一种电弧填丝增材制造表面质量自动检测方法与流程

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种电弧填丝增材制造表面质量自动检测方法。

背景技术：

电弧填丝增材制造技术以电弧为热源、金属丝材为填充材料，通过逐层堆积的方式制造金属零部件。与以激光、电子束为热源的增材制造技术相比，电弧填丝增材制造具有材料堆积效率高、设备简单、填充材料制造成本低等显著优势，该技术主要适合于中大尺寸金属构件的成形。

众所周知，金属增材制造采用逐层叠加的方式制造金属构件，每个堆积层片之间存在明显的层间分层现象，即堆积层表面产生“台阶效应”。电弧填丝增材制造虽然堆积效率高，但过大的堆积层高引起的成形层侧面“台阶效应”更为突出，即表面质量差。因此，在保留电弧填丝增材制造原有优点的基础上，如何进一步提高其成形表面质量显得尤为重要。电弧填丝增材制造构件的表面质量影响因素众多，但优化表面质量的关键是建立一种金属构件表面质量自动检测与评价方法。目前，测量表面质量的方法众多，如触针法、干涉法。触针法采用手持仪器进行手动测量，干涉法设备昂贵，适合小型结构件的表面质量测量。考虑到电弧填丝增材制造构件的尺寸较大，测量表面质量时，金属构件不适合移动。因此，亟需探索一种电弧填丝增材制造表面质量自动检测方法，实时评价电弧填丝增材制造表面成形质量，为优化电弧填丝增材制造表面质量及减少后续精加工过程材料的浪费提供技术支撑。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于解决现有电弧填丝增材制造表面质量测量技术自动化程度低、设备成本高的难题，提出一种电弧填丝增材制造表面质量自动检测方法。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种电弧填丝增材制造表面质量自动检测方法，包括如下步骤：

步骤一：将激光主动视觉传感系统安装在执行机构上，采用二维平面网格模板完成激光主动视觉传感系统的标定；

步骤二：根据金属构件三维模型，设定每层每道堆积路径，开启电弧电源，完成一个层片的堆积后，焊枪升高一个层高，继续堆积后续层，直至满足金属构件尺寸要求，然后将电弧填丝制造的金属构件置于工作平台上；

步骤三：执行机构以恒定速度控制激光主动视觉传感系统对堆积层表面进行扫描，扫描方向与堆积路径方向相同，将扫描采集的激光条纹图像经图像处理后，提取整条激光条纹坐标，根据激光主动视觉传感系统的标定，将图像坐标系下的激光条纹恢复到三维空间，计算三维空间条纹坐标，图像坐标系与三维空间坐标系的转化关系为：

其中，(u,v)为图像坐标系坐标，(xw,yw,zw)为世界坐标系坐标，s为任意比例因子，a为ccd摄像机内参矩阵，r和t为两坐标系间的旋转矩阵和平移向量；

步骤四：采用最小二乘法对步骤三中计算的激光三维条纹进行拟合，得到拟合方程：

ax+by+cz+d＝0

其中，(x,y,z)为激光条纹点坐标，a,b,c,d是拟合获得的系数；

步骤五：计算激光条纹点到拟合平面的距离之和：

其中，di为任一点到拟合平面的距离，(xi,yi,zi)为任一激光条纹点坐标，n为激光条纹点的总数；

步骤六：计算电弧填丝增材制造构件表面质量u：

u＝∑di/n

其中，u越大，表示表面质量越差。

作为优选方式：步骤一中所述的激光主动视觉传感系统包括ccd摄像机、线激光器、窄带滤光片、中性密度减光片、铝合金外壳、工控机、显示屏，所述ccd摄像机垂直水平面安装，线激光器与水平面倾斜安装，ccd摄像机光轴与线激光器发出的激光平面的夹角为15-28°，ccd摄像机与线激光器通过螺纹连接固定在铝合金外壳内，铝合金外壳安装在执行机构上，所述窄带滤光片的中心波长与线激光器的激光波长相同，窄带滤光片与中性密度减光片安装在ccd摄像机前端，窄带滤光片与ccd摄像机镜头相邻，ccd摄像机通过usb接口端与工控机输入端连接，线激光器用于发射激光到电弧填丝增材制造构件表面，ccd摄像机采集激光条纹图像经usb接口传输到工控机中，并在显示屏上进行显示。

作为优选方式：步骤一中所述的激光主动视觉传感系统的标定过程包括如下步骤：

(1.1)、将二维平面网格模板置于激光主动视觉传感系统下方，在ccd摄像机视场范围内变换模板方位，每个方位保存一幅图像，同时开启线激光器，再保存一幅图像，模板共变换n次方位，取2n幅图像作为标定图像，n＝8～15；

(1.2)、采用平面约束模板标定法标定ccd摄像机内外参数，内参数包括主点坐标和有效焦距，外参数包括不同模板方位的旋转矩阵r和平移向量t，采用最小二乘法对激光平面拟合，获得激光平面在摄像机坐标系下的方程；

(1.3)、联合摄像机内外参数和激光平面方程，将激光条纹图像坐标转换到三维坐标系；

zc＝exc+fyc+g

其中，(xc,yc,zc)为摄像机坐标系坐标，e,f,g为激光平面方程。

作为优选方式，步骤三中图像处理的算法为：高斯滤波去除图像噪声，重心法提取激光条纹中心。

作为优选方式，步骤一中所述的执行机构为六轴机器人。

作为优选方式，所述线激光器为多线条激光器。

作为优选方式，所述的激光主动视觉传感系统的标定过程中的步骤一进一步为：将二维平面网格模板置于激光主动视觉传感系统下方，在ccd摄像机视场范围内变换模板方位，每个方位保存一幅图像，同时开启线激光器，再保存一幅图像，模板共变换十次方位，取二十幅图像作为标定图像。

本发明的有益效果为：本发明采用激光主动视觉传感系统作为测量方法，通过对传感系统进行标定，运动的激光主动视觉传感系统对电弧填丝增材制造金属构件进行表面扫描，恢复金属构件表面形貌，并建立其表面质量评价方法；本发明方法具有很高的自动化程度，实现了电弧填丝金属构件多层单道与多层多道表面质量的快速自动测量，为后续电弧填丝增材制造表面质量优化控制提供了可靠的技术支撑。

附图说明

图1是电弧填丝增材制造表面质量检测方法示意图；

图2是二维平面网格模板；

图3是电弧填丝增材制造堆积的多层单道件；

图4是激光主动视觉传感系统采集的激光条纹图像；

图5是经图像处理后获得的激光条纹图像；

图6是重建的多层单道件表面形貌图；

1为ccd摄像机，2为线激光器，3为窄带滤光片，4为中性密度减光片，5为铝合金外壳，6为工控机，7为显示屏。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如图1所示，激光主动视觉传感系统包括ccd摄像机1、线激光器2、窄带滤光片3、中性密度减光片4、铝合金外壳5、工控机6、显示屏7，所述ccd摄像机1垂直水平面安装，线激光器2与水平面成一定角度倾斜安装，ccd摄像机1光轴与线激光器2发出的激光平面的夹角为15-28°，ccd摄像机1与线激光器2通过螺纹连接固定在铝合金外壳5内，铝合金外壳5安装在执行机构上，所述窄带滤光片3的中心波长与线激光器1的激光波长相同，窄带滤光片3与中性密度减光片4安装在ccd摄像机1前端，窄带滤光片3与ccd摄像机1镜头相邻，ccd摄像机1通过usb接口端与工控机6输入端连接，线激光器2用于发射激光到电弧填丝增材制造构件表面，ccd摄像机1采集激光条纹图像经usb接口传输到工控机6中，并在显示屏7上进行显示。

一种电弧填丝增材制造表面质量自动检测方法，包括如下步骤：

步骤一：将激光主动视觉传感系统安装在执行机构上，采用二维平面网格模板完成激光主动视觉传感系统的标定；二维平面网格模板如图2所示。

步骤一中所述的激光主动视觉传感系统的标定过程包括如下步骤：

1.1、将二维平面网格模板置于激光主动视觉传感系统下方，在ccd摄像机视场范围内变换模板方位，每个方位保存一幅图像，同时开启线激光器，再保存一幅图像，模板共变换十次方位，取二十幅图像作为标定图像；

1.2、采用平面约束模板标定法标定ccd摄像机内外参数，内参数包括主点坐标和有效焦距，外参数包括不同模板方位的旋转矩阵r和平移向量t，采用最小二乘法对激光平面拟合，获得激光平面在摄像机坐标系下的方程；

1.3、联合摄像机内外参数和激光平面方程，将激光条纹图像坐标转换到三维坐标系。

zc＝exc+fyc+g

其中，(xc,yc,zc)为摄像机坐标系坐标，(xw,yw,zw)为世界坐标系坐标，r和t为摄像机坐标系与世界坐标系间的旋转矩阵和平移向量；e,f,g为激光平面方程。

具体的，步骤一中的执行机构为六轴机器人。

具体的，所述线激光器为多线条激光器。

步骤二：电弧填丝增材制造设备为panasonicyd-500fr电源，熔化极气体保护电弧作为热源，abb六轴机器人作为运动执行机构，增材制造工艺参数为：送丝速度3.8m/min，焊枪行走速度5mm/s，堆积过程保护气为95％ar+5％co2，气体流量22l/min，熔化丝材为h08mn2si低碳钢焊丝，丝材直径1.2mm，q235基板尺寸为200mm×120mm×10mm。根据金属构件三维模型，设定每层每道堆积路径，开启电弧电源，完成一个层片的堆积后，焊枪升高一个层高，继续堆积后续层，直至满足金属构件尺寸要求，成形的多层单道结构件如图3所示。然后将电弧填丝制造的金属构件置于工作平台上；

步骤三：执行机构以恒定速度控制激光主动视觉传感系统对堆积层表面进行扫描，扫描方向与堆积路径方向相同，采集的激光条纹图像如图4所示。将扫描采集的激光条纹图像经图像处理，图像处理结果如图5所示。图像处理后提取整条激光条纹坐标，根据激光主动视觉传感系统的标定，将图像坐标系下的激光条纹恢复到三维空间，计算三维空间条纹坐标，重建的金属构件表面三维形貌如图6所示。图像坐标系与三维空间坐标系的转化关系为：

其中，(u,v)为图像坐标系坐标，s为任意比例因子，a为ccd摄像机内参矩阵；

具体的，步骤三中图像处理的算法为：高斯滤波去除图像噪声，重心法提取激光条纹中心。

步骤四：采用最小二乘法对步骤三中计算的激光三维条纹进行拟合，得到拟合方程：

ax+by+cz+d＝0

其中，(x,y,z)为激光条纹点坐标，a,b,c,d是拟合获得的系数；

步骤五：计算激光条纹点到拟合平面的距离之和：

其中，di为任一点到拟合平面的距离，(xi,yi,zi)为任一激光条纹点坐标，n为激光条纹点的总数；

步骤六：计算电弧填丝增材制造构件表面质量u：

u＝∑di/n

其中，u越大，表示表面质量越差。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。