一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置及方法与流程

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置及方法。

背景技术

激光选区熔化技术是以原型制造技术为基本原理发展起来的一种先进的激光增材制造技术。通过专用软件对零件三维数模进行切片分层，获得各截面的轮廓数据后，利用高能量激光束根据轮廓数据逐层选择性地熔化金属粉末，通过逐层铺粉，逐层熔化凝固堆积的方式，制造三维实体零件。

激光选区熔化属“个性化”加工方式，稳定一致的原材料粉体供应难以保证，过程中可影响部件质量的参数众多(设备、气氛、预热、粉体等)，因而部件难以实现一致的、可重复的微观组织结构和力学性能，存在随机缺陷、变形和合金成分变化等难题。事实上，目前制约增材制造技术发展的一个最大的障碍，就是打印制品质量如何保证这一问题。该问题已经成为制约3d打印广泛应用的关键所在。而解决这一问题最有效的手段即是打印过程实时在线监测，并进行闭环反馈控制。

近些年，研究人员开始尝试利用工业相机借助机器视觉技术对铺粉缺陷监测进行研究，利用红外热像仪对打印热场热应力进行分析，利用光电二极管和高速相机监测熔池；或者采用双色测温计捕捉熔池区域。然而，这些现有的技术具体使用时都存在局限性。单纯工业相机只能在铺粉时监测铺粉平整度信息捕捉铺粉缺陷或打印后观察球化现象，红外热像仪观察缺陷往往受限于分辨率；双色测温计受限于视场和采集速率，无法往闭环控制发展；此外，单独采用同轴光路监测熔池时则只能监测到熔池的实时数据，无法对粉床等其他系统问题进行监控。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置及方法，既能捕捉打印工作平面的工况，又能采集实时的熔池数据，将这些信息综合挖掘处理，更有利于实现激光选区熔化加工过程的在线监控。

为了达到上述目的，一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置，包括成型腔室，成型腔室底部放置有成型缸，成型腔室外设置有工业相机、红外热像仪、激光器、光电二极管和高速相机，工业相机和红外热像仪从成型腔室顶部拍摄成型缸的上表面，激光器、光电二极管和相机通过同轴光路照射成型缸的上表面，激光器发射出的激光通过同轴光路照射到成型缸上表面的金属粉末，光电二极管和高速相机通过同轴光路采集熔池的辐射信息，工业相机、红外热像仪、光电二极管和高速相机连接图像处理工控系统；

同轴光路包括扫描振镜，扫描振镜和高速相机之间的光路上设置有半透半反镜和分束镜，半透半反镜和分束镜之间设置有滤镜，半透半反镜靠近扫描振镜，分束镜靠近高速相机，半透半反镜用于反射激光器的光路至扫描振镜，并透射扫描振镜的出射光线至滤镜，分束镜用于反射滤镜的出射光线至光电二极管，并透射滤镜的出射光线至高速相机；

图像处理工控系统用于对工业相机、红外热像仪、光电二极管和高速相机发来的信息进行处理分析和显示，并将结果发送至打印机工控。

成型腔室的顶部开设有第一观察窗、第二观察窗和扫描振镜窗口，工业相机透过第一观察窗拍摄成型缸，红外热像仪透过第二观察窗拍摄成型缸，扫描振镜通过扫描振镜窗口照射成型缸。

成型腔室顶部内表面设置有若干led光源。

光电二极管前端设置有滤光片。

滤光片采用截止波长为800nm的高通滤光片。

滤镜采用截止波长为950nm的低通滤光片和截止波长600nm的高通滤光片组合。

图像处理工控系统包括图像处理工控机和显示器，图像处理工控机连接工业相机、红外热像仪、光电二极管和高速相机，显示器连接图像处理工控机。

一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置的监控方法，包括以下步骤：

步骤一，逐层打印工作开始前，成型缸表面铺覆金属粉末，工业相机与红外热像仪拍摄成型缸表面，并将所拍摄图像信息传递至图像处理工控系统；

步骤二，开始进行激光选区熔化零件成型；激光从激光器发射，经半透半反镜反射进入扫描振镜，再照射到成型缸表面金属粉末上；

步骤三，打印过程中，熔池辐射经过扫描振镜反射回半透半反镜，半透半反镜将1064nm的激光完全反射，而对1000nm以内熔池辐射信息的可见光和近红外光进行增透，传递至滤镜，滤镜将熔池辐射信息过滤为600nm-950nm，再经分束镜将600nm-950nm的熔池辐射信息中的一部分偏转给高速相机，另一部分偏转到光电二极管；红外热像仪捕捉打印工作面的热场分布；

步骤四，高速相机将打印过程中实时拍摄的熔池形貌实时传输给图像处理工控系统；光电二极管将打印过程中实时监测的熔池辐射光强信号传输给图像处理工控系统；红外热像仪将工作平面的热场分布传输给图像处理工控系统；

步骤五，该层打印结束后，工业相机与红外热像仪拍摄打印形貌，并将该层打印形貌传输给图像处理工控系统；

步骤六，图像处理工控系统实时对工业相机、红外热像仪、光电二极管和高速相机传输过来的信息作为工艺标记进行显示和处理，若采集的工艺标记超出阈值，图像处理工控系统将信息反馈给打印机。

步骤六中，图像处理工控系统对接收的工艺标记进行处理的具体方法如下：

第一步，确定工艺参数和所需监控的工艺标记；

第二步，数据挖掘：对工业相机、红外热像仪、光电二极管和高速相机所传输过来的数据进行数据挖掘；

第三步，数据处理与分析：通过测量、滤波、编辑和映射数据处理手段确定分析出凝固速率、冷却速率、温度分布；明确工艺参数和工艺标记之间的关系；明确熔池几何和温度剖面之间的关系；

第四步，缺陷识别和认定：对图像信息异常，即熔池几何、熔池辐射强度、粉床、打印形貌和热场的工艺标记超出阈值情况，进行识别与认定；

第五步，闭环控制：若确实鉴定属打印异常或成形缺陷情况，则图像处理工控系统反馈给打印机，对该层进行重熔处理，并调整工艺参数，提升后续加工质量，实现激光选区熔化的闭环控制。

与现有技术相比，本发明的监控装置中具有通过工业相机和红外热像仪组成的离轴在线监测装置，工业相机监测粉床缺陷与打印缺陷，红外热像仪追踪扫描路径捕捉热应力，通过光电二极管和高速相机组成的同轴在线监测装置，高速相机观察熔池的形貌，光电二极管捕捉熔池的辐射强度，这种离轴在线监测与同轴在线监测相结合的在线监测装置，既能捕捉打印工作平面的工况，又能采集实时的熔池数据，将这些信息通过图像处理工控系统进行综合挖掘处理，更有利于实现激光选区熔化加工过程的在线监控。

进一步的，本发明在光电二极管前端设置有滤光片，熔池辐射信息经滤光片后为800nm-950nm，能够避免腔室内其他可见光对辐射强度信息的干扰。

本发明的监控方法综合利用工业相机、红外热像仪、高速相机和光电二极管等非接触测量手段的优势，形成一套完整的监控方法。通过离轴在线监测装置与同轴在线监测装置相结合的在线监测方法，既能捕捉打印工作平面的工况，又能采集实时的熔池数据。将这些信息综合挖掘处理，不仅可以从微观监控金属粉末的熔化与凝固过程，又可以从宏观监控打印机系统和工件逐层质量。采用工业相机监测粉床缺陷与打印缺陷，红外热像仪追踪扫描路径并捕捉热应力；高速相机观察熔池的几何形貌，光电二极管捕捉熔池的辐射强度。并将这些工艺标记与打印工艺参数对应起来，能够更有效地实现激光选区熔化加工过程的在线监控。

附图说明

图1为本发明中监控装置的结构示意图；

图2为本发明中图像处理反馈工作流程图；

其中，1、激光器，2、同轴光路，3、工业相机，4、红外热像仪，5、第一观察窗，6、第二观察窗，7、振镜扫描窗口，8、led光源，9、成型缸，10、成型腔室，11、高速相机，12、光电二极管，13、图像处理工控系统，21、扫描振镜，22、半透半反镜，23、滤镜，24、分束镜，25、滤光片；131、图像处理工控机，132、显示器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1，一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置，包括成型腔室10，成型腔室10顶部内表面设置有若干led光源8，成型腔室10底部放置有成型缸9，成型腔室10外设置有工业相机3、红外热像仪4、激光器1、光电二极管12和高速相机11，光电二极管12前端设置有滤光片25，工业相机3和红外热像仪4从成型腔室10顶部照射成型缸10的上表面，激光器1、光电二极管12和高速相机11通过同轴光路2拍摄成型缸10的上表面，激光器1发射出的激光通过同轴光路2照射到成型缸10上表面的金属粉末，光电二极管12和高速相机11通过同轴光路2采集熔池的辐射信息，工业相机3、红外热像仪4、光电二极管12和高速相机11连接图像处理工控系统13；

同轴光路2包括扫描振镜21，扫描振镜21和高速相机11之间的光路上设置有半透半反镜22和分束镜24，半透半反镜22和分束镜24之间设置有滤镜23，半透半反镜22靠近扫描振镜21，分束镜24靠近高速相机11，半透半反镜22用于反射激光器1的光路至扫描振镜21，并透射扫描振镜21的出射光线至滤镜23，分束镜24用于反射滤镜23的出射光线至光电二极管12，并透射滤镜23的出射光线至高速相机11；

成型腔室10的顶部开设有第一观察窗5、第二观察窗6和扫描振镜窗口7，工业相机3透过第一观察窗5拍摄成型缸10，红外热像仪4透过第二观察窗6拍摄成型缸10，扫描振镜21通过扫描振镜窗口7照射成型缸10。

图像处理工控系统13用于对工业相机3、红外热像仪4、光电二极管12和高速相机11发来的信息进行处理分析和显示，并将结果发送至打印机工控，图像处理工控系统13包括图像处理工控机131和显示器132，图像处理工控机131连接工业相机3、红外热像仪4、光电二极管12和高速相机11，显示器132连接图像处理工控机131。

工业相机3的传感器类型为面阵ccd；芯片规格为35mm；分辨率为6576×4384pixels；像元大小≤5.5μm×5.5μm；帧频为6.2fps；相机的镜头前设有激光滤镜。

红外热像仪4光谱响应为7.5-14μm；像素分辨率：640×480；最大测温≥2000℃；测温精度为±2℃或±2％读数；帧频≥50hz；红外热像仪的镜头前设有激光滤镜。

高速相机11像素分辨率不低于1280×1024pixels，全分辨率条件下帧频可达2000fps，极限帧频可达100000fps；任意帧率全局曝光时间最短可达3.9μs；光谱响应范围400nm-1000nm。

光电二极管12为si光电二极管，其有效感光面积不低于5mm²；光谱相应范围400nm-1100nm，帧频不低于10000fps。

滤光片25采用截止波长为800nm的高通滤光片。

滤镜23采用截止波长为950nm的低通滤光片和截止波长600nm的高通滤光片组合。

一种激光选区熔化加工过程实时质量监控装置的监控方法，包括以下步骤：

步骤一，逐层打印工作开始前，成型缸9表面铺覆金属粉末，工业相机3与红外热像仪4拍摄成型缸9表面，并将所拍摄图像信息传递至图像处理工控系统13；

步骤二，开始进行激光选区熔化零件成型；激光从激光器1发射，经半透半反镜22反射进入扫描振镜21，再照射到成型缸9表面金属粉末上；

步骤三，打印过程中，熔池辐射经过扫描振镜21反射回半透半反镜22，半透半反镜22将1064nm的激光完全反射，而对1000nm以内熔池辐射信息的可见光和近红外光进行增透，传递至滤镜23，滤镜23将熔池辐射信息过滤为600nm-950nm，再经分束镜24将600nm-950nm的熔池辐射信息中的50％偏转给高速相机11，另外的50％偏转到滤光片25，滤光片25将该50％熔池辐射信息过滤到波长800nm-950nm，再传输到光电二极管12，能够避免腔室内其他可见光对辐射强度信息的干扰；红外热像仪4捕捉打印工作面的热场分布；

步骤四，高速相机11将打印过程中实时拍摄的熔池形貌实时传输给图像处理工控系统13；光电二极管12将打印过程中实时监测的熔池辐射光强信号传输给图像处理工控系统13；红外热像仪4将工作平面的热场分布传输给图像处理工控系统13；

步骤五，该层打印结束后，工业相机3与红外热像仪4拍摄打印形貌，并将该层打印形貌传输给图像处理工控系统13；

步骤六，图像处理工控系统13实时对工业相机3、红外热像仪4、光电二极管12和高速相机11传输过来的信息作为工艺标记进行显示和处理，若采集的工艺标记超出阈值，图像处理工控系统13将信息反馈给打印机。

参见图2，图像处理工控系统13对接收的工艺标记进行处理的具体方法如下：

第一步，确定工艺参数和所需监控的工艺标记；

第二步，数据挖掘：对工业相机3、红外热像仪4、光电二极管12和高速相机11所传输过来的数据进行数据挖掘；

第三步，数据处理与分析：通过测量、滤波、编辑和映射数据处理手段确定分析出凝固速率、冷却速率、温度分布；明确工艺参数和工艺标记之间的关系；明确熔池几何和温度剖面之间的关系；

第四步，缺陷识别和认定：对图像信息异常，即熔池几何、熔池辐射强度、粉床、打印形貌和热场的工艺标记超出阈值情况，进行识别与认定；

第五步，闭环控制：若确实鉴定属打印异常或成形缺陷情况，则图像处理工控系统13反馈给打印机，对该层进行重熔处理，并调整工艺参数，提升后续加工质量，实现激光选区熔化的闭环控制。

表1图像处理分析反馈各环节项目说明