金屬粉末雷射成形過程中溫度場檢測方法及其系統裝置的製作方法

2023-07-12 15:51:41

專利名稱：金屬粉末雷射成形過程中溫度場檢測方法及其系統裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及金屬粉^^十M^^技稱S^場的與,測溫技術,具體猴一種金 屬粉* 快1|^^加工謝呈中^^場檢測方法及其系^^4。
技術背景金屬粉 ^^技術，出現於20世紀90年f^期，是基於feW^技7^^礎的一門tffl;口工製造技術，其獨特的金屬零件加工特點fM近年來得到了廣大禾械院所等 的普遍關注、研Mi^用。金屬粉^i^^是一個多因素影響的加Xit程，例如加工 工藝錄變化，環境剝牛的不穩定等都會影響^^牛的質量，且^^續的加工繼中由 刊吳差的累計往往導 ^牛的質量或精度達不到要求，因而建立加xii程實^^測控 制系^^其必要。實踐證明，溫度場分布皿咖口工過程條件的一個重要##:,穩定的 ,能德鵬綱質量M寸精度要求。測溫方法有兩種，接觸式測溫和4瞎觸式測溫，根據,口工過程環境複雜，應躺 一瞎觸式測&$法。目前，在十M^^方蹈瞎維工外鄉踐錯究熱門，已有研究部門 利用紅夕1 1瞎進行測溫，但是該儀器勁口工環境幹擾駄，ilitt高。基於雙波長的紅 外圖像比色測^i"法目前已對報、冶，自*^行^^場的檢測，在feM^加工過 程中的應用迅朱見報導，主要約東在於^^場破變化範圍大、4賜範圍狹小、力口XJf橫制牛惡劣等因素，因]i謹於雙波長的紅外圖像比色測i駄法^l^十M^^謝呈中的應用 是一項新的^it檢測技術。 發明內容本發明的目的在於銜共一種能夠在金屬粉^fcfM^^i^中實時檢測熔池^^
場的分布及變《後勢,絲而對其加xii程^^進行實時a^調整的檢測方法及其系 本發明的技術方案包括金屬粉末t^^繼中^^場檢測方法:採用雙波長紅外圖像比色測》駄法，通過將兩種波長的濾光片分時交對立於釆絲路中，有步驟的連續採集來自於兩種波長的熔池 的圖像，再對來自不同波長的兩幅紅外圖像進行M比色計算,根據比色值與i^^值的關 系，求得圖像Ji各點的&^值，用^^銜鏡^^i^^M圖像，再對所形成的被圖 像進行圖像處理，進而求其形狀和^^場變ftM勢。其中所述斷t^^m^用單通趟;^^池處於^t機,賜中心時開始測量;所述^t機圖lt^集幀頻為60檢s^l00輸s;測溫範圍8(X^2300K;工作波長為0.79//m 和0.92—。所 法的系^^*包括-轉盤，與驅動ta相連；-多個濾光片，兩兩一組，其中一組波長為0J9Mm,另一組波長0.921拜，帶麟為 O.Olnm,將4塊兩種波長的濾光片均勻間隔的固定在轉iLb; -定位控制緣採用光電傳感器感應定位錢位置；-斷絲集單元，由攝像船斷絲集賴成，攝像輸釆集的紅外圖像，經過圖像 採集，輸到計,處理單元中，通過圖像處理禾M^行圖像的分析，從而獲得熔池的溫 度場分布及變化信息；-驅動錢.，由步進電 成，轉速由斷絲集單元中的^t機的幀速輛定； 雀體傾斜15-3『角安裝在M^軸旁側，固定在光軸上，隨同光軸運動。其中所述圖像處理禾辨具浙克程為
步驟l )通過一種波長濾光片採集目標# 圖像^^行濾波；步驟2)通鄉一種波長濾光片採集目標#^圖像#^份慮波；步驟3)獲取兩幅目標1^M圖像的對應像素點；步驟4)通過式1求所述兩幅目標^^斷^1"應點的;^比值；步驟5)根據S^比色算法公式，由步驟4)的比值求得斷Ui各點的a^值；步驟6)用^t銜^^^值，由步驟5)求得的各點〗m生^M斷象；步驟7)對步驟6)生成的被圖像進行圖像處理實鵬池的》嫩析，通過斷缺 度特徵的變化趨勢即可看出溫度場的變化趨勢，^^大處理。，續，則返回步驟1); 式l為formula see original document page 7
其中&第一組濾光片的"l^lt波長，A第二組濾光片的^波長，A^，"第一組濾光片的^^值，iV(A,r)第二組濾光片的^^值，e",n第一組濾光片的ccD電荷輸入量，g"，r)第二組濾光片的CCD電荷輸入量，c"，r)第一組濾光片的斷直波長4下的 光譜輻射率，e(^,r)第二組濾光片的峰值波長^下的光譜輻射率，c2為第1射常數，rW)、 r")、科、^和/7(A)、 //(^)分別為第一組濾光片峰lS^i率、第二組濾光片,Mii率、第一組濾光片帶寬、第二組濾光片帶寬、第一組濾光片的CCD光譜響應函 數和第二組濾光片的CCD光譜響應函數； i敬比色算法公式為1"(r) - In - In - 5 In &其步驟7)對所il^斷,圖像處理實,池的^H斤分三路進行 一絲將 ^^特忠號的像素點連線實5廁圖像畫等溫線，另一^^利用偽彩色將不同〗驢區間的 像素著不同的顏色，第三路是利用^^^池邊界的^^值為閾值進行二值化處理，可將熔 池與背景分離出來，從而可進^#池圖像糊正#^提取，即^^池面積、微、高度；所述濾光片錯可以為2~8;攝像^^用卜12倍變焦鏡頭，可實粉」、 的遠距離 測量。其原，本發明以普朗克黑，射定律為理ife^據,建立了一種加工進度中的溫度 場實時在線檢測系統，利用熔池的輻射圖像比色算法求得熔池》鮍,通過^^析樹條 得熔池im^布，S^變ftM勢^ft息，為後綴，控制#§^制##信息，達至lj^^場本發明絲如下特點1. 雙波衫工外圖像比色非，測溫法。,式測j&^法雖然簡單，但不it^lim十M^^過程的，工作環境，而單色的紅外圖像^'欣需要t雜的標定，且ti/口工^f牛變化影響妙。賴'j^f、t^用雙波衫工外圖像比色一瞎觸測^^法。雙波長圖像比色測溫法,是根據同一時刻同—也點的兩個相鄰波長輻射能的比lt^確定i^ft值，因而辦的 消除了環i就禾難射率的影響。基於ccd的雙波長紅外圖像比色測l系糹MM的測溫結 構不受材料、距離絲面狀況的影響，且該測量方法絲不影響被測物的^fe^布，以及 響應迅速ff尤點。2. 轉盤濾光片及驅動，。在比色iM測量，中，需要連續採集兩幅通過兩個不 同波長濾光片的紅外圖像進行比色處 求恥^，在該系統中將M兩個不同波長的濾 光片間隔均勻分布在轉盤上，以步進電機為驅動^fi帶動轉盤t鍵轉動，從而使不同波長 的濾光片連續間隔出現在攝像機斷絲* 中。多片濾光片的系全 ^，結構簡單，便刊整。轉盤濾光片、驅動^a和定位漸牛的存在保證了濾光片在單通itM圖it^^f、統中分 ,換的敬樹確定位。


圖1是本發明的系統總體布局圖。圖2是濾光片在轉肚的布局示意圖。 圖3是該^^檢測裝置 ^^±^/安裝位置示意圖。 圖4是本發明一個實施例比色測溫軟體流程圖。 圖5a是本發明一個實施例比色測溫，圖像(熔池原始圖像)。圖5A是本發明一個實施例比色測溫，圖像(著偽彩色的熔池圖像)。圖k是本發明一個實施例比色測溫，圖像(:ii0^^^te熔池圖像)。具體實齡式下面結^pf個對本發明進一步說明。本發明金屬粉 ^^^過程中^^場檢測方法採用雙波長紅外圖像比色測溫方 法，通過將兩種波長的濾光片分時交割立於釆M;路中，有步驟的連續釆絲自於兩種波 長的熔池的圖像，根據來自不同波長的兩幅紅外圖像進行斷^ 比色計算，根據其比值
與溫度的關係.，求得圖^Jl各點的溫度值，用^^值f^^^值，進而M圖像，再對所 生成的雄圖像進行圖像處理,進而求其形狀和溫度變化趨勢;所述斷絲集光路採用單通趟；^^池處於攝像機衝賜中心時開始測量。如圖i所示，本發明^^檢測系糹MS 14由轉盤i (圓形)，定寸i^制部件(包括定傳、釘2和光電傳感器3)，外殼箱體4，驅動錢5(步進頓)，散熱鳩6，數據處理 單元8 (CPU)，工，9，濾光片ll，組成，具沐採用四±夬濾光片11 (所述濾光片^1夂可為2-8片，根據轉盤尺寸而定)，兩兩為一組， 每組一種波長，射)j為0.79Mm, 0.92lMm，帶魏0.01nm，均勾間隔地固定在轉盤l上 酣^:集單元8，由謝象機10(CCD)和斷t^集卡7組成，攝像柳A採集的紅外斷象, 經過斷M集，輸到計Ml處理單元中進行圖像的分析,從而獲得熔池的^^場分布及 變化信息；其中攝像機10位於轉盤1後方，旋轉時，正對其中一個濾光片ll，使濾光片 n精確位於攝像機10釆^)W中；窗口12安裝在外殼箱體4上，位於轉盤l前方，且 與謝象機10在同一 的軸線±;驅動皿5 (本實施例釆用步進電機)的軸與轉盤1中軸連接；定位裝置(本實施例採用定位螺釘2)位於轉盤和濾光片中心線上並在轉盤邊緣位置，光電傳感器3安裝在外殼箱體4內可感應定位螺釘(2)的位置；散熱Ki6安 裝在外殼箱體4壁上該實時在線^^場檢測裝置在加工謝呈中進機池熱輻射圖像的連續採敘圖像數 據處理，其具體實5M^呈如下，在圖1中，驅動錄5帶動轉盤1轉動，光電傳感驗3 用於感應定位螺釘2，定位螺釘2位於轉盤和濾光片中心線上並在轉盤邊緣位置，該定位 檢測錢能鄉證^^行斷t^集時，濾光片11精確位於CCD攝像機10採^ 中， 隨著轉盤的轉動，兩種波長的濾光片交替出現^:M:路中，將連續採集的兩幅不同波長 的熱輻射斷鬆乏過斷絲集卡7傳輸到數據處理單元8中，由存於其中的比色數據處理程序進行比色計算，求得熔池15各點的^^。通過該測^^統a^口工i^呈中，進行圖像的連續採集與處理,得到熔池^A場的^fe^布及變ft^t^析,實現實時在線檢測功 能。圖2是濾光片11在轉盤上的分布示意圖，四片M兩種波長的濾光片間隔均勻的分 布在轉處，由步進電禮驅動轉盤轉動，使濾光片ll分時處於絲中，保證了釆集過程 中兩種波長濾光片11的交替出現四片濾光片11晰魏提高了濾光片的交替被，使之 與攝像機IO斷絲集頻率同步。定創累釘絲電傳感器保證了濾光片在 中的定位準圖3是該^^檢測錢14安裝位置示意圖，i^4安裝^fe光軸旁側，固定在光 軸上，隨同光軸運動。^^ 頃斜20°角安裝，超臺測量距離為25Qmm^^^池15處於 攝像機10的 中心位置。濾光片在紅外圖像比色測量中波長和帶寬的準確選緣限制其應用的一個重要因素, 波長和帶寬的選擇合理條高測1^度，)^H旲差，斷誠本綜合考慮測溫範圍、CCD 的動態範圍和光譜響應範圍、環境光的影響、目標 輻射度等因素之後，根據系統 的靈敏種向應值函數，確定濾光片的波長斜U為0.79(jm和0.92lMm，帶寬為0.01pm，實驗證明此波長的選擇，系統A^很高的靈敏，JU體響應具新辦的線性度。四塊兩 種波長的濾光片被均勻間隔的固定在轉盤上，步進電機將用作驅動裝ft^驅動轉盤的旋 轉，其轉速由實Pl^f象機的幀速率確定；定位控制刺牛的:^:雙波長圖像比色測溫要求來自不同波長的兩幅輻射圖像進行比色處理，在&^檢測遺呈中，兩種波長的濾光片是由轉盤帶動分時置於採* 中的，因而^^續的斷絲集過程中，要求轉盤上的濾光片在CCD圖^絲M;路中有精確的定位， 本發明利用光電傳感器感應定位螺釘位 實1^位，從而保ffit續釆集的斷t^間隔來自兩種波長的濾光片。'所述圖像採集單元由CCD攝像機、IO倍變焦鏡頭和斷絲集杉且成，紅外圖像的採^^利用高性能的CCD攝像 誠的，CCD具有工作穩定可靠，圖像清晰度、靈敏度高等優點,釆集的圖ti2過斷絲集橫輸到計WL處理單元中進行圖像的分析處理。圖^^集"M吏用OK系列OK一MC10A卡，內置多種已知函數(！^技術)，控制圖絲 餘式，》Piil^集窗口、採^^制 (採集格式、方式等)、啟動、停絲^$制等。 系t^用COMPUTAR的H10Z1218M型號十倍變焦12 12Qmm鏡頭，可在250mm的測 量距離對6^8mm的熔池小4ft^，率達到9//m 。所述比色數據處理，即iM比色算法是根據普朗克黑棘射定雜導而來，比色數據 處理軟體根據來自不同波長的兩幅紅外圖像進行酣,比色計算,根據其比值與溫度的 關係，求得斷tii各點的溫度值，之後在顯示器上輸出溫^^布的數字和圖像信息。具體實現的禾辨流程(參見圖4)為先通過一種波長濾光片採集目標i^圖像^^行濾波， 再通鄉 一種波長濾光片釆集目標1^M圖像^t行濾波,獲^^述兩幅目標1^M圖像的對應像素點；並求出兩幅目標M^斷t^應點的M比值;然後根據圖ti^值和溫 度值的對應關係，由式l求得酣lii各像素點的溫度值;用;^^(射 ^^*^皿度圖 像；再對所生成的城圖像進行圖像處現實3鵬池的S^^析，從而可以通過圖it^ 糊正的變4後勢看出^^場的變^l勢。誠彰大處理，絲緣則返回； 其中式l為formula see original document page 12 其中A為第一組濾光片的喇彭皮長，^為第一組濾光片的^lt波長，a^,:o第一組濾光片的^^值，ah，門第二組濾光片的^^值，e(m為第一組濾光片的ccD電荷輸入量，e",r)為第二組濾光片的cCD電荷輸入量，e(A，r)為第一組濾光片的峰 值波長4下的光譜輻射率，c"，r)為第二組濾光片的峰值波長4下的光譜輻射率，q為第1射常數，rW)、 r(/g、 m、 ^和;7(;g、 /7(^)射'j為第一組濾光片斷t^率、第二組濾光片J^M^:率、第一組濾光片帶寬、第二組濾光片帶寬、第一組濾光片的CCD光靜向應函類Mf—組濾光片的CCD光ifp向應函數； 驗比色算法公式為In / (r) - In惑L ln liM 一 5 In i其中溫度比色算法公錄考慮雙色濾光片波長接近，在假設兩波長的光i雜射率sw，"^(4,r)的前提條件下，由式i變^M得，從而系鏃5過標錄，可直接由比色 值辨D獲mx寸應點的S^值r 。對所i^it圖像進行圖像處理實l^池的a^-析^^實施例中，參見圖5-a將^緣i賦的像素點連線實稱寸斷象畫等溫線，參見圖5-h利用偽彩色將不同i破區間的像素著不同的顏色《機池i^^布勤呵視化，參見圖5《利用f^^池邊糊^^值為閾〈;fct行二值化處理，將熔池與背景分離出來，從而可進^^#池圖像樹正#^提取，即>雜池面積、敬、高度。在實時斷象處理i^呈中，以上七個步驟不斷循環4丸行，abc步驟中的斷絲糊正的 動態變化即可看出S^的變j後勢。該軟體同時絲實l^池&^^布、變1後f^析、熔池圖像#1正##:提取等功能，以備為後續的，^^控制^f共^lt 本發明溫踅檢測系統主要技;^t指標1. 轉盤轉速15轉/s;2. 系統外，寸180x245mm;3. 系統重量5Kg;4 CCD衞象機斷絲集幀觀60輸s(最大可達100*s);5. 工作波長0.79， ， 0.921戶；6. 測溫範圍8(X>~2300K;7. 測fit度±6 ((K或。C );8. 〗鵬禱率20QmK;9. 驗指示絲率0.1 (K或。C >,10. 工作光譜範圍0.75^0.95，；11. 測量圓點最小直徑距離為250mm時對8mm直徑的鄉絲率為9/im;12. CCD攝像做效餘640*480;13. 焦距12 120mml0倍手動變焦；14. 操作柳號,0C ;15. 相難i^ 1,%不結霜。
權利要求
1. 一種金屬粉 ^^雄中^^場檢測方法，^f正在雅括採用雙波長紅 外圖像比色測^^法，通過將兩種波長的濾光片分時交割立於釆* 中，有步驟的連續 採絲自於兩種波長的熔池的圖像，再對來自不同波長的兩幅紅外圖像進行絲比色計 算，根據比色值與S^值的關係，求得斷ti:各點的a^值，用^^銜緣，&^t^絲 度圖像，再對所形成的被圖像進行圖像處理，進而求其形狀和^^場變j後勢。
2.按照權利要求1所述金屬粉 ^繼中^^場檢測方法，^^f正在於所 述斷絲M^用單通輕。
3. 按照權利要求1所述金屬粉 ^繼中^^場檢測方法，^#|正在於在 熔池處於攝像機 中心時開始測量。
4. 按照權利要求1所述金屬粉^b^謝呈中^^場檢測方法，Mf正在於所 述攝像機圖像釆集幀頻為60^^100*s;測溫範圍8(XK2300K;工作波長為0.79戶 和0.921戶。
5. 按照權利要求i所述金屬粉^iM^繼中&^場檢測方法的系^a,辦徵在賴括-轉盤，與驅動M4相連；-多個濾光片，兩兩一組，將兩種波長的濾光片均勻間隔的固定在轉iJt; -定位控制謝牛，釆用光電傳感器感應定位^ft位置；-斷tt集單元，由攝像 圖#^集^^且成，攝像^l^採集的紅外圖像，經過圖像 採集橫輸到計 處理單元中，通過圖像處理餅進行圖像的分析，從而獲得熔池的溫 度場分布及變化信息；-驅動錢，由步進電鵬成，轉速由斷t^集單元中的樹象機的幀速率確定； ^#:傾斜15-3『角安裝 光光軸旁側，固定在光軸上，隨同光軸運動。
6. 按照權利要求5所述金屬粉^M^^過程中i^^場檢測方法的系!M4，賺 徵在於所述濾光片^l夂為2-8,其中一組波長為0.79pm，另一組波長0.921,,帶麟 為O.Oljjm。
7. 按照權利要求5所述金屬粉^M^^過程中^^場檢測方法的系^tft，辦徵在於所述圖像處理餅具嵌克程為步驟1)通過一種波長濾光片採集目M^圖像^^行濾波；步驟2)通淑一種波長濾光片採集目標#^圖像^^傷慮波；步驟3)獲取兩幅目標1^圖像的對應像素點；步驟4)通過式1求所述兩幅目標1^圖t^應點的，比值；步驟5)根敏號比色算法公式，由步驟4)的比值求得SltJi各點的i&^值；步驟6)用i^銜緣:S^值，由步驟5)求得的各點iM生^M圖像；步驟7)對步驟6)生成的雄圖像進行圖像處理實鵬池的^^析，通過圖做度特徵的動變化趨勢即可看出溫度場的變化趨勢,M彰夂處理。，續，則返回步驟1 >， 式l為formula see original document page 3其中&第一組濾光片的峰值波長，^第二組濾光片的峰值波長，A^，71第一組濾光片的^^值，w"，r)第二組濾光片的^^值，2W，r)第一組濾光片的CCD電荷輸入 量，e(^,r)第二組濾光片的ccD電荷輸入量，s",r)第一組濾光片的ii^it波長A下的 光譜輻射率，c",r)第二組濾光片的斷直波長^下的光i魏射率，q為第1射常數,r(A)、 "4)、科、化和/7(A). ;7(A)射ij為第一組濾光片峰i"Mii率、第二組濾光片 順Mdi率、第一組濾光片帶寬、第二組濾光片帶寬、第一組濾光片的CCD光if^應函 數和第二組濾光片的CCD光i爭向應函數； 》賦比色算法公式為1" (r) - ln ^i丄-ln - 5 In i
8. 按照權利要求7所述金屬粉^ ^>遺呈中^^場檢測方法的系 ￡，辦 徵在於其中步驟7)對所i^圖像進行圖像處理實5鵬池的a^^析分三路進行:一 M^R^特定iM的像素點連線實5l^圖像畫等溫線,另一^^利用偽彩色將不同iM 區間的像素著不同的顏色，第三1^利用{ ^池邊界的^^值為閾*^行二偉化處理， 可將熔池與背景分離出來，從而可進ft^池圖像樹正^li提取，即^條池面積、微、高 度。
9. 按照權利要求8所述金屬粉^W^謝呈中^^場檢測方法的系^ft，辦 徵在於攝像:R^用卜12倍變焦鏡頭，可實粉M^的遠距離測量。
全文摘要
本發明涉及金屬粉末雷射快速成形技術，具體是一種金屬粉末雷射快速成形加工過程中溫度場檢測方法及其系統裝置。它採用雙波長紅外圖像比色測溫方法，通過將兩種波長的濾光片分時交替位於採集光路中，有步驟的連續採集來自於兩種波長的熔池的圖像，再對來自不同波長的兩幅紅外圖像進行灰度比色計算，根據比色值與溫度值的關係，求得圖像上各點的溫度值，用灰度值代表溫度值形成灰度圖像，再對所形成的灰度圖像進行圖像處理，進而求其形狀和溫度場變化趨勢。採用本發明能夠在金屬粉末雷射快速成形過程中實時檢測熔池溫度場的溫度分布及變化趨勢，進而對其加工過程參數進行實時溫度調整。
文檔編號G01K13/00GK101144742SQ20061004773
公開日2008年3月19日 申請日期2006年9月13日 優先權日2006年9月13日
發明者於彥鳳, 劉偉軍, 姜淑娟, 普雄鷹, 飛 邢 申請人:中國科學院瀋陽自動化研究所