专利名称：金属粉末激光成形过程中温度场检测方法及其系统装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属粉^^十M^^技称S^场的与,测温技术,具体猴一种金 属粉* 快1|^^加工谢呈中^^场检测方法及其系^^4。
技术背景金属粉 ^^技术，出现于20世纪90年f^期，是基于feW^技7^^础的一门tffl;口工制造技术，其独特的金属零件加工特点fM近年来得到了广大禾械院所等 的普遍关注、研Mi^用。金属粉^i^^是一个多因素影响的加Xit程，例如加工 工艺錄变化，环境剝牛的不稳定等都会影响^^牛的质量，且^^续的加工继中由 刊吴差的累计往往导 ^牛的质量或精度达不到要求，因而建立加xii程实^^测控 制系^^其必要。实践证明，温度场分布皿咖口工过程条件的一个重要##:,稳定的 ,能德鹏綱质量M寸精度要求。测温方法有两种，接触式测温和4瞎触式测温，根据,口工过程环境复杂，应躺 一瞎触式测&$法。目前，在十M^^方蹈瞎維工外鄉踐错究热门，已有研究部门 利用红夕1 1瞎进行测温，但是该仪器劲口工环境干扰駄，ilitt高。基于双波长的红 外图像比色测^i"法目前已對報、冶，自*^行^^场的检测，在feM^加工过 程中的应用迅朱见报道，主要约東在于^^场破变化范围大、4赐范围狭小、力口XJf橫制牛恶劣等因素，因]i谨于双波长的红外图像比色测i駄法^l^十M^^谢呈中的应用 是一项新的^it检测技术。 发明内容本发明的目的在于銜共一种能够在金属粉^fcfM^^i^中实时检测熔池^^
场的分布及变《後势,絲而对其加xii程^^进行实时a^调整的检测方法及其系 本发明的技术方案包括金属粉末t^^继中^^场检测方法:采用双波长红外图像比色测》駄法，通过将两种波长的滤光片分时交對立于釆絲路中，有步骤的连续采集来自于两种波长的熔池 的图像，再对来自不同波长的两幅红外图像进行M比色计算,根据比色值与i^^值的关 系，求得图像Ji各点的&^值，用^^銜镜^^i^^M图像，再对所形成的被图 像进行图像处理，进而求其形状和^^场变ftM势。其中所述断t^^m^用单通趟;^^池处于^t机,赐中心时开始测量;所述^t机图lt^集帧频为60檢s^l00输s;测温范围8(X^2300K;工作波长为0.79//m 和0.92—。所 法的系^^*包括-转盘，与驱动ta相连；-多个滤光片，两两一组，其中一组波长为0J9Mm,另一组波长0.921拜，带麟为 O.Olnm,将4块两种波长的滤光片均匀间隔的固定在转iLb; -定位控制緣采用光电传感器感应定位錢位置；-断絲集单元，由摄像船断絲集賴成，摄像輸釆集的红外图像，经过图像 采集，输到计,处理单元中，通过图像处理禾M^行图像的分析，从而获得熔池的温 度场分布及变化信息；-驱动錢.，由步进电 成，转速由断絲集单元中的^t机的帧速辆定； 雀体倾斜15-3『角安装在M^轴旁侧，固定在光轴上，随同光轴运动。其中所述图像处理禾辨具浙克程为
步骤l )通过一种波长滤光片采集目标# 图像^^行滤波；步骤2)通鄉一种波长滤光片采集目标#^图像#^份虑波；步骤3)获取两幅目标1^M图像的对应像素点；步骤4)通过式1求所述两幅目标^^断^1"应点的;^比值；步骤5)根据S^比色算法公式，由步骤4)的比值求得断Ui各点的a^值；步骤6)用^t銜^^^值，由步骤5)求得的各点〗m生^M断象；步骤7)对步骤6)生成的被图像进行图像处理实鹏池的》嫩析，通过断缺 度特征的变化趋势即可看出温度场的变化趋势，^^大处理。，续，则返回步骤1); 式l为<formula>formula see original document page 7</formula>
其中&第一组滤光片的"l^lt波长，A第二组滤光片的^波长，A^，"第一组滤光片的^^值，iV(A,r)第二组滤光片的^^值，e",n第一组滤光片的ccD电荷输入量，g"，r)第二组滤光片的CCD电荷输入量，c"，r)第一组滤光片的斷直波长4下的 光谱辐射率，e(^,r)第二组滤光片的峰值波长^下的光谱辐射率，c2为第1射常数，rW)、 r")、科、^和/7(A)、 //(^)分别为第一组滤光片峰lS^i率、第二组滤光片,Mii率、第一组滤光片带宽、第二组滤光片带宽、第一组滤光片的CCD光谱响应函 数和第二组滤光片的CCD光谱响应函数； i敬比色算法公式为1"(r) - In - In - 5 In &其步骤7)对所il^断,图像处理实,池的^H斤分三路进行 一絲将 ^^特忠號的像素点连线实5厕图像画等温线，另一^^利用伪彩色将不同〗驢区间的 像素着不同的颜色，第三路是利用^^^池边界的^^值为阈值进行二值化处理，可将熔 池与背景分离出来，从而可进^#池图像糊正#^提取，即^^池面积、微、高度；所述滤光片错可以为2~8;摄像^^用卜12倍变焦镜头，可实粉」、 的远距离 测量。其原，本发明以普朗克黑，射定律为理ife^据,建立了一种加工进度中的温度 场实时在线检测系统，利用熔池的辐射图像比色算法求得熔池》鮍,通过^^析树條 得熔池im^布，S^变ftM势^ft息，为后缀，控制#§^制##信息，达至lj^^场本发明絲如下特点1. 双波衫工外图像比色非，测温法。,式测j&^法虽然简单，但不it^lim十M^^过程的，工作环境，而单色的红外图像^'欣需要t杂的标定，且ti/口工^f牛变化影响妙。賴'j^f、t^用双波衫工外图像比色一瞎触测^^法。双波长图像比色测温法,是根据同一时刻同—也点的两个相邻波长辐射能的比lt^确定i^ft值，因而辦的 消除了环i就禾难射率的影响。基于ccd的双波长红外图像比色测l系纟MM的测温结 构不受材料、距离絲面状况的影响，且该测量方法絲不影响被测物的^fe^布，以及 响应迅速ff尤点。2. 转盘滤光片及驱动，。在比色iM测量，中，需要连续采集两幅通过两个不 同波长滤光片的红外图像进行比色处 求恥^，在该系统中将M两个不同波长的滤 光片间隔均匀分布在转盘上，以步进电机为驱动^fi带动转盘t鍵转动，从而使不同波长 的滤光片连续间隔出现在摄像机断絲* 中。多片滤光片的<魏提高了滤光片的更替 保证了两种波长滤光片更替*$#|象机断^集频率的一致。 3.单通itM酣I^MJ^。滤光片和CCD摄像 中形成单通道型，即使用一个^^测装旨B^收，射東,再釆用两种不同波长滤光片来处魁b，射束,在图t^集过程中，单通鄉的优点在刊細一个衞象机，^>系全 ^，结构简单，便刊整。转盘滤光片、驱动^a和定位渐牛的存在保证了滤光片在单通itM图it^^f、统中分 ,换的敬树确定位。
图1是本发明的系统总体布局图。图2是滤光片在转肚的布局示意图。 图3是该^^检测装置 ^^±^/安装位置示意图。 图4是本发明一个实施例比色测温软件流程图。 图5a是本发明一个实施例比色测温，图像(熔池原始图像)。图5A是本发明一个实施例比色测温，图像(着伪彩色的熔池图像)。图k是本发明一个实施例比色测温，图像(:ii0^^^te熔池图像)。具体实齡式下面结^pf個对本发明进一步说明。本发明金属粉 ^^^过程中^^场检测方法采用双波长红外图像比色测温方 法，通过将两种波长的滤光片分时交割立于釆M;路中，有步骤的连续釆絲自于两种波 长的熔池的图像，根据来自不同波长的两幅红外图像进行断^ 比色计算，根据其比值
与温度的关系.，求得图^Jl各点的温度值，用^^值f^^^值，进而M图像，再对所 生成的雄图像进行图像处理,进而求其形状和温度变化趋势;所述断絲集光路采用单通趟；^^池处于摄像机冲赐中心时开始测量。如图i所示，本发明^^检测系纟MS 14由转盘i (圆形)，定寸i^制部件(包括定傳、钉2和光电传感器3)，外壳箱体4，驱动錢5(步进顿)，散热鳩6，数据处理 单元8 (CPU)，工，9，滤光片ll，组成，具沐采用四±夬滤光片11 (所述滤光片^1夂可为2-8片，根据转盘尺寸而定)，两两为一组， 每组一种波长，射)j为0.79Mm, 0.92lMm，带魏0.01nm，均勾间隔地固定在转盘l上 酣^:集单元8，由謝象机10(CCD)和断t^集卡7组成，摄像柳A采集的红外断象, 经过断M集，输到计Ml处理单元中进行图像的分析,从而获得熔池的^^场分布及 变化信息；其中摄像机10位于转盘1后方，旋转时，正对其中一个滤光片ll，使滤光片 n精确位于摄像机10釆^)W中；窗口12安装在外壳箱体4上，位于转盘l前方，且 与謝象机10在同一 的轴线±;驱动皿5 (本实施例釆用步进电机)的轴与转盘1中轴连接；定位装置(本实施例采用定位螺钉2)位于转盘和滤光片中心线上并在转盘边缘位置，光电传感器3安装在外壳箱体4内可感应定位螺钉(2)的位置；散热Ki6安 装在外壳箱体4壁上该实时在线^^场检测装置在加工谢呈中进機池热辐射图像的连续采叙图像数 据处理，其具体实5M^呈如下，在图1中，驱动錄5带动转盘1转动，光电传感驗3 用于感应定位螺钉2，定位螺钉2位于转盘和滤光片中心线上并在转盘边缘位置，该定位 检测錢能鄉证^^行断t^集时，滤光片11精确位于CCD摄像机10采^ 中， 随着转盘的转动，两种波长的滤光片交替出现^:M:路中，将连续采集的两幅不同波长 的热辐射断鬆乏过断絲集卡7传输到数据处理单元8中，由存于其中的比色数据处理程序进行比色计算，求得熔池15各点的^^。通过该测^^统a^口工i^呈中，进行图像的连续采集与处理,得到熔池^A场的^fe^布及变ft^t^析,实现实时在线检测功 能。图2是滤光片11在转盘上的分布示意图，四片M两种波长的滤光片间隔均匀的分 布在转处，由步进电礼驱动转盘转动，使滤光片ll分时处于絲中，保证了釆集过程 中两种波长滤光片11的交替出现四片滤光片11晰魏提高了滤光片的交替被，使之 与摄像机IO断絲集频率同步。定创累钉絲电传感器保证了滤光片在 中的定位准图3是该^^检测錢14安装位置示意图，i^4安装^fe光轴旁侧，固定在光 轴上，随同光轴运动。^^ 顷斜20°角安装，超台测量距离为25Qmm^^^池15处于 摄像机10的 中心位置。滤光片在红外图像比色测量中波长和带宽的准确选緣限制其应用的一个重要因素, 波长和带宽的选择合理條高测1^度，)^H旲差，斷誠本综合考虑测温范围、CCD 的动态范围和光谱响应范围、环境光的影响、目标 辐射度等因素之后，根据系统 的灵敏种向应值函数，确定滤光片的波长斜U为0.79(jm和0.92lMm，带宽为0.01pm，实验证明此波长的选择，系统A^很高的灵敏，JU體响应具新辦的线性度。四块两 种波长的滤光片被均匀间隔的固定在转盘上，步进电机将用作驱动装ft^驱动转盘的旋 转，其转速由实Pl^f象机的帧速率确定；定位控制刺牛的:^:双波长图像比色测温要求来自不同波长的两幅辐射图像进行比色处理，在&^检测遗呈中，两种波长的滤光片是由转盘带动分时置于采* 中的，因而^^续的断絲集过程中，要求转盘上的滤光片在CCD图^絲M;路中有精确的定位， 本发明利用光电传感器感应定位螺钉位 实1^位，从而保ffit续釆集的断t^间隔来自两种波长的滤光片。'所述图像采集单元由CCD摄像机、IO倍变焦镜头和断絲集杉且成，红外图像的采^^利用高性能的CCD摄像 誠的，CCD具有工作稳定可靠，图像清晰度、灵敏度高等优点,釆集的图ti2过断絲集橫输到计WL处理单元中进行图像的分析处理。图^^集"M吏用OK系列OK一MC10A卡，内置多种已知函数(！^技术)，控制图絲 餘式，》Piil^集窗口、采^^制 (采集格式、方式等)、启动、停絲^$制等。 系t^用COMPUTAR的H10Z1218M型号十倍变焦12 12Qmm镜头，可在250mm的测 量距离对6^8mm的熔池小4ft^，率达到9//m 。所述比色数据处理，即iM比色算法是根据普朗克黑棘射定雜导而来，比色数据 处理软件根据来自不同波长的两幅红外图像进行酣,比色计算,根据其比值与温度的 关系，求得断tii各点的温度值，之后在显示器上输出温^^布的数字和图像信息。具体实现的禾辨流程(参见图4)为先通过一种波长滤光片采集目标i^图像^^行滤波， 再通鄉 一种波长滤光片釆集目标1^M图像^t行滤波,获^^述两幅目标1^M图像的对应像素点；并求出两幅目标M^断t^应点的M比值;然后根据图ti^值和温 度值的对应关系，由式l求得酣lii各像素点的温度值;用;^^(射 ^^*^皿度图 像；再对所生成的城图像进行图像处現实3鹏池的S^^析，从而可以通过图it^ 糊正的变4後势看出^^场的变^l势。誠彰大处理，絲缘则返回； 其中式l为<formula>formula see original document page 12</formula> 其中A为第一组滤光片的喇彭皮长，^为第一组滤光片的^lt波长，a^,:o第一组滤光片的^^值，ah，门第二组滤光片的^^值，e(m为第一组滤光片的ccD电荷输入量，e",r)为第二组滤光片的cCD电荷输入量，e(A，r)为第一组滤光片的峰 值波长4下的光谱辐射率，c"，r)为第二组滤光片的峰值波长4下的光谱辐射率，q为第1射常数，rW)、 r(/g、 m、 ^和;7(;g、 /7(^)射'j为第一组滤光片斷t^率、第二组滤光片J^M^:率、第一组滤光片带宽、第二组滤光片带宽、第一组滤光片的CCD光静向应函类Mf—组滤光片的CCD光ifp向应函数； 驗比色算法公式为In / (r) - In惑L ln liM 一 5 In i其中温度比色算法公錄考虑双色滤光片波长接近，在假设两波长的光i雜射率sw，"^(4,r)的前提条件下，由式i变^M得，从而系镞5过标錄，可直接由比色 值辨D获mx寸应点的S^值r 。对所i^it图像进行图像处理实l^池的a^-析^^实施例中，参见图5-a将^緣i赋的像素点连线实称寸断象画等温线，参见图5-h利用伪彩色将不同i破区间的像素着不同的颜色《機池i^^布勤呵视化，参见图5《利用f^^池边糊^^值为阈〈;fct行二值化处理，将熔池与背景分离出来，从而可进^^#池图像樹正#^提取，即>雜池面积、敬、高度。在实时断象处理i^呈中，以上七个步骤不断循环4丸行，abc步骤中的断絲糊正的 动态变化即可看出S^的变j後势。该软件同时絲实l^池&^^布、变1後f^析、熔池图像#1正##:提取等功能，以备为后续的，^^控制^f共^lt 本发明温踅检测系统主要技;^t指标1. 转盘转速15转/s;2. 系统外，寸180x245mm;3. 系统重量5Kg;4 CCD衞象机断絲集帧觀60输s(最大可达100*s);5. 工作波长0.79， ， 0.921戶；6. 测温范围8(X>~2300K;7. 测fit度±6 ((K或。C );8. 〗鹏禱率20QmK;9. 驗指示絲率0.1 (K或。C >,10. 工作光谱范围0.75^0.95，；11. 测量圆点最小直径距离为250mm时对8mm直径的鄉絲率为9/im;12. CCD摄像做效餘640*480;13. 焦距12 120mml0倍手动变焦；14. 操作柳號,0C ;15. 相难i^ 1,%不结霜。
权利要求
1. 一种金属粉 ^^雄中^^场检测方法，^f正在雅括采用双波长红 外图像比色测^^法，通过将两种波长的滤光片分时交割立于釆* 中，有步骤的连续 采絲自于两种波长的熔池的图像，再对来自不同波长的两幅红外图像进行絲比色计 算，根据比色值与S^值的关系，求得断ti:各点的a^值，用^^銜緣，&^t^絲 度图像，再对所形成的被图像进行图像处理，进而求其形状和^^场变j後势。
2.按照权利要求1所述金属粉 ^继中^^场检测方法，^^f正在于所 述断絲M^用单通輕。
3. 按照权利要求1所述金属粉 ^继中^^场检测方法，^#|正在于在 熔池处于摄像机 中心时开始测量。
4. 按照权利要求1所述金属粉^b^谢呈中^^场检测方法，Mf正在于所 述摄像机图像釆集帧频为60^^100*s;测温范围8(XK2300K;工作波长为0.79戶 和0.921戶。
5. 按照权利要求i所述金属粉^iM^继中&^场检测方法的系^a,辦征在賴括-转盘，与驱动M4相连；-多个滤光片，两两一组，将两种波长的滤光片均匀间隔的固定在转iJt; -定位控制謝牛，釆用光电传感器感应定位^ft位置；-断tt集单元，由摄像 图#^集^^且成，摄像^l^采集的红外图像，经过图像 采集橫输到计 处理单元中，通过图像处理餅进行图像的分析，从而获得熔池的温 度场分布及变化信息；-驱动錢，由步进电鹏成，转速由断t^集单元中的樹象机的帧速率确定； ^#:倾斜15-3『角安装 光光轴旁侧，固定在光轴上，随同光轴运动。
6. 按照权利要求5所述金属粉^M^^过程中i^^场检测方法的系!M4，赚 征在于所述滤光片^l夂为2-8,其中一组波长为0.79pm，另一组波长0.921,,带麟 为O.Oljjm。
7. 按照权利要求5所述金属粉^M^^过程中^^场检测方法的系^tft，辦征在于所述图像处理餅具嵌克程为步骤1)通过一种波长滤光片采集目M^图像^^行滤波；步骤2)通淑一种波长滤光片采集目标#^图像^^伤虑波；步骤3)获取两幅目标1^图像的对应像素点；步骤4)通过式1求所述两幅目标1^图t^应点的，比值；步骤5)根敏號比色算法公式，由步骤4)的比值求得SltJi各点的i&^值；步骤6)用i^銜緣:S^值，由步骤5)求得的各点iM生^M图像；步骤7)对步骤6)生成的雄图像进行图像处理实鹏池的^^析，通过图做度特征的动变化趋势即可看出温度场的变化趋势,M彰夂处理。，续，则返回步骤1 >， 式l为<formula>formula see original document page 3</formula>其中&第一组滤光片的峰值波长，^第二组滤光片的峰值波长，A^，71第一组滤光片的^^值，w"，r)第二组滤光片的^^值，2W，r)第一组滤光片的CCD电荷输入 量，e(^,r)第二组滤光片的ccD电荷输入量，s",r)第一组滤光片的ii^it波长A下的 光谱辐射率，c",r)第二组滤光片的斷直波长^下的光i魏射率，q为第1射常数,r(A)、 "4)、科、化和/7(A). ;7(A)射ij为第一组滤光片峰i"Mii率、第二组滤光片 顺Mdi率、第一组滤光片带宽、第二组滤光片带宽、第一组滤光片的CCD光if^应函 数和第二组滤光片的CCD光i争向应函数； 》赋比色算法公式为1" (r) - ln ^i丄-ln - 5 In i
8. 按照权利要求7所述金属粉^ ^>遗呈中^^场检测方法的系 ￡，辦 征在于其中步骤7)对所i^图像进行图像处理实5鹏池的a^^析分三路进行:一 M^R^特定iM的像素点连线实5l^图像画等温线,另一^^利用伪彩色将不同iM 区间的像素着不同的颜色，第三1^利用{ ^池边界的^^值为阈*^行二偉化处理， 可将熔池与背景分离出来，从而可进ft^池图像樹正^li提取，即^條池面积、微、高 度。
9. 按照权利要求8所述金属粉^W^谢呈中^^场检测方法的系^ft，辦 征在于摄像:R^用卜12倍变焦镜头，可实粉M^的远距离测量。
全文摘要
本发明涉及金属粉末激光快速成形技术，具体是一种金属粉末激光快速成形加工过程中温度场检测方法及其系统装置。它采用双波长红外图像比色测温方法，通过将两种波长的滤光片分时交替位于采集光路中，有步骤的连续采集来自于两种波长的熔池的图像，再对来自不同波长的两幅红外图像进行灰度比色计算，根据比色值与温度值的关系，求得图像上各点的温度值，用灰度值代表温度值形成灰度图像，再对所形成的灰度图像进行图像处理，进而求其形状和温度场变化趋势。采用本发明能够在金属粉末激光快速成形过程中实时检测熔池温度场的温度分布及变化趋势，进而对其加工过程参数进行实时温度调整。
文档编号G01K13/00GK101144742SQ20061004773
公开日2008年3月19日 申请日期2006年9月13日 优先权日2006年9月13日
发明者于彦凤, 刘伟军, 姜淑娟, 普雄鹰, 飞 邢 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所