CN109136912B - 一种激光熔覆离焦量在线监测与负反馈状态识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光熔覆离焦量在线监测与负反馈状态识别方法，该方法所用的激光熔覆离焦量在线监测与负反馈状态识别***，在原有激光熔覆及其在线监测***的基础上增加了图像在线处理单元、离焦量在线监测单元和负反馈状态在线识别单元。图像在线处理单元包括灰度处理模块、图像滤波降噪模块和视觉特征提取模块；离焦量在线监测单元可根据图像在线处理单元的数据，在线得出离焦量值；负反馈状态在线识别单元可根据图像在线处理单元的数据，对激光熔覆层高度的负反馈自优化状态进行识别判断。该激光熔覆离焦量在线监测与负反馈状态识别方法通过图像的标定、采集、预处理、预实验和计算等实现了激光熔覆离焦量与负反馈状态的快速可靠监测。

Description

一种激光熔覆离焦量在线监测与负反馈状态识别方法
技术领域
本发明属于激光熔覆在线监测技术领域，具体地，是一种针对激光熔覆离焦量的在线监测与负反馈状态识别方法。
背景技术
激光熔覆是重要的增材制造技术之一，主要应用于零部件直接成形、特殊功能涂层熔覆和高端零部件修复等领域。在目前工业应用中，激光熔覆等用于金属或金属复合材料的增材制造技术质量可靠性与效果均一性等面临着重要挑战，并且影响因素较多，其中的尺寸精度及缺陷问题更是持续影响着该技术的普及与应用。
在激光熔覆中，除去个别简单涂层的熔覆为多道单层加工外，其余的应用均需要进行多层堆积加工。在多层堆积加工中，因热平衡与累积误差等原因，激光熔覆每层甚至同一层的熔覆高度均容易不稳定，这使预先规划的激光熔覆离焦量处于不断变化中，而离焦量的变化容易导致熔覆层的尺寸精度误差，组织性能的不稳定，甚至不断累积的离焦量变化会直接导致零件加工的失败。因此，在激光熔覆加工中，尤其是加工复杂结构或梯度材料时，为获得较高尺寸精度及无缺陷的熔覆层，往往需要在离焦量的调控上耗费大量资源。在激光熔覆离焦量调控方面，目前主要的方法有两种，一是获得可使熔覆层高度实现负反馈自优化的离焦量范围，进而在工艺路径规划上进行预设计；二是通过在线监测与反馈控制的方法来对离焦量进行实时控制。但前者需要进行大量的预实验，尤其在加工复杂零部件时需要耗费更多的资源；后者则多通过距离传感器或旁轴视觉监测等方法来实现，目前仍存在一些问题，如因熔池的液态高温特性、加工时的恶劣环境、堆积加工造成的对焦失效以及图像处理与识别算法复杂等原因，离焦量在线的实时性还无法得到保障，而在加工零部件结构复杂的情况下，传感器的布置也是需要重点考虑的问题。
因此，针对激光熔覆中离焦量预设计需要耗费大量资源，而在线实时监测的实现又面临诸多问题的情况下，有必要提出传感器布置约束少、信号受干扰小、处理速度快和适用性更广的激光熔覆离焦量在线监测与负反馈状态识别方法，以此来解决离焦量的预设计问题以及在线监测与反馈控制中的在线监测问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种针对激光熔覆离焦量的在线监测与负反馈状态识别方法，该方法具有传感器布置约束少，通常意义上的粉末飞溅干扰成为了本发明的监测对象，视觉信号处理速度快，不受材料与结构限制等优势，切实解决了激光熔覆中离焦量预设计需要耗费大量资源，以及在线监测与反馈调节中的在线监测问题，从而可以实时获取激光熔覆加工过程中的离焦量值，并对现离焦量下能否实现熔覆层高度的负反馈自优化进行识别判断，该方法可以使激光熔覆质量更高、资源更节约。
本发明的技术方案：
一种激光熔覆离焦量在线监测与负反馈状态识别方法，该方法所用的激光熔覆离焦量在线监测与负反馈状态识别***，在原有激光熔覆及其在线监测***的基础上增加图像在线处理单元、离焦量在线监测单元和熔覆状态在线识别单元；原有激光熔覆及其在线监测***包含激光器、激光头、位移装置、材料进给装置、图像旁轴采集单元；
所述的图像在线处理单元包括灰度处理模块、图像滤波降噪模块和视觉特征提取模块；
所述的离焦量在线监测单元，根据图像在线处理单元的数据，在线得出离焦量值；
所述的负反馈状态在线识别单元，根据图像在线处理单元的数据，对激光熔覆层高度的负反馈自优化状态进行识别判断；
步骤如下：
(1)将图像旁轴采集单元的两个工业相机相互呈90°放置于同一水平，且视野范围覆盖熔池与粉末飞溅特征的合适位置，通过标定板进行图像旁轴采集设备的对焦，并标定图像与实际尺寸的比例，同时校正相机与待熔覆面之间的角度所带来的误差，综合得到图像像素值与实际尺寸的比例为n:1；
(2)激光头与基体的相对位移或与熔覆层的相对位移均由位移装置控制，在基体或已熔覆层上进行熔覆加工，通过图像旁轴采集单元实时采集粉末飞溅图像，采集帧率范围为5～200fps；
(3)图像在线处理单元对采集到的图像进行预处理，包括灰度处理、图像滤波降噪、飞溅范围高度特征提取和飞溅范围宽度特征提取，处理速度为5～200ms；
灰度处理使原图像灰度直方图中的灰度分布范围至少压缩至原图的1/2；
图像滤波降噪去除激光束与粉末之间因散射作用所造成的干扰，去除粉末飞溅中像素值小于3的粉末飞溅；
粉末飞溅范围高度特征提取获得在基体或熔覆层反冲作用下粉末飞溅的最大高度像素值L1；
粉末飞溅范围宽度特征提取获得在基体或熔覆层反冲作用下粉末飞溅的最远距离像素值L2；
粉末飞溅与熔池面积特征提取获得激光熔覆过程中熔池与粉末飞溅的高灰度区域面积像素值S；
(4)根据步骤(1)中的标定比例n:1以及步骤(3)图像在线处理单元对特征图像的处理，采集所需不同基体结构、熔覆层轮廓或离焦量下，激光熔覆过程中粉末飞溅的实际最大高度
Figure BDA0001795375620000041
和实际最远距离
Figure BDA0001795375620000042
以及粉末飞溅与熔池高灰度区域的实际面积
Figure BDA0001795375620000043
建立实时离焦量D与l1、l2和s的关系模型D＝f(l1,l2,s)，l,l,s∈R+；
(5)根据步骤(4)中粉末飞溅与熔池相关的实际最大高度l1、实际最远距离l2和实际面积s，确定激光熔覆多层堆积加工实现负反馈自优化状态时的l1、l2和s范围，进而以此实现负反馈状态的在线识别。
上述技术方案中，所述激光器包括半导体激光器或Nd:YAG激光器，激光器与激光头的连接方式为光纤连接。
所述材料进给装置为送粉装置。
所述位移装置包括数控机床或机器人。
所述图像旁轴采集单元包含两个工业相机、滤光片和镜头，镜头和相机可以清晰获取每一个时刻的激光熔覆粉末飞溅和熔池图像，滤光片可以滤除强光及干扰光。
本发明的有益效果：
1.本发明能够对激光熔覆离焦量进行在线监测，实时获取实际离焦量值，并且能够对激光熔覆层高度的负反馈自优化状态进行识别判断，处理速度快，方法稳定可靠，可用于多层堆积加工情况下离焦量监控中的监测部分，给出最优的离焦量范围，减少离焦量预设计所耗费的资源。
2.本发明集成化程度高，可嵌入到目前监测***中而不需新添加过多的硬件设备，并可实时采集粉末飞溅与熔池数据，针对粉末飞溅的视觉图像又可以进行更深层次的分析，如粉末利用率的监测等。
3.本发明适用性强，不受进给材料或基体材料属性、尺寸、表面状态等问题的限制，具有较好的适应性。
附图说明
图1为激光熔覆离焦量在线监测***的结构示意图。
图2为激光熔覆离焦量在线监测与状态判断方法的流程示意图。
图3(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)为本发明实例中316L基体及316L粉末加工过程中离焦量为-4.00、-3.00、-2.00、-1.00、0、1.00、2.00、3.00、4.00mm时的视觉特征及其对应的高度、宽度与面积数据。
图中：1激光器；2位移装置；3激光头；4材料进给装置；5图像旁轴采集单元；6计算机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应该理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相组合。
在激光熔覆中，多层堆积加工容易产生尺寸精度误差或熔融缺陷，且因热平衡、毛坯结构或误差累积等原因，激光熔覆每层甚至同一层的高度均可能不同，尤其在复杂结构或梯度材料加工过程中，离焦量更加难以进行预设计。随着激光熔覆的普及和视觉传感技术的发展，旁轴视觉监测技术渐渐应用到了激光熔覆中，且各种图像处理方法也逐渐被尝试。因此，本发明充分利用现有的先进技术与算法，提出了激光熔覆离焦量在线监测与负反馈状态识别方法。
参看图1，本实施例硬件平台包括
激光器1：所述激光器1在本实施例中为半导体激光器；
位移装置2：所述位移装置2在本实施例中为六轴机器人；
激光头3：所述激光头3在本实施例中为激光熔覆头；
材料进给装置4：所述材料进给装置4在本实施例中为送粉器；
图像同轴采集单元5：所述图像同轴采集单元中的视觉图像采集设备在本实施例中为CMOS相机；
计算机6：所述计算机6在本实施例中包含图像在线处理单元和搭接率在线处理单元。
本实施例所采用的粉末与基体材料均为316L粉末，粉末直径为40～120μm，基体尺寸为120×30×10mm。
由图2，实施例的步骤为：
(1)粉末流汇聚处距离激光头3的距离为15mm，以此作为离焦量为0mm的位置，将两个工业相机布置于垂直激光束20cm且与粉末流汇聚处呈同一水平的位置，并并标定图像与实际尺寸的比例，图像像素值与实际尺寸1mm的比例为7:1；
(2)激光头3与基体或熔覆层的相对位移由位移装置2控制，图像旁轴采集单元5实时采集粉末飞溅图像，采集帧率为100fps；
(3)图像在线处理单元对采集到的图像进行预处理，包括图像滤波降噪、粉末飞溅垂直距离特征提取、粉末飞溅水平距离特征提取和粉末飞溅与熔池面积特征提取，整体处理速度为每帧图像平均30ms；
所述的图像滤波降噪，通过高斯滤波、中值滤波和小像素目标移除，去除激光束与粉末之间因散射作用所造成的干扰，去除粉末飞溅中像素值小于3的粉末飞溅；
所述的粉末飞溅垂直距离特征提取，通过阈值分割算法(Inter Variance)获得粉末飞溅图像纵坐标最大值与最小值，进一步由其上述二者之差的绝对值来表示基体或熔覆层反冲作用下粉末飞溅的最大高度像素值L1；
所述的粉末飞溅水平距离特征提取，通过阈值分割算法(Inter Variance)获得粉末飞溅图像横坐标最大值与熔池质心，进一步由其上述二者之差的绝对值来表示基体或熔覆层反冲作用下粉末飞溅的最大宽度像素值L2；
所述的粉末飞溅与熔池面积特征提取，通过阈值分割算法(Inter Variance)获得粉末飞溅与熔池的高灰度区域面积像素值S；
(4)根据步骤(1)中的标定比例7:1，以及步骤(3)图像在线处理单元对特征图像的处理，采集水平平面基体、无熔覆层轮廓下离焦量分别为-4.00、-3.00、-2.00、-1.00、0.00、1.00、2.00、3.00、4.00mm时的粉末飞溅图像，通过预实验获得可实现负反馈状态下的离焦量为-3.00～-1.00mm，
根据公式得出不同离焦量下的粉末飞溅实际最大高度值l1；
根据公式得出不同离焦量下的粉末飞溅实际最远距离值l2；
根据公式
Figure BDA0001795375620000073
得出不同离焦量下的粉末飞溅与熔池实际高灰度区域面积值s；
本实例中的数据结果如下表所示。
表1
Figure BDA0001795375620000081
分别拟合出上述三个视觉特征值与离焦量D的关联方程，计算相关系数R2，结果如下所示。结果表明，此情况下粉末飞溅垂直距离上的最大高度与离焦量的关联关系最强且具有很强的关联性(R2>0.9)，可作为离焦量监测中的监测对象。
D＝-2.8019l1+16.892 R2＝0.9611
D＝-8.0886l2+26.967 R2＝0.9296
D＝-21.208s+82.919 R2＝0.8958
(5)根据步骤(4)中的粉末飞溅实际最大高度l1、粉末飞溅实际最远距离l2和粉末飞溅与熔池实际高灰度区域面积s，确定激光熔覆多层堆积加工实现负反馈自优化状态时的l1、l2和s范围，进而以此实现负反馈状态的识别，本实例中的取值范围为l1∈[20.64,25.37]、l2∈[35.37,52.70]和s∈[83.57,131.56]。
该实施例中可适用于316L基体与316L粉末，且基体为水平平面，与激光头垂直。实施例获得了可根据不同视觉特征在线监测离焦量值的关联模型，明确了此工况下负反馈状态时的相关特征范围。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光熔覆离焦量在线监测与负反馈状态识别方法，其特征在于，该方法所用的激光熔覆离焦量在线监测与负反馈状态识别***，在原有激光熔覆及其在线监测***的基础上增加图像在线处理单元、离焦量在线监测单元和熔覆状态在线识别单元；原有激光熔覆及其在线监测***包含激光器、激光头、位移装置、材料进给装置、图像旁轴采集单元；
所述的图像在线处理单元包括灰度处理模块、图像滤波降噪模块和视觉特征提取模块；
所述的离焦量在线监测单元，根据图像在线处理单元的数据，在线得出离焦量值；
所述的负反馈状态在线识别单元，根据图像在线处理单元的数据，对激光熔覆层高度的负反馈自优化状态进行识别判断；
步骤如下：
(1)将图像旁轴采集单元的两个工业相机相互呈90°放置于同一水平，且视野范围覆盖熔池与粉末飞溅特征的合适位置，通过标定板进行图像旁轴采集设备的对焦，并标定图像与实际尺寸的比例，同时校正相机与待熔覆面之间的角度所带来的误差，综合得到图像像素值与实际尺寸的比例为n:1；
(2)激光头与基体的相对位移或与熔覆层的相对位移均由位移装置控制，在基体或已熔覆层上进行熔覆加工，通过图像旁轴采集单元实时采集粉末飞溅图像，采集帧率范围为5～200fps；
(3)图像在线处理单元对采集到的图像进行预处理，包括灰度处理、图像滤波降噪、飞溅范围高度特征提取和飞溅范围宽度特征提取，处理速度为5～200ms；
粉末飞溅范围高度特征提取获得在基体或熔覆层反冲作用下粉末飞溅的最大高度像素值L1；
粉末飞溅范围宽度特征提取获得在基体或熔覆层反冲作用下粉末飞溅的最远距离像素值L2；
粉末飞溅与熔池面积特征提取获得激光熔覆过程中熔池与粉末飞溅的高灰度区域面积像素值S；
(4)根据步骤(1)中的标定比例n:1以及步骤(3)图像在线处理单元对特征图像的处理，采集所需不同基体结构、熔覆层轮廓或离焦量下，激光熔覆过程中粉末飞溅的实际最大高度
Figure FDA0002245771980000021
和实际最远距离
Figure FDA0002245771980000022
以及粉末飞溅与熔池高灰度区域的实际面积
Figure FDA0002245771980000023
建立实时离焦量D与l1、l2和s的关系模型D＝f(l1,l2,s)，l1,l2,s∈R+；
(5)根据步骤(4)中粉末飞溅与熔池相关的实际最大高度l1、实际最远距离l2和实际面积s，确定激光熔覆多层堆积加工实现负反馈自优化状态时的l1、l2和s范围，进而以此实现负反馈状态的在线识别。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆离焦量在线监测与负反馈状态识别方法，其特征在于，所述的灰度处理是使原图像灰度直方图中的灰度分布范围至少压缩至原图像的1/2。
3.根据权利要求1或2所述的激光熔覆离焦量在线监测与负反馈状态识别方法，其特征在于，所述的图像滤波降噪是去除激光束与粉末之间因散射作用所造成的干扰，去除粉末飞溅中像素值小于3的粉末飞溅。
4.根据权利要求1或2所述的激光熔覆离焦量在线监测与负反馈状态识别方法，其特征在于，所述激光器包括半导体激光器或Nd:YAG激光器，激光器与激光头的连接方式为光纤连接。
5.根据权利要求3所述的激光熔覆离焦量在线监测与负反馈状态识别方法，其特征在于，所述激光器包括半导体激光器或Nd:YAG激光器，激光器与激光头的连接方式为光纤连接。
6.根据权利要求5所述的激光熔覆离焦量在线监测与负反馈状态识别方法，其特征在于，所述的材料进给装置为送粉装置。
7.根据权利要求1、2、5或6所述的激光熔覆离焦量在线监测与负反馈状态识别方法，其特征在于，所述的位移装置包括数控机床或机器人。
8.根据权利要求3所述的激光熔覆离焦量在线监测与负反馈状态识别方法，其特征在于，所述的位移装置包括数控机床或机器人。
9.根据权利要求1、2、5、6或8所述的激光熔覆离焦量在线监测与负反馈状态识别方法，其特征在于，所述图像旁轴采集单元包含两个工业相机、滤光片和镜头，镜头和相机可以清晰获取每一个时刻的激光熔覆粉末飞溅和熔池图像，滤光片滤除强光及干扰光。
10.根据权利要求7所述的激光熔覆离焦量在线监测与负反馈状态识别方法，其特征在于，所述图像旁轴采集单元包含两个工业相机、滤光片和镜头，镜头和相机可以清晰获取每一个时刻的激光熔覆粉末飞溅和熔池图像，滤光片滤除强光及干扰光。
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