一种粉末床熔融的红外热像仪标定方法

本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种粉末床熔融的红外热像仪标定方法。

背景技术：

粉末床熔融技术(pbf)对比其他增材制造技术，能直接制造高精度、致密度接近100％的零件，特别适用于成形自由度高、精度高的复杂结构零件。粉末床熔融技术根据加工零件实体模型的每层数据信息使用激光等高能热源逐点逐层的熔化粉末床上的粉末材料，由于常规加工使用光斑大小直径在50-200μm之间，粉末材料在较小的光斑区域中经历快速的熔化及凝固过程，在该区域产生较大瞬态热应力及温度梯度并伴随着散热过程对零件的局部凝固过程产生影响，造成较大的残余应力引起零件发生翘曲、变形甚至开裂。

因此，对成形温度场的智能检测与分析有助于指导或控制激光的扫描策略并形成温场的在线反馈系统，可以改善零件成形性能，减少由热影响带来的如微气孔、微裂纹等加工缺陷，从而提高零件成形质量、抑制缺陷。在粉末床熔融中由于激光单点能量较高常在1kw/mm²以上，一般采取非接触式测量温度方法，如红外热像仪采集物体表面上的红外辐射，通过镜头、光栅、探测器等模块检测出待测物体的二维热场图像，为适用于工业测量并且不影响激光的输出质量也一般选用旁轴测量的检测方法。因此为实时测量粉末床成形面上零件及粉末的热场分布，需对红外热像仪进行标定，建立成形面温场坐标与成像图像像素的映射关系。

目前对红外热像仪的标定方法主要以棋盘格标定板、标定箱、标定靶为主，形成用于标定的几何图案，通过特征点的识别，将所得像素点带入计算获得热像仪的内、外参数矩阵，且需不停的变换标定板等的角度方位来确定由镜头带来的径向、切向畸变等非线性因素。使用旁轴测量的热像仪参数矩阵标定也面临标定板图案固定、特征点离焦模糊、移动后需重新标定等问题。针对激光选区熔化工艺，有以下几种特点：加工时工作腔体密闭；观察视角会受不同气流下的加工烟尘影响；设备振动、形变带来的热像仪位置变化等，导致在工业测量中无法在加工过程中加入标定板重新标定已经错位或需要变位的红外热像仪，影响实时温度场的检测；其次，目前可用的激光扫描标定图案等标定方法也并未考虑红外热像仪所识别的激光能量中心并非真正的激光出光位置，而激光在离焦量和入射角度的影响下会引起激光束能量中心偏移，造成红外热像仪获取的光斑扩散环中心实际是激光斜截面上的能量分布质心位置而并非是激光入射点。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种粉末床熔融的红外热像仪标定方法，通过采用激光点形成标定网格，无需再次利用标定网格板进行标定，且标定网格中心即为激光入射的热中心，保证激光加工过程中红外热像仪被迫移动后可以简单重新标定，直接建立与激光扫描系统坐标系的映射关系。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种粉末床熔融的红外热像仪标定方法，该标定方法包括下列步骤：

s1在激光成型系统的成形基板上建立二维坐标系，在红外热像仪中建立二维图像坐标系，对所述基板的实际加工区域进行网格划分，获得多个网格节点，在所述二维坐标系中获取每个所述网格节点的二维坐标；

s2利用所述激光成型系统中发射多束激光，每束激光的激光入射点对应一个所述网格节点；采用红外热像仪拍摄所述基板上的网格点节点，并在所述图像坐标系中获得每个网格节点对应的图像坐标；

s3对于任意一个网格i，利用该网格i对应的多个顶点的二维坐标和图像坐标求解所述网格i的二维坐标系和图像坐标系之间的转换矩阵ai，以此获得所述基板上每个网格对应的转换矩阵；

s4在任意网格i中任意选取一个点j，利用该点j的二维坐标和所述任意网格i对应的转换矩阵ai计算所述点j的图像坐标，计算获得的图像坐标与点j的实际图像坐标之间的绝对误差；

s5将计算获得的所述绝对误差与预设阈值进行比较，当绝对误差大于预设阈值时，重新划分网格，返回步骤s3，直至每个网格中任意点对应的绝对误差均小于所述预设阈值，以此实现对所有网格的转换矩阵的验证，并获得验证后的每个网格对应的转换矩阵，完成红外热像仪的标定。

进一步优选地，在步骤s2中，每束激光的激光入射点对应一个所述网格节点后，还需确定实际的激光入射点，然后将所有实际的激光入射点作为新的网格节点，以此实现网格节点的修正。

进一步优选地，确定实际的激光入射点采用激光能量的质心法确定激光热中心位置，并以该中心位置的坐标作为实际的激光入射点。

进一步优选地，所述实际入射点的坐标按照下列关系式进行计算：

其中，x’和y’分别为实际激光入射点的横坐标和纵坐标，x和y分别为修正前网格节点的横坐标和纵坐标，为激光热中心偏移位移量。

进一步优选地，δs按照下列关系式计算：

其中，为激光热中心偏移位移量，θ为激光入射角，k1、k2为常数，由固定离焦量下光斑质量分析试验确定。

进一步优选地，入射角度θ按照下列关系式计算：

其中，θ为激光入射角度，x和y分别为修正前网格节点的横坐标和纵坐标，df为激光垂直入射的光程。

进一步优选地，在步骤s3中，所述转换矩阵ai按照下列关系式计算：

其中，x^*，y^*分别是网格i顶点的二维坐标的横坐标和纵坐标，u，v分别是网格i顶点的图像坐标的横坐标和纵坐标，a11，a12，a13，a21，a22，a23，a31，a32，a33是转换矩阵ai中的元素，a33＝1。

进一步优选地，在步骤s4中，所述绝对误差的计算按照下列表达式进行：

其中，ε是绝对误差，qe是实际图像坐标，qe'是计算获得的图像坐标。

进一步优选地，在步骤s5中，所述重新划分网格为将所述距离值大于预设阈值对应的所述网格i均分，以此将该网格划分为多个网格，实现网格的重新划分。

进一步优选地，所述网格i均分为将网格划分为均匀的四等分，形成四个网格。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明中采用的标定方法通过采用激光点形成标定网格，与现有技术中采用标定网格板相比，由于拍摄角度恶劣导致红外热像仪的位置发生变化后，无需再次利用标定网格板进行标定，尤其是对于封闭的加工环境，无需打开加工腔放置标定网格板，采用本发明提供的方法可直接利用激光形成激光标定网格，即可实现再次标定，标定方法简单，准确度高；

2.本发明通过采用激光进行激光标定网格，对于工作腔内产生烟尘或设备振动形变改变红外热像仪的位置的情况，可以采用本发明提供的标定方法再次直接进行标定，无需打开工作腔重新标定，避免影响工作腔内的实时温度场；

3.本发明中通过在初始划分网格后，考虑红外热像仪所识别的激光能量中心并非真正的激光出光位置，将发射的激光在成形基板上形成的激光点热中心作为实际的网格节点，形成新的网格，该过程中是对标定网格的修正，根据实际激光的激光点热中心作为标定网格节点，准确度更高；

4.本发明提出一种适用于粉末床熔融的新型红外热像仪标定方法来解决现有技术中的问题，通过理论模型和试验验证修正激光扫描坐标系下的成形热中心位置，保证激光加工过程中红外热像仪被迫移动后可以简单重新标定，直接建立与激光扫描系统坐标系的映射关系；

5.本发明通过限定误差的网格细分策略有助于解决图像隐式标定中对应总变换矩阵在边缘图像畸变区域误差较大的缺点，可以保证每个子网格内部自由点的坐标变换在设定误差内。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的粉末床熔融的红外热像仪标定方法的流程图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的粉末床熔融的红外热像仪标定方法的设备原理图及坐标系示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的网格细分的流程图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的网格点修正的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种粉末床熔融的红外热像仪标定方法，具体包括如下步骤：

步骤1：依据激光选区熔化工艺特点设计标定方式

建立标定坐标系。首先建立激光扫描系统基板上的世界坐标系，原点为激光直射位置，红外成像系统的图像坐标系，原点为图像左上角像素点中心，考虑到实际加工时激光在铺粉辊铺平的粉末床或金属基板上出光，得到的红外图像为探测器获得的二维图像，设定两坐标系均为二维坐标系，激光出光位置与离散的像素点位置均用直角坐标表示；

构造初始网格图案，标记网格节点位置，建立二维坐标数组来存储待加工点集。对实际加工区域进行初步网格划分，激光扫描系统上采用正方形网点扫描，在红外图像上以变形的四边形网点来拟合映射出的网格结构，考虑到数据的存储计算与红外热像仪检测精度范围以及后续的细分网格储存空间，初步网格划分大小应与红外热像仪的像素分布相关，其中，一个网格的大小至少大于红外图像单个像素点的覆盖区域。

将数组内未打印的网格点坐标传入激光扫描系统，由扫描振镜控制激光在特定坐标点出光。实例中红外热像仪帧频为20hz，每帧间隔时间为0.05s，而316不锈钢的粉末床与基板从最高温降到100摄氏度的散热时间分别约为0.3s和0.1s，则激光出光的间隔时间也应与出光位置的材料、组分、结构相关。

如图2所示，展示了实例中红外热像仪旁轴监测粉末床温度场的示意简图，图中包含了红外热像仪、激光扫描系统、粉末床设备以及两个坐标系，其中激光光路与扫描振镜组成激光扫描系统负责激光在基板不同位置上出光，红外热像仪以旁轴监测对准粉末床设备基板上的所需测量区域，并依据基板所在平面建立二维世界坐标系，而依据红外热像仪内获得的测量区域图片建立二维图像坐标系。

步骤2：红外热像仪获得热中心的采集与激光能量中心的校正

对于激光的实际入射点，其对应的是红外热像仪中热中心的位置，获取计算的实际入射点的位置采用质心法，在本实例中，由于激光单点加热不锈钢基材的热扩散时间较短，热流密度的分布可近似视为单点在半无穷大截面上的热扩散，所以可由扩散温度场的质心法确定激光能量中心位置。热像仪采集温度值大于100摄氏度以上所有像素点位置，由离散点质心的求取方法确定热中心位置，根据下面的关系式确定热中心点坐标pc，

其中，pi为某一像素坐标，ti为该像素上温度值，n为点集个数。

在slm中激光加工位置的改变是使用旋转的扫描振镜反射激光光束，非垂直入射点处激光都为斜入射光，并且激光器发射的激光在谐振腔内反射，对外环出射光有一定损耗，一般出射光的横截面光强呈高斯分布。若加工位置在高斯光束的束腰半径时，则最大光强不会随着斜截面角度变化而移动，但根据实际加工需要存在使用较大离焦量时，在斜截面上存在能量峰的移动，即能量中心并非光斑中心，因此在激光光束的斜截面内会随着离焦量的变化产生光强分布质心的偏移，在固定离焦量下偏移量的大小也随着斜截面角度大小变化。当红外热像仪采样频率较高时，能量中心对基材的加热时间较短，激光打开后红外热像仪测得的红外辐射能量分布变化主要由初始加热区域自身的热辐射和部分激光反射的辐射能提供，获取的点集的几何中心也应是激光能量的中心即光强分布质心位置，该位置p与激光入射点pc存在偏移量如图4所示，综上可知，需根据偏移量对实际激光入射点的位置pc进行补偿，而根据相关学者的研究，在入射角度27度以内，光斑能量分布的中心偏移量与入射角度成线性关系，可表示为：

k1单位为mm，k1与k2可根据设定离焦量下的激光在不同大小入射角度下的获得的平面光斑质量分析实验拟合确定，而入射角度θ则为：

其中，x和y分别为修正前网格节点的横坐标和纵坐标，df为激光垂直入射的光程。补偿后的光斑中心坐标p(x，y)根据下列关系式计算：

其中，x’和y’分别为实际激光入射点的横坐标和纵坐标，x和y分别为修正前网格节点的横坐标和纵坐标，为激光热中心偏移位移量。

步骤3：转换矩阵的验证和网格细分

(1)转换矩阵的求解

网格特征角点和映射关系的存储。将校正好的零件成形坐标与红外成像坐标存入二维数组后，获得激光扫描系统与红外成像系统的初步网格节点的离散对应关系。每个网格内自由点通过透视变换求取如下式，根据每个网格的4个角点两坐标系下坐标值可建立正方形内各点到变形四边形内各点的映射，即求得某一网格的8个变换系数，并将该网格的角点坐标与映射关系存入数据集内。

其中，x^*，y^*分别是网格i顶点的二维坐标的横坐标和纵坐标，u，v分别是网格i顶点的图像坐标的横坐标和纵坐标，a11，a12，a13，a21，a22，a23，a31，a32，a33是转换矩阵ai中的元素，a33＝1。

(2)转换矩阵的验证

初始的网格对应关系确定好后，需根据精度要求对网格细分以解决镜头边缘畸变带来的图形走样问题，如图3，选取一个子网格，对子网格内任意一点qe进行扫描，获取到热像仪补偿后的红外坐标qe，再通过变形网格内的四角点和透视变换的逆映射得到的激光能量中心的理论坐标点qe’，理论坐标点与真实出光采样坐标点的距离记为绝对误差ε，如式：

(3)网格加密

如果该子网格内存在一点，获得的误差大于设定好的误差值ε0，则删去该网格内映射关系，并对该子网格进行细分加密，取4个角点作为外顶点，每两角点相连线段的中点作为内角点，同时将内角点在激光扫描参考系下坐标值存入待激光扫描数据集内，之后重复步骤3，待该子网格内所有细分网格均满足误差条件则跳出循环。

遍历初始标定网格的所有子网格，得到经过误差检验后生成的变密度网格，网格数据集信息包括两坐标系下的离散控制节点以及每个子网格内自由点的坐标变换关系，完成激光扫描物理坐标系与热成像图像坐标系的标定。

本领域的技术人员容易理解，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。