置，并使其在同一水平面。

3.根据权利要求1所述的电弧增材中熔覆层与熔池同时观察装置，其特征在于，第一CCD相机相机具有第一曝光时长、第一增益幅值；第二CCD相机相机具有第二曝光时长、第二增益幅值。

4.根据权利要求3所述的电弧增材中熔覆层与熔池同时观察装置，其特征在于，增材过程中，所述第一CCD相机用于熔池区域成像，所述第二CCD相机用于熔覆层区域成像；所述第一曝光时长小于第二曝光时长，第一增益幅值小于第二增益幅值。

5.根据权利要求1所述的电弧增材中熔覆层与熔池同时观察装置，其特征在于，第一CCD相机前安装有分光镜的透反射比为透过光：反射光＝1:1。

6.根据权利要求1所述的电弧增材中熔覆层与熔池同时观察装置，其特征在于，高通滤光片为850nm高通滤光片。

7.一种基于权利要求1-6任一项电弧增材中熔覆层与熔池同时观察装置的观察方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)PC端发出拍摄指令，响应于该指令，数据采集卡会发出一个TTL电平信号；

(2)第一CCD相机与第二CCD相机接收到TTL高电平信号，同时进行拍摄；第一CCD相机所获取的图像为第一原始图像；第二CCD相机所获取的图像为第二原始图像；

(3)采用棋盘格或圆点标定板，基于张正友标定法分别对第一CCD相机和第二CCD相机进行标定，获得第一、第二CCD相机的内参和外参；

(4)由步骤三获得相机内外参数分别对第一原始图像和第二原始图像进行校正，校正后图像为第一图像和第二图像；

(5)对第一图像中的熔池区域进行ROI区域提取；

(6)基于泊松融合算法，对第一图像中的ROI区域与第二图像进行融合；

式中，Ω为融合后图像中的ROI区域；f与f^*分别为融合后图像在Ω内外的像素值；为Ω的外边界区域；/>为图像的梯度算子；/>分别为第二图像和ROI图像的梯度向量场；为约束条件。

8.根据权利要求7所述的电弧增材中熔覆层与熔池同时观察装置的观察方法，其特征在于，(5)中，对第一图像中的熔池区域进行ROI区域提取；具体包括以下步骤：

步骤一：对第一图像进行中值滤波处理；

步骤二：基于Otsu大津算法，对步骤一中值滤波处理后图像进行自适应阈值分割，得到二值化熔池区域图像；

步骤三：基于Canny算法对上述步骤中二值化处理后图像进行边缘检测；

步骤四：进行形态学膨胀处理，最终处理后图像中，由边缘所围成的区域即为熔池，将该区域进行ROI提取。