CN116237545A - 一种用于增材制造的多目标实时监测装置及*** - Google Patents

一种用于增材制造的多目标实时监测装置及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于增材制造的多目标实时监测装置及***，包括多目标实时监测装置和异构融合架构的类脑计算芯片，监测装置包括激励激光发生器、压缩感知相机、红外测温仪、红外热成像仪、光电二极管、振镜和由三个分光镜组成的分光光路组件，激励激光发生器发射的激励激光通过分光光路组件到达振镜，并通过振镜扫描在检测对象上作为激励信号；检测对象接受激励信号后产生反射光，反射光通过分光光路组件分成多路不同波长光路，分别到达相应的光感应器上，进行相应监测。本发明可对增材制造过程图像数据进行压缩采样、高速传输与重构，实时监测熔池温度和提取图像视频特征，实现熔池温度、溅射、烟羽及构件层面轮廓跨尺度多目标信息实时监测。

Description

一种用于增材制造的多目标实时监测装置及***
技术领域
本发明属于增材制造领域，涉及一种增材制造熔池监测技术，具体涉及一种用于增材制造的多目标实时监测装置及***。
背景技术
激光粉末床熔融增材制造中，熔池形貌与温度、溅射及表面形貌等变量的行为直接影响制造零件的性能，目前主要依靠离线方式进行产品的质量检测，需要大量的物力、财力和人力投入，并不能完全保证优化工艺下产品的质量。而通过高速相机、光电二极管等多种监测设备进行关键变量的在线监测与反馈调控是解决冶金缺陷和形性调控的主流方法。然而，现有的成像监测方式由于受限于成像器件的速度限制，难以连续捕捉微秒时间尺度内的变化过程。同时，常规的监测方式在实现高精度的前提下，必将产生海量数据且增长数据存储与处理时间，这远不能满足实时监测调控增材制造加工过程的需求。在有限的硬件设备技术下，如何对监测的多元信号进行高效采样和恢复，现代信号处理的一个关键基础是Shannon采样理论，即一个信号可以无失真重建所要求的离散样本数要求其采样频率必须大于或等于信号最高频率的一倍。然而根据Shannon采样理论，监测的视频图像巨大数据信号难以满足增材制造过程中实时性需求。此外，金属增材制造过程涉及多尺度多物理场问题，包括熔池表面缺陷、温度信息，目前能够全面的同时监测反馈熔池表面缺陷、温度信号的***是比较匮乏的，并且，这些在线监测过程中的信号处理、人工智能等图像处理算法也面临着零件几何特征的目标移动速度快、传输处理效率低等难题。
另外多种参数监测设备造成结构复杂，体积庞大，严重影响金属增材制造光路和粉末送粉机构设置，因此，亟需开发一套数据压缩采样装置及***能够高效快速的采集以及高质量的重构原始的多元信号，以实现增材制造原位实时监测，降低检测设备所占空间，提高激光熔覆和送粉的灵活性。
发明内容
本发明针对激光粉末床熔融制造过程在线视觉监测条件苛刻、处理效率低难题，搭建一种用于增材制造的多目标实时监测装置及***。该***针对熔池面积小、凝固快、温度高、干扰因素多在线监测难题，使用红外测温***、光电二极管高效监测熔池温度信号。进一步地针对激光粉末床熔融增材制造过程中监测信号数据量大、传输效率低、信噪比低难题，本发明基于压缩感知技术设计搭建高速成像相机，实现对加工过程的实时连续捕捉，利用针对于熔池信号的DMD掩膜矩阵，有效去除信号中冗余数据且不影响***的检测精度，在解码端通过随机解调重构技术重构原始图像以缩短图像传输时间，实现加工过程的实时监测。压缩感知技术为解决激光粉末床熔融增材制造工艺中有效监测信号分辨率低、数据量大的难点问题提供解决方案。同时在监测过程中，将信号复杂特征边缘计算方法融入异构融合架构的类脑计算芯片，借助类脑计算芯片存算一体设计突破冯诺伊曼架构固有访存速率限制，可完成每分钟TB级监测信号处理。最后融合压缩感知相机、温度监测光路、类脑计算芯片实现对加工过程中熔池温度、溅射、烟羽及构件层面轮廓跨尺度多目标信息的实时监测。
本发明的上述目的通过以下方案来实现：
一种多目标实时监测装置，包括
振镜，用于扫描激励激光和收集反射光；
激励激光发生器，用于发射设定波长的激励激光，并通过分光光路组件与振镜相连；
检测组件，通过分光光路组件与振镜相连，其包括多个用于检测不同参数的光感应器，通过分光光路组件对工作光路按照波长进行分光，使得多个光感感应器相互不干扰的工作在不同波段；
所述激励激光发生器发射的激励激光通过分光光路组件到达振镜，并通过振镜扫描在检测对象上作为激励信号；检测对象接受激励信号后产生反射光，所述反射光通过分光光路组件分成多路不同波长光路，分别到达相应的光感应器上，实现对同一对象的多目标实时同步监测。
优选地，三个光感应器分别是压缩感知相机、红外测温仪及光电二极管。
优选地，所述分光光路组件包括三个相互平行设置且半透半反的分光镜，第一分光镜为带通型分光镜，第二分光镜和第三分光镜为工作波长依次增加的长通型分光镜或者工作波长依次减少的短通型分光镜；
所述激励激光发生器和振镜分别设置于第一分光镜相对的两侧，第一分光镜的带通波长与激励激光匹配；三个光感应器依次设于第二分光镜的反射光路、第三分光镜的反射光路及第三分光镜的透射光路；三个光感应器的工作波长根据第二分光镜、第三分光镜的类型依次增加或者减少，并且与激励激光的波长错开设置；
激励激光发生器发射的激励激光透过带通型的第一分光镜到达振镜，通过振镜扫描在测量对象上产生激励信号；检测对象接受激励信号后产生反射信号光，所述反射信号光通过振镜收集后到达第一分光镜，反射信号光被第一分光镜反射后通过第二、第三分光镜分出不同长度波长送至相应的光感应器。
优选地，所述压缩感知相机、红外测温仪及光电二极管的工作波长依次增加，相应的，所述第二分光镜和第三分光镜为工作波长依次增加的长通型分光镜，工作波长分别记为A1、A2；压缩感知相机设置于第二分光镜的反射光路，且工作波长小于或等于A1，红外测温仪设置于第三分光镜的反射光路，且工作波长位于A1、A2之间，光电二极管设置于第三分光镜的透射光路，工作波长大于A2。
优选地，所述多目标实时监测装置还包括用于同步对准检测对象的红外热成像仪。
优选地，所述激励激光发生器包括激光器和扩束器，所述扩束器用于将激光器发射的激光扩束后发出。
优选地，所述压缩感知相机包括高速光电探测器以及依次设置于同一光路上的飞秒脉冲激光器、数字微镜阵列、分束器和声光偏转器；高速光电探测器设置在数字微镜阵列的反射光路上；
所述飞秒脉冲激光器发射飞秒脉冲激光依次通过数字微镜阵列、分束器和声光偏转器后作为感知相机激励信号，依次通过第二分光镜和第一分光镜反射到振镜，通过振镜扫描在检测对象上；
检测对象接受感知相机激励信号产生反射信号，经过振镜收集后，通过第一分光镜、第二分光镜反射后到达压缩感知相机，反射信号依次经过声光偏转器、分束器和数字微镜阵列后被高速光电探测器探测。
优选地，所述压缩感知相机的声光偏转器与第二分光镜之间还设有用于改变光路方向的全反射镜和用于聚光的透镜。
本发明还保护一种用于增材制造的多目标实时监测***，包括任意一项所述的多目标实时监测装置和异构融合架构的类脑计算芯片，所述类脑计算芯片内置有神经网络算法，用于将压缩感知相机采集的信息进行特征提取。
与现有技术相比，本发明有益效果如下：
本发明设计的压缩感知相机，能够实现对加工过程熔池表面信号压缩采样。通过设计针对于熔池信号的掩膜矩阵，有效去除信号中冗余数据，且不影响***的检测精度，优化图像重构算法以缩短图像传输时间，实现加工过程的实时监测。
本发明设计的熔池温度监测光路，多光谱温度探测器结合红外测温***与光电二极管二者优势互补，可高速采集熔池较高温度信息；
本发明将压缩感知相机压缩采样的熔池形貌信号在输出端基于神经网络、深度压缩感知网络通过类脑芯片(48TFLOPS@FP16)高速高效提取熔池表面特征、重构原始信号，极大提高了算法运行速率。类脑芯片利用边缘计算存算一体的物理特性，天然与边缘计算相契合，在原始数据收集端，完成对原始数据的预处理，减少冗余数据的产生，降低数据存储、处理和传输成本。
本发明搭建了动态视觉、红外热像仪、二极管、多类金属增材制造在线监测***，获取熔池动态行为以及宏微观组织特征信息，能对熔池、烟羽和工件形貌进行多空间尺度的同时监测。提出多源监测信号的压缩感知边缘计算方法，并首次结合自主可控类脑计算芯片，在边缘端快速在线处理压缩感知监测信号，实现快速、高效的在线检测。
本发明搭建的多目标实时监测***将多种监测技术光路合成一路，采用一个振镜，极大节省占地空间，大大提高了增材制造灵活性，有助于提高增持制作速度和制作复杂工件的能力。
附图说明
图1所示为用于增材制造的多目标实时监测***示意图。
图2所示为本发明多目标实时监测装置的温度监测光路图。
图3所示为本发明压缩感知相机光路图。
图4所示为压缩感知AI芯片特征提取流程图。
1-光电二极管，2-红外测温仪，3-压缩感知相机，4-激励激光发生器，41-激光器，42-扩束镜，5-类脑计算芯片，6-红外热像仪，7-第一分光镜，8-第二分光镜，9-第三分光镜，10-振镜，11-熔池，12-激光线柱1，13-激光线柱2，14-透镜，15-反射镜，16-声光偏转器，17-分束器，18-数字微镜阵列19-飞秒脉冲激光器，20-高速光电探测器，21-工件，22-工作平台。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
如图1至图3所示，本发明提供一种用于增材制造的多目标实时监测***，包括多目标实时监测装置和异构融合架构的类脑计算芯片5；
所述多目标实时监测装置包括振镜10、分光光路组件、激励激光发生器4和检测组件，激励激光发生器4用于发射设定波长的激励激光，并通过分光光路组件与振镜10相连；
检测组件也通过分光光路组件与振镜10相连，其包括多个用于检测不同参数的光感应器，通过分光光路组件对工作光路按照波长进行分光，使得多个光感感应器相互不干扰的工作在不同波段；
所述激励激光发生器4发射的激励激光通过分光光路组件到达振镜10，并通过振镜10扫描在检测对象上作为激励信号；检测对象接受激励信号后产生反射光，所述反射光通过分光光路组件分成多路不同波长光路，分别到达相应的光感应器上，实现对同一对象的多目标实时同步监测。
所述类脑计算芯片5内置有神经网络算法，用于其中一个或者多个光感应器采集的信息进行特征提取。
本发明利用激励激光发生器4发射激励激光，分光光路组件对激励激光进行滤光后通过振镜10扫描在增材制造的熔池11及附近区域；之后利用不同光感应器对熔池11及附近区域进行不同空间尺度和目标参数监测，通过类脑计算芯片5对其中一个或者多个光感应器获取的监测信息进行特征提取，得到熔池11温度信息、溅射、烟羽及构件层面轮廓跨尺度多目标信息。
作为一种具体实施例，本发明采用的光感应器分别是压缩感知相机3、红外测温仪2及光电二极管1；本发明通过红外测温仪2、光电二极管1高速精准测量熔池11的温度信息，红外测温仪2可监测3000℃熔池11温度信息、光电二极管1可高速测量熔池11温度信号，二者优势互补，实现快速采集监测较高熔池11温度特征。
压缩感知相机3模块通过数字微镜阵列18(DMD)生成的动态掩模对原始信号进行稀疏采样，极大减少传输数据量，解码端采用随机解调重构技术，通过内置有神经网络算法的类脑计算芯片5可实现对熔池11表面形貌在线高精度重构。
本发明采用的类脑计算芯片5借助类脑计算芯片存算一体设计突破冯诺伊曼架构固有访存速率限制，完成每分钟TB级监测信号处理。将***图像特征提取算法、压缩感知图像重构算法传输至类脑计算芯片5。通过软硬件协同优化提高监测信号处理效率，实现在线识别多类非正常制造状态特征。
作为一种优选实施例，如图2所示，所述分光光路组件包括三个相互平行设置且半透半反的分光镜(二向色镜)，第一分光镜7为带通型分光镜，第二分光镜8和第三分光镜9为工作波长依次增加的长通型分光镜或者工作波长依次减少的短通型分光镜；
所述激励激光发生器4和振镜10分别设置于第一分光镜7相对的两侧，第一分光镜7的带通波长与激励激光匹配；三个光感应器分别设于第二分光镜8的反射光路、第三分光镜9的反射光路及第三分光镜9的透射光路；三个光感应器的工作波长根据第二分光镜8、第三分光镜9的类型依次增加或者减少，以实现光路信号区分；并且与激励激光的波长错开设置，防止信号干扰；
比如，第二分光镜8和第三分光镜9为工作波长依次增加的长通型分光镜，对应的三个光感应器的工作波长根据第二分光镜8、第三分光镜9的类型依次增加；
对于第二分光镜8和第三分光镜9为工作波长依次减少的短通型分光镜；对应的三个光感应器的工作波长根据第二分光镜8、第三分光镜9的类型依次减小。
本发明信号监测原理如下：
激励激光发生器4发射的激励激光透过带通型的第一分光镜7到达振镜10，通过振镜10扫描在测量对象上产生激励信号；检测对象接受激励信号后产生反射信号光，所述反射信号光通过振镜10收集后到达第一分光镜7，反射信号光被第一分光镜7反射后通过第二、第三分光镜9分出不同长度波长送至相应的光感应器。
通过本发明分光光路组件的设计，使得本发明三个光感应器(压缩感知相机3、红外测温仪2及光电二极管1)可以公用一路反射光信号，不仅大幅度减少光路组件设备，而且最重要的是三个光感应器真正意义上的实现同步监测，从技术原理上消除了时间差，使得本发明提取的多目标信息是处于时间和空间上完全重合的监测信息。
作为一种优选实施例，所述激励激光发生器4包括激光器41和用于增大激光光斑直径的扩束镜42，所述激光器41为脉冲激光器，通过扩束镜42能够保证激励激光的覆盖范围，足够覆盖整个熔池11及其附近区域。
作为一种优选实施例，本发明额外设计了同步对准熔池11区域的红外热成像仪，与红外测温仪2不同，红外热成像仪具有测量范围广泛的优点，能够获取温度分布信息，是对增材过程监测的有效补充；由于红外热成像仪本身是广域型传感器，所需无需加入到本发明分光光路组件中，单独对熔池11及附近区域进行温度测量。
作为一种优选实施例，如图3所示，所述压缩感知相机3包括高速光电探测器20以及依次设置于同一光路上的飞秒脉冲激光器19、数字微镜阵列18、分束器17和声光偏转器16；高速光电探测器20设置在数字微镜阵列18的反射光路上；所述飞秒脉冲激光器19发射飞秒脉冲激光依次通过数字微镜阵列18、分束器17和声光偏转器16后作为感知相机激励信号，依次通过第二分光镜8和第一分光镜7反射到振镜10，通过振镜10扫描在检测对象上，检测对象接受感知相机激励信号产生反射信号，经过振镜10收集后，通过第一分光镜7、第二分光镜8反射后到达压缩感知相机3，反射信号依次经过声光偏转器16、分束器17和数字微镜阵列18后被高速光电探测器20探测。
本发明压缩感知相机3使用的探测光为超短(飞秒)光脉冲，结合时空频色散技术在时域上快速生成随机编码的掩模图像，突破现有编码器件速率的限制，实现超高编码速率。结合高速光电探测器20的高速连续采样能力，实现对熔池11动态行为的在线高速监测。当监测数据高速传输至信号处理端，根据随机解调重构技术，突破奈奎斯特采样定律的限制，实现监测图像视频信息的高精度重构。
进一步优选，本发明所述压缩感知相机3的声光偏转器16与第二分光镜8之间还设有用于改变光路方向的全反射镜15和用于聚光的透镜14，通过透镜14能对飞秒脉冲激光进行聚光。
需要说明的是，本发明要解决的基本技术问题是如何实现多参数同时监测，因此，上述压缩感知相机3仅仅为一种较优的实时方式，不代表对本发明保护范围的限制，也可以采用其他压缩感知相机或者光感器进行替代，并不影响本发明技术方案的实施。
在上述设计的基础上，本发明提供一种具体的多目标实时监测***参数设计案例，具体如下：
由红外测温仪2(光谱范围:0.8μm～1.0μm)、红外热像仪6(光谱范围:0.5μm～0.54μm、0.8μm)构成红外测温***；
第一分光镜7为1.0μm～1.1μm带通的分光镜，第二分光镜8为0.81μm长通的分光镜，第三分光镜9为1.1μm长通的分光镜；所述激光器41的工作波长选择为1.0μm～1.1μm，具体选择1064nm；红外测温仪2工作光谱范围为0.81μm～1.0μm；红外热像仪6工作光谱范围为：0.5μm～0.54μm、0.8μm；压缩感知相机3工作光谱范围为0.78-0.8μm，具体可以选择0.8μm；光电二极管1的工作光谱范围为1.1μm～3.0μm；
振镜10工作波段780nm，飞秒脉冲激光器19的工作波长为0.8μm；
类脑计算芯片5采用48TFLOPS@FP16型号，内置图像特征提取算法和压缩感知算法(均为现有技术中已知算法)，使用类脑芯片提高***图像特征提取速率，通过图像特征提取算法以及压缩感知算法，在信号输出端将算法融入类脑芯片快速重构原始信号，从而高速高效地提取以及重构熔池11表面特征。
具体为，激光器41(波长1064nm)发射激光束经扩束镜42扩大光斑直径后作为激励激光通过、第一分光镜7(1.0μm～1.1μm带通)和振镜10至熔池11；熔池11的反射光线中，0.5μm～0.54μm、0.8μm光谱范围光线被红外热像仪6接收；其余光谱范围的反射光线通过振镜10偏转后达到第一分光镜7，波长1.0μm～1.1μm以外的被反射到第二分光镜8上；达到第二分光镜8的反射光线中，波长0.81μm以下全反射到压缩感知相机3，被压缩感知相机3工作使用，波长0.81μm以上的反射光线全通过到达第三分光镜9上；达到第三分光镜9的反射光线中，波长1.1μm以下全反射到红外测温仪2，被红外测温仪2(0.81μm～1.0μm)工作使用，波长1.1μm以上的反射光线全通过到达光电二极管1上，被光电二极管1(1.1μm～3.0μm)工作使用。
对于压缩感知相机3，飞秒脉冲激光器19的工作波长为0.8μm；飞秒脉冲激光器19输出800nm激光束，经过DMD、分束器17、声光偏转器16、反射镜15、透镜14，第二分光镜8、第一分光镜7以及振镜10作用到达熔池11表面，熔池11反射的光束(激光线柱2)通过振镜10、第一分光镜7、透镜14、反射镜15、声光偏转器16、分束器17和DMD，最后在高速光电探测器20成像。本发明飞秒脉冲激光器19具有出光功率高、波长稳定、谱宽高达80nm、高隔离度、超稳激光器、中红外可调谐等优点，可以适用不同温度环境的快速监测。振镜10工作波段780nm，用于调整光束角度加工扫描工件21。为了匹配不同波长范围传感器，第二分光镜8选用810nm长通，用于选择(反射和投射)光线；透镜14选用高透光率、工作波长为780nm的常规镜片，用于汇聚光线；反射镜15选用高透光率工作波长为780nm的常规镜片，用于反射光线；声光偏转器16选用G&H的AODF4085，通过电路信号对激光的方向进行控制并缩短反应延迟，可调整光束角度实现加工件21扫描。分束器17工作波段为780nm，通过分离往返光线，使反射光线(工件21信息)被探测器接收；DMD选用vialux的V-650L，通过掩模选择性反射监测的光线信号，以此实现采集端图像信号压缩与解码。
需要说明的是，上述光感应器的工作波长和分光镜的工作波长并不限于上述举例参数，只要满足能够将反射光按照波长分光至相应光感应器，并且相互不干扰即可，根据可以根据实际情况对光感应器或者分光镜的工作波长进行调整。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种多目标实时监测装置，其特征在于，包括
振镜，用于扫描激励激光和收集反射光；
激励激光发生器，用于发射设定波长的激励激光，并通过分光光路组件与振镜相连；
检测组件，通过分光光路组件与振镜相连，其包括多个用于检测不同参数的光感应器，通过分光光路组件对工作光路按照波长进行分光，使得多个光感感应器相互不干扰的工作在不同波段；
所述激励激光发生器发射的激励激光通过分光光路组件到达振镜，并通过振镜扫描在检测对象上作为激励信号；检测对象接受激励信号后产生反射光，所述反射光通过分光光路组件分成多路不同波长光路，分别到达相应的光感应器上，实现对同一对象的多目标实时同步监测。
2.根据权力要求1所述的多目标实时监测装置，其特征在于：所述分光光路组件包括三个相互平行设置且半透半反的分光镜，第一分光镜为带通型分光镜，第二分光镜和第三分光镜为工作波长依次增加的长通型分光镜或者工作波长依次减少的短通型分光镜；
所述激励激光发生器和振镜分别设置于第一分光镜相对的两侧，第一分光镜的带通波长与激励激光匹配；三个光感应器依次设于第二分光镜的反射光路、第三分光镜的反射光路及第三分光镜的透射光路；三个光感应器的工作波长根据第二分光镜、第三分光镜的类型依次增加或者减少，并且与激励激光的波长错开设置；
激励激光发生器发射的激励激光透过带通型的第一分光镜到达振镜，通过振镜扫描在测量对象上产生激励信号；检测对象接受激励信号后产生反射信号光，所述反射信号光通过振镜收集后到达第一分光镜，反射信号光被第一分光镜反射后通过第二、第三分光镜分出不同长度波长送至相应的光感应器。
3.根据权力要求2所述的多目标实时监测装置，其特征在于：三个光感应器分别是压缩感知相机、红外测温仪及光电二极管。
4.根据权力要求3所述的多目标实时监测装置，其特征在于：所述压缩感知相机、红外测温仪及光电二极管的工作波长依次增加，相应的，所述第二分光镜和第三分光镜为工作波长依次增加的长通型分光镜，工作波长分别记为A1、A2；压缩感知相机设置于第二分光镜的反射光路，且工作波长小于或等于A1，红外测温仪设置于第三分光镜的反射光路，且工作波长位于A1、A2之间，光电二极管设置于第三分光镜的透射光路，工作波长大于A2。
5.根据权力要求4所述的多目标实时监测装置，其特征在于：还包括用于同步对准检测对象的红外热成像仪。
6.根据权力要求5所述的多目标实时监测装置，其特征在于：所述激励激光发生器包括激光器和扩束器，所述扩束器用于将激光器发射的激光扩束后发出。
7.根据权力要求4所述的多目标实时监测装置，其特征在于：所述压缩感知相机包括高速光电探测器以及依次设置于同一光路上的飞秒脉冲激光器、数字微镜阵列、分束器和声光偏转器；高速光电探测器设置在数字微镜阵列的反射光路上；
所述飞秒脉冲激光器发射飞秒脉冲激光依次通过数字微镜阵列、分束器和声光偏转器后作为感知相机激励信号，依次通过第二分光镜和第一分光镜反射到振镜，通过振镜扫描在检测对象上；
检测对象接受感知相机激励信号产生反射信号，经过振镜收集后，通过第一分光镜、第二分光镜反射后到达压缩感知相机，反射信号依次经过声光偏转器、分束器和数字微镜阵列后被高速光电探测器探测。
8.根据权力要求7所述的多目标实时监测装置，其特征在于：所述压缩感知相机的声光偏转器与第二分光镜之间还设有用于改变光路方向的全反射镜和用于聚光的透镜。
9.一种用于增材制造的多目标实时监测***，其特征在于，包括权利要求3-8任意一项所述的多目标实时监测装置和异构融合架构的类脑计算芯片，所述类脑计算芯片内置有神经网络算法，用于将压缩感知相机采集的信息进行特征提取。
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