CN210514099U

CN210514099U - 一种增材制造过程多传感离轴监测系统

Info

Publication number: CN210514099U
Application number: CN201920871527.XU
Authority: CN
Inventors: 孔令豹; 彭星
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2019-06-12
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2029-06-12

Abstract

本实用新型属于增材制造技术领域，具体为一种增材制造过程多传感离轴监测系统。包括窗口保护模块、第一分光模块、第二分光模块、红外成像模块、可见光成像模块、偏振成像模块、信号集成模块和数据融合与分析模块；红外成像模块包括红外镜头和红外探测器；可见光成像模块包括高分辨率可见光镜头和高分辨率CCD；偏振成像模块包括偏振镜头和偏振CCD。该系统利用高精度可见光、红外与偏振光融合成像的多传感器离轴监测手段，能够精确监测工件台表面状态以及成形零件中的孔洞、球化、裂纹等缺陷，对于增材制造过程中及时监测成型缺陷以及参数修正，具有极其重要的意义。

Description

一种增材制造过程多传感离轴监测系统

技术领域

本实用新型属于增材制造技术领域，具体涉及一种增材制造过程多传感离轴监测系统。

背景技术

金属增材制造技术从特殊功能零部件产品的单独定制到大规模生产中发挥着至关重要的作用，引起了工业界的持续关注。增材制造生产的零部件具有传统加工工艺无法实现的独特形状、复杂特性和轻量化结构。尽管增材制造的优势显而易见，但要实现大规模的工业化应用，还需要克服加工过程鲁棒性、稳定性和可重复性不足的障碍。在增材制造的过程中，零件的质量受到设备系统稳定性（如气氛环境、送粉和铺粉机构稳定性等）、工艺参数（如激光功率、扫描速度、扫描间距、加工层厚等）、原材料等多重影响。这些影响因素一旦得不到有效控制，便会在成形零件中形成孔洞、球化、裂纹等缺陷，严重影响工件最终成型质量。因此，要想获得高质量的增材制造零部件，必须对制造工艺过程中每一层的成形过程和成形质量进行监测。然而，增材制造过程复杂，伴随有高温、强光、粉末飞溅等现象，为加工过程的监测带来了很大难题。此外，增材制造表面特征具有多尺度、反射特性各异、几何特征复杂多变等特点，这也为增材制造工件表面质量的稳定评估和缺陷识别提出了各种挑战，目前国际尚未有统一测量标准。

为了监测加工工件的表面状态与零件内部缺陷，为增材制造工艺参数的调控提供条件，国内外业界提出了各种监测的手段。但是目前的研究主要集中在单纯采用高速相机、高温计和光电二极管进行同轴监测熔池状态，监测视场极小，不能有效监测整个工件平台表面状态，而且针对增材制造过程中复杂加工环境下高温高光等现象时常发生，监测的稳定性较差。

实用新型内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本实用新型的目的在于提供一种增材制造过程多传感离轴监测系统，既能够大视场下监测工件成型表面状态，又能够实现高精度分辨零件成型缺陷，有效克服高光、粉尘等复杂环境带来的监测阻碍。

本实用新型提供的增材制造过程多传感离轴监测系统，包括窗口保护模块10、第一分光模块 20、第二分光模块 30、红外成像模块40、可见光成像模块50、偏振成像模块60、信号集成模块70和数据融合与分析模块80；其中，所述红外成像模块40包括红外镜头41和红外探测器42；所述可见光成像模块50包括高分辨率可见光镜头51和高分辨率CCD 52；所述偏振成像模块60包括偏振镜头61和偏振CCD 62；所述红外镜头41连接红外探测器42，所述高分辨率可见光镜头51连接高分辨率CCD 52，所述偏振镜头61连接偏振CCD 62，所述信号集成模块70的一端分别连接红外探测器42、高分辨率CCD 52和偏振CCD 62，所述信号集成模块70的另一端连接数据融合与分析模块80。

本实用新型中，经第一分光模块20透射的光线进入偏振成像模块60，经第一分光模块20反射的光线进入第二分光模块30；所述经第二分光模块30透射的光线进入可见光成像模块50，经第二分光模块30反射的光线进入红外成像模块40。

本实用新型中，所述红外成像模块40、可见光成像模块50和偏振成像模块60分别获取的红外图像数据、可见光图像数据和偏振图像数据，经信号集成模块70整合进入计算机软件系统，通过数据融合与分析模块80，实现增材制造表面特征与微观缺陷的数据测量与分析。

本实用新型中，所述红外成像模块40、可见光成像模块50和偏振成像模块60进行视场匹配，便于图像进行配准融合。

本实用新型中，所述数据融合与分析模块80采用Laplace金字塔分解的图像融合算法，在融合过程中，金字塔的分解层数为3，高频部区域采用加权平均融合，低频区域采用算数平均方法进行融合。首先完成对图像的高斯金字塔分解，得到拉普拉斯金字塔分解图像；然后对拉普拉斯金字塔的高频系数和低频系数进行选择；最后通过融合后拉普拉斯金字塔，重构融合图像。

进一步地，所述第一分光模块20的光线透射与反射比的范围是3:7—5:5；所述第二分光模块30的光线透射与反射比的范围是3:7—5:5。

进一步地，所述红外探测器42具体可采用InGaAs焦平面，芯片规格是9.6mm×7.68mm，分辨率为320×256 pixels；所述高分辨率CCD 52的像元尺寸是1.1um，分辨率为7708×5352 pixels；所述偏振CCD 62的像元尺寸是3.45um，分辨率为2448×2048 pixels。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：

（1）本实用新型系统，利用高精度可见光、红外与偏振光融合成像的多传感器离轴监测手段，能够精确监测工件台表面状态以及成形零件中的孔洞、球化、裂纹等缺陷，对于增材制造过程中及时监测成型缺陷以及参数修正，具有极其重要的意义；

（2）本实用新型系统，通过采集可见光、红外和偏振图像数据并进行图像融合处理，可有效克服加工过程中高温、强光、粉末飞溅等现象带来的监测障碍，保证监测的精度和稳定性；

（3）本实用新型系统，通过三通道共窗口的设计保证了系统集成的紧凑性，监测系统的安装更加便捷。

附图说明

图1为本实用新型的增材制造过程多传感离轴监测系统示意图。

图2为本实用新型实施例中的红外成像模块模块的示意图。

图3为本实用新型实施例中的可见光成像模块的示意图。

图4为本实用新型实施例中的偏振成像模块的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例，如图1所示，一种增材制造过程多传感离轴监测系统，包括窗口保护模块10、第一分光模块 20、第二分光模块30、红外成像模块40、可见光成像模块50、偏振成像模块60、信号集成模块70和数据融合与分析模块80；进一步地，如图2所示，所述红外成像模块40包括红外镜头41和红外探测器42；进一步地，如图3所示，所述可见光成像模块50包括高分辨率可见光镜头51和高分辨率CCD 52；进一步地，如图4所示，所述偏振成像模块60包括偏振镜头61和偏振CCD 62；进一步地，所述红外镜头41连接红外探测器42，所述高分辨率可见光镜头51连接高分辨率CCD 52，所述偏振镜头61连接偏振CCD 62，所述信号集成模块70的一端分别连接红外探测器42、高分辨率CCD 52和偏振CCD 62，所述信号集成模块70的另一端连接数据融合与分析模块80。

进一步地，所述红外镜头41的焦距为50mm，F数为1.4；所述高分辨率可见光镜头51的焦距为50mm，F数为2.8；所述偏振镜头61的焦距为50mm，F数为2.8。

进一步地，所述第一分光模块20的光线透射与反射比是3:7；所述第二分光模块30的光线透射与反射比是5:5；所述第一经分光模块 20透射的光线进入偏振成像模块60，经第一分光模块20反射的光线进入第二分光模块30；所述经第二分光模块30透射的光线进入可见光成像模块50，经第二分光模块30反射的光线进入红外成像模块40。

进一步地，所述红外探测器42采用InGaAs焦平面，芯片规格是9.6mm×7.68mm，分辨率为320×256 pixels；所述高分辨率CCD 52的像元尺寸是1.1um，分辨率为7708×5352pixels；所述偏振CCD 62的像元尺寸是3.45um，分辨率为2448×2048 pixels。

进一步地，所述红外成像模块40、可见光成像模块50和偏振成像模块60分别获取的红外图像数据、可见光图像数据和偏振图像数据经信号集成模块70整合进入计算机软件系统，通过开发的数据融合与分析模块80，实现增材制造表面特征与微观缺陷的数据测量与分析。

进一步地，所述数据融合与分析模块80采用Laplace金字塔分解的图像融合方法，在融合过程中，金字塔的分解层数为3，高频部区域采用加权平均融合，低频区域采用算数平均方法进行融合。首先完成对图像的高斯金字塔分解，得到拉普拉斯金字塔分解图像；然后对拉普拉斯金字塔的高频系数和低频系数进行选择；最后通过融合后拉普拉斯金字塔，重构融合图像。

进一步地，所述红外成像模块40、可见光成像模块50和偏振成像模块60进行视场匹配，便于图像进行配准融合。

上述实施例仅为本实用新型的一种实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种增材制造过程多传感离轴监测系统，其特征在于，包括窗口保护模块（10）、第一分光模块（20）、第二分光模块（30）、红外成像模块（40）、可见光成像模块（50）、偏振成像模块（60）、信号集成模块（70）和数据融合与分析模块（80）；其中，所述红外成像模块（40）包括红外镜头（41）和红外探测器（42）；所述可见光成像模块（50）包括高分辨率可见光镜头（51）和高分辨率CCD（52）；所述偏振成像模块（60）包括偏振镜头（61）和偏振CCD（62）；所述红外镜头（41）连接红外探测器（42），所述高分辨率可见光镜头（51）连接高分辨率CCD（52），所述偏振镜头（61）连接偏振CCD（62），所述信号集成模块（70）的一端分别连接红外探测器（42）、高分辨率CCD（52）和偏振CCD（62），所述信号集成模块（70）的另一端连接数据融合与分析模块（80）。

2.根据权利要求1所述的增材制造过程多传感离轴监测系统，其特征在于，经第一分光模块（20）透射的光线进入偏振成像模块（60），经第一分光模块（20）反射的光线进入第二分光模块（30）；所述第二分光模块（30）透射的光线进入可见光成像模块（50），经第二分光模块（30）反射的光线进入红外成像模块（40）。

3.根据权利要求2所述的增材制造过程多传感离轴监测系统，其特征在于，所述红外成像模块（40）、可见光成像模块（50）和偏振成像模块（60）分别获取的红外图像数据、可见光图像数据和偏振图像数据经信号集成模块（70）整合进入计算机软件系统，通过数据融合与分析模块（80），实现增材制造表面特征与微观缺陷的数据测量与分析。

4.根据权利要求1-3之一所述的增材制造过程多传感离轴监测系统，其特征在于，所述第一分光模块（20）的光线透射与反射比的范围是3:7—5:5；所述第二分光模块（30）的光线透射与反射比的范围是3:7—5:5。

5.根据权利要求1-3之一所述的增材制造过程多传感离轴监测系统，其特征在于，所述红外探测器（42）是InGaAs焦平面，芯片规格是9.6mm×7.68mm，分辨率为320×256 pixels；所述高分辨率CCD（52）的像元尺寸是1.1um，分辨率为7708×5352 pixels；所述偏振CCD（62）的像元尺寸是3.45um，分辨率为2448×2048 pixels。