一种高温熔融态金属表面形貌动态测量装置及方法

1.本发明属于激光加工过程检测技术领域，具体涉及一种用于激光焊接、激光融覆、激光增材制造等过程中的高温熔融态金属表面形貌动态测量装置及方法。


背景技术：

2.随着激光加工技术的发展，尤其近年来激光焊接及增减材制造技术的发展，高精度激光加工过程的质量实时检测技术受到高度重视，尤其在进行连续加工和大尺寸构件制造时，过程的稳定性和控制是其批量应用的关键。目前，国内外针对激光热加工过程的检测有ccd图像检测（熔池监控）、红外热成像、x射线等技术。在2018年以来，针对增材制造过程的质量检测与控制技术成为全球的研究热点，这也促进了激光增材制造过程的质量控制的发展。但是在这些检测方法中，主要存在两种方式，一种是激光工作停止的间隙进行检测，另一种是成形完成后或者层间进行检测；原位x射线等技术可用于在线检测，但其使用成本，现场要求以及检测对象的适用性等要求均很高，不适用于实际的复杂结构制造过程或者工业生产现场；红外热成像等技术很难获得激光加工中的金属物体（物体状态为高温熔融态）表面的实质细微缺陷几何尺寸，更多是宏观角度去进行综合判断，无法实现在线检测；传统的ccd熔池监控和温度监控技术，则更多的是集中在熔池长度宽度和局部质量的宏观判断，对其表面形貌的缺陷检测和定量判断很难实现；结合深度学习的方法，国内外也提出了融合激光加工过程的多种工艺数据和检测系统数据来建立大数据库，从而训练得出其过程质量的波动和可能出现的质量缺陷，该方法有望实现针对具体某种材料在某种设备下的高精度过程质量判断和监控，但其建立过程需要大量的试验以及固定学习模型框架，所以一旦材料或设备状态发生了变更，其建立的训练模型和控制模型就会降低精度或失效。
3.因此，有必要提出一种能够在激光加工过程中在线地进行三维形貌测量、直接通过物体的形貌特征获取相应质量缺陷的技术方案。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中无法获取到激光加工过程的金属物体（物体状态为高温熔融态）形态缺陷的问题，提供一种高温熔融态金属表面形貌动态测量装置及方法，本方法能够在激光加工过程中直观地获取被测物体表面当前状态的形貌几何尺寸状态和结构质量情况。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：一种高温熔融态金属表面形貌动态测量方法，包括以下步骤：s1：采用基于紫外光照明的照明投影系统向被测物体表面投射标准条纹图像，实时获取被测物体表面上的调制图像；s2：对所述调制图像进行三维傅里叶变换，并根据所述调制图像对应的基频频谱信息，进行滤波，得到物体的面形调制频谱，再通过三维逆傅立叶变换，获取到所述调制图像的截断相位数据；
s3：基于所述调制图像的截断相位数据，并以空间相位展开的初值状态为基础，利用时间轴上相位的连续性关系将后续截断相位进行相位展开，得到被测物体的相位数据；s4：利用预先建立的物体相位
‑
高度映射关系，根据被测物体的相位数据，获取被测物体的高度数据，从而得到被测物体表面的点云数据。
6.通过对光源进行波段选择（采用基于紫外光源的照明投影系统对被测物体进行投影成像），能够在激光过程中的高温熔融态物体进行准确成像，以获取到物体表面的调制图像；然后对调制图像进行调制、解调得到被测物体的截断相位，采用沿时间轴的相位展开方法得到误差较小的被测物体的相位信息采用沿时间轴的相位展开方法得到被测物体的完整相位信息，再利用预先建立的相位
‑
高度映射关系，根据被测物体的相位数据，获取被测物体的高度数据，得到被测物体表面的三维点云数据，从而能够在激光加工过程中直观地获取被测物体表面当前状态的形貌几何尺寸状态和结构质量情况。
7.根据一种具体的实施方式，步骤s3中，设测量后第t幅所述调制图像在点处的截断相位为，对于同一点计算相邻两幅所述调制图像的相位差与的倍数：其中，为第t
‑
1幅所述调制图像在点处的截断相位，为相邻两幅所述调制图像的相位差；为倍数；如果前后两幅调制图像的相位差＜1，则后一时刻在空间截断相位展开过程亦不能相差，为可靠展开相位点，反之，若≥1，则删除该点作为不可靠的展开相位点。
8.根据一种具体的实施方式，根据标定参数建立所述物体相位
‑
高度映射关系，所述物体相位
‑
高度映射关系为：其中，为相机图像坐标，表示图像上每一个像素点对应的测量空间内已知位置的平面上的点相对于参考平面的高度差，为对应点的相位差，其中，为标定参数，用于表征参考平面上各点相对于基准平面的相位差与高度差之间映射系数。
9.根据一种具体的实施方式，所述基于紫外光源的照明投影系统为配置了紫外光源
的柯拉照明投影系统。
10.根据一种具体的实施方式，所述柯拉照明投影系统还包括：与所述紫外光源相连接的匀光棒结构，通过所述匀光棒结构增加所述紫外光源的亮度。
11.根据一种具体的实施方式，所述柯拉照明投影系统采用每毫米4线的光栅。
12.根据一种具体的实施方式，所述柯拉照明投影系统采用320nm中心波长照明光源。
13.在本发明进一步的实施例中，还提供一种高温熔融态金属表面形貌动态测量装置，包括：基于紫外光源的照明投影系统，用于向被测物体表面投射标准条纹图像；成像相机，用于拍摄被测物体表面形成的调制图像；数据处理模块，用于对所述调制图像进行三维傅里叶变换，并根据所述调制图像对应的基频频谱信息，进行滤波，得到物体的面形调制频谱，再通过三维逆傅立叶变换，获取到所述调制图像的截断相位数据；基于所述调制图像的截断相位数据，并以空间相位展开的初值状态为基础，利用时间轴上相位的连续性关系将后续截断相位进行相位展开，得到被测物体的相位数据；以及，利用预先建立的物体相位
‑
高度映射关系，根据被测物体的相位数据，获取被测物体的高度数据，从而得到被测物体表面的点云数据。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果：1、本发明通过对光源进行波段选择（采用基于紫外光源的照明投影系统对被测物体进行投影成像），能够在激光过程中的高温熔融态物体进行准确成像，再获取到物体表面的调制图像后，通过对调制图像进行调制、解调得到被测物体的截断相位信息；采用沿时间轴的相位展开方法得到误差较小的被测物体的相位信息，再利用预先建立的相位
‑
高度映射关系，根据被测物体的相位数据，获取被测物体的高度数据，得到被测物体表面的三维点云数据，从而能够在激光加工过程中直观地获取被测物体表面当前状态的形貌几何尺寸状态和结构质量情况。
15.2、将柯拉照明投影系统中的紫外光源处设置匀光棒结构，提高光源照明亮度，进一步保证对被测物体的成像精度。
16.3、本发明所提供的紫外照明光源柯拉照明投影系统采用每毫米4线的光栅，在保证测量精度的同时，提高测量稳定性。
附图说明
17.图1为本发明的高温熔融态金属表面形貌动态测量方法的流程图；图2为本发明的高温熔融态金属表面形貌动态测量装置的示意图（未示出数据处理模块）；图3a示出了本发明示例性实施例的紫外光led源（led阵列）；图3b示出了本发明示例性实施例的led阵列与匀光棒中的位置示意图；图3c示出了本发明示例性实施例的led阵列在匀光棒中的光线传播示意图；图3d示出了本发明示例性实施例的led阵列在匀光棒光强仿真示意图；图4为本发明的调制图像的截断相位计算过程的示意图；图5为采用空间相位展开的示意图；图6为采用沿时间轴相位展开的示意图。
具体实施方式
18.下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
19.实施例1图1示出了本发明示例性实施例的高温熔融态金属表面形貌动态测量方法，其包括以下步骤：s1：采用基于紫外光源的照明投影系统向被测物体表面投射标准条纹图像，实时获取被测物体表面上的调制图像；s2：对所述调制图像进行三维傅里叶变换，并根据所述调制图像对应的基频频谱信息，进行滤波，得到物体的面形调制频谱，再通过三维逆傅立叶变换，获取到所述调制图像的截断相位数据；s3：基于所述调制图像的截断相位数据，并以空间相位展开的初值状态为基础，利用时间轴上相位的连续性关系将后续截断相位进行相位展开，得到被测物体的相位数据；s4：利用预先建立的物体相位
‑
高度映射关系，根据被测物体的相位数据，获取被测物体的高度数据，从而得到被测物体表面的点云数据。
20.具体的，如图1、图2所示，本发明所提供的高温熔融态金属表面形貌动态测量方法，采用配置有紫外光源的柯拉照明投影系统向被测物体表面投射标准条纹图像，并通过成像相机拍摄被测物体表面形成的调制图像。柯拉照明是一种通过点光源变成平行光然后经过光栅后再聚焦的成像系统，在聚焦位置和一个镜头的焦点重合的时候，镜头就相当于把光栅的像投影到空间了。在实施时，该柯拉照明投影系统中的紫外光照明的点光源，可以为led光源、激光光源或其它生成点照明的紫外光发生器，本实施方案中采用320nm中心波长照明光源，其中激光光源安装在散热片上，实现对光源的固定和自然散热；准直镜是将点光源转化为平行光，目的是实现对光栅片的垂直照明，实现光栅表面每一点为单一光线的照射，从而获得清晰光栅像；光栅为在玻璃上刻蚀的线条，其线条在玻璃上分布均匀，其光栅线根据投影需求采用不同频率，如2线每毫米、4线每毫米和6线每毫米等，其光栅线越密则投影光信息对被测物体表面的分辨率越高，其实现的测量精度越高，但同时因光栅线越密则相同噪声条件下的信噪比越差，故测量稳定性降低，综合考虑，实施方案优选采用每毫米4线的光栅；成像镜头的目的是将光栅像通过光学系统反向投影出去，将虚拟像在物体表面变成实际光影，从而通过均匀光栅的像对物体表面实现调制。
21.进一步的，在实际测量中，由于环境光线等的影响，柯拉照明投影系统所采用的独立的led光源结构存在亮度不够的缺陷，如果采用多个led灯珠进行照直接照明会不符合柯拉照明成像的点光源的要求。因此，通过匀光棒（本实施例中匀光棒尺寸为50mm*50mm*150mm）将led阵列通过不断的反射折射增加光强，得到最后的高亮度点光源。图3a示出了本发明示例性实施例的紫外光led源（根据亮度仿真测试结果，优选为55颗led灯组成的led阵列），图3b示出了本发明示例性实施例的led阵列与匀光棒中的位置示意图，图3c示出了本发明示例性实施例的led阵列在匀光棒中的光线传播示意图，进一步的，图3d示出了本发明示例性实施例的led阵列在匀光棒光强仿真示意图（纵坐标是光强，横坐标是距离，距离单位是mm）。
22.如图4所示，本发明高温熔融态金属表面形貌动态测量方法，步骤s2中，将成像相机实时采集的动态变形条纹图像进行三维傅立叶变换，将被测量物体表面高度引起变形条纹所对应的基频频谱信息进行滤波，去除基频之外的其它频谱信息，从而获取物体面形调制频谱，再通过三维逆傅立叶变换获取到序列图像的截断相位数据供步骤s3相位展开使用。
23.本发明高温熔融态金属表面形貌动态测量方法，步骤s3中，由于经逆傅立叶变换后获得截断相位通过反正切运算求得的相位值被截断在内，必须先进行相位展开以得到真正的连续相位值，才可以实现三维几何数据计算所对应的唯一性相位值。
24.如图5所示（横坐标为：条纹数，纵坐标为相位值），其中，图5中（a）为周期性的截断相位示意图，由于反正切函数的原因，每个周期的截断相位会截断在
‑
π到，但是相位展开算法无法周期性的，所以要做相位展开，就是在第一周期的截断相位基础上加上或减去得到第二周期的相位，由此得到相应空间相位展开图图5中（b）。其中，空间相位展开是沿相位数据矩阵的行方向或者列方向，逐个比较相邻的两个像素点的截断相位值，若它们之间的差值大于，则后一点相位值减；若差值小于，则后一点相位值加，以使得相邻点的相位差在之内。
25.而如图6所示，在三维时空截断相位展开中，沿时间轴的一组相位图形成了三维空间内的相位分布。当不存在噪声与边界时，沿着任何三维路径展开都可以得到正确的连续相位；而当噪声与边界存在时，沿时间轴来展开相位（如p到p’）就会明显优于空间相位展开方法，因为它可以避免跳变、边界以及噪声等因素而导致的误差传播问题（如p到q）。
26.因此，针对熔池焊接环境高噪声条件，采用三维时空结合的空时结合相位展开方法，以空间相位展开的初值状态作为基础，利用时间轴上相位的连续性关系将后续截断相位进行相位展开。即：假设测量后每幅所述调制图像的截断相位，在同一点的时间相邻两幅所述调制图像的相位差与的倍数为；如果前后时刻小于1，则后一时刻在空间截断相位展开过程亦不能相差，反之则删除该点作为不可靠的展开相位点。
27.本发明高温熔融态金属表面形貌动态测量方法，步骤s4中，获得相位展开后，基于几何成像原理的隐式相位
‑
高度映射方法，根据标定参数就可建立起精度较高的物体相位
‑
高度映射关系，其基于二次拟合的高度
‑
相位映射关系为：
其中，为相机图像坐标，表示图像上每一个像素点对应的测量空间内已知位置的平面上的点相对于参考平面的高度差，为对应点的相位差，为标定参数，反映参考平面上各点相对于基准平面的相位差与高度差之间映射系数。
28.图2示出了本发明示例性实施例的高温熔融态金属表面形貌动态测量装置，其包括：柯拉照明投影系统，用于向被测物体表面投射标准条纹图像；成像相机，用于拍摄被测物体表面形成的调制图像；数据处理模块，用于对所述调制图像进行三维傅里叶变换，并根据所述调制图像对应的基频频谱信息，进行滤波，而获取物体面形调制频谱，再通过三维逆傅立叶变换，获取到所述调制图像的截断相位数据；并基于所述调制图像的截断相位数据，并以空间相位展开的初值状态为基础，利用时间轴上相位的连续性关系将后续截断相位进行相位展开；以及，根据标定参数，建立被测物体表面的高度
‑
相位映射关系，并根据所述高度
‑
相位映射关系，获取被测物体表面的点云数据。
29.本发明的另一方面，还提供一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质中存储有程序指令，所述程序指令被执行时，用于实现本发明的高温熔融态金属表面形貌动态测量方法。
30.应该理解到，本发明所揭露的系统，可通过其它的方式实现。例如所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，模块之间的通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
31.另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个处理单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
32.所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
33.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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。