选择性激光熔化制造过程中平面度和轮廓度在线测量方法

摘要

本发明公开了选择性激光熔化制造过程中平面度和轮廓度在线测量方法，属于增材制造领域，其包括：S1成形坐标系的配准；S2将粉末运送至成形基板，利用面结构光三维测量方法对粉末层的进行平面度分析。若粉末层均匀，进入S3，否则返回S2；S3将粉末熔化成形，利用面结构光三维测量方法对成形层进行三维测量与平面度分析，若成形层的平面度满足要求，进入S4，否则进入S6；S4利用双目立体视觉原理对成形层的图像进行轮廓提取与三维重建，若成形层的轮廓度满足要求，进入S5，否则进入S6；S5检测零件是否加工完成。若加工完成，则进入S6；否则返回S2；S6结束加工。本发明方法能初步评估选择性激光熔化设备加工的零件的质量。

说明书

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体涉及到一种选择性激光熔化制造过程中的平面度和轮廓度的在线测量方法。

背景技术

增材制造技术在生活中的应用越来越广泛，从概念设计到功能部件，再到使用的工具，都涉及到增材制造。今天，大多数的增材制造系统都是采用的粉末床熔融增材制造技术(Addtive Manufacturing Powder Bed Fusion Processes)。其中，粉末床熔融增材制造技术包括选择性激光熔化(SLM)、直接金属激光烧结(DMSL)、选择性激光烧结(SLS)和电子束熔化(EBM)等。

相对于传统的铸造、锻造和焊接等加工方法而言，粉末床熔融增材制造技术拥有许多的优点，例如，可以快速而精确地制造出拥有复杂曲面的零件；材料利用率高，加工工序少，节约成本；不需要刀具，夹具等工艺装备，大大的缩短了开发时间。

为了促进粉末床熔融增材制造技术的进一步发展，提升粉末床熔融增材制造技术所加工零件的质量是研究人员亟待解决的问题。目前，粉末床熔融增材制造技术所加工的零件需要后处理(表面处理、热处理等)才能继续后面的质量检测。但是，零件往往会出现裂纹，空隙，翘曲等缺陷，而使用后处理来修复这些缺陷几乎是不可能的。

现在，人们常用试错法来改善零件的质量，该方法是通过相关的原理去选择多组参数，然后将参数设置在机器上加工出多个零件。最后，测试每个零件的性能，从而找出最优的工艺参数。但是，这种方法非常耗时、耗材以及不准确的。因此，为了及时、准确地检测成形缺陷，在粉末床熔融增材制造过程中进行在线质量检验是一种可行的方法。综上，实时监测加工过程的在线测量技术对于研究粉末床熔融增材制造技术有着十分重大的意义。

目前，粉末床熔融增材制造的在线测量技术的研究主要针对以下三个方面；第一方面：温度在线测量技术，以Kruth和Yadroitsev为代表的研究人员设计了一套同轴在线测量系统，该系统使用光电二极管等器件来检测熔池的温度，利用CMOS相机来观察熔池的尺寸，通过检测到的熔池的尺寸和温度分布来判断工艺参数与零件质量的初步关系。第二方面：接触式应变在线测量技术，Shiomi等人设计了一套应变计原位在线测量系统，利用安装在基板底部的应变片得到加工过程中的应变情况以预测零件增材制造过程的异常。第三方面：几何测量技术，Cooke和Kleszczynki等人使用高分辨的CCD相机观察成形区域的形状，根据分析工艺参数与成形区域的形状来改进粉末床熔融增材制造工艺。

上述多种在线测量技术对于粉末床熔融增材制造的研究有着很大的作用。但是，这些测量技术大都是针对二维的物理量进行测量，不能很好的检测、表征粉末床熔融增材制造过程中经常出现的一些三维物理量，如平面度、轮廓形貌、孔洞、裂纹和翘曲等。因此，它们在研究工艺参数、成形特性与零件质量的关系上具有一定的局限性。

综上所述，针对粉末床熔融增材制造领域，亟需开发一种可以检测零件缺陷的、较为全面的在线测量方法，用以实时的监测粉末床熔融增材制造的加工过程，对零件的质量做初步的检验。这样，在加工过程中，通过对零件质量的评估，根据成形特性修改工艺参数使得机器能够加工出质量更好的零件。同时也能够得到工艺参数、成形特性与零件质量三者之间的关系。

发明内容

针对粉末床熔融增材制造领域的在线测量需求，本发明提出了一种用于选择性激光熔化设备加工过程的测量平面度(三维)和轮廓度(三维)的在线测量方法，以此来初步评估选择性激光熔化设备加工的零件的质量，同时通过反馈控制来补偿或纠正检测到的缺陷，或者中止继续加工有缺陷的零件。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种选择性激光熔化制造过程中平面度和轮廓度在线测量方法其包括如下步骤：

S1：通过在线测量系统的标定求解出相机坐标系与成形层坐标系的相对位置关系，实现成形坐标系的配准；

S2：刮粉装置将粉末运送至成形基板，在线测量系统采集基板上粉末层的图像，利用面结构光三维测量方法对粉末层的图像进行平面度分析。若粉末层均匀，判定粉末层可以进行激光加工，则进入S3，否则返回S2；

S3：激光选择性的将粉末熔化成形，当激光加工完一层以后，在线测量系统采集基板上成形层的图像，利用面结构光三维测量方法对成形层进行三维测量与平面度分析，若成形层的平面度满足要求，判定平面度良好，则进入S4，否则进入S6；

S4：在线测量系统利用双目立体视觉原理对成形层的图像进行轮廓提取与三维重建，若成形层的轮廓度满足要求，判定轮廓良好，则进入S5，否则进入S6；

S5：检测零件是否加工完成。若加工完成，则进入S6；否则返回S2；

S6：结束本次零件的加工。

进一步的，步骤S1中，成形坐标系的配准具体如下：在选择性激光熔化设备的基板上烧蚀用于标定的图案，随后，利用两个相机采集基板图像，使用图像处理和分析系统先提取基板图像中圆心点的像素坐标，然后对圆心点进行排序，对排序好的圆心点阵列进行三维重建，最后通过计算求解出相机坐标系与成形层坐标系的相对位置关系。

进一步的，步骤S2具体包括两个子步骤：

S21：刮粉装置将粉末送到成形基板上

S22：采用两个相机采集基板上粉末层的图像，图像处理和分析系统利用面结构光三维测量方法对粉末层的图像进行平面度分析。

进一步的，步骤S22具体为：

首先，投影仪投射出三组不同频率的光栅图像，每组图像的相位移分别为0、π/2、π和3π/2，两个相机同步采集一共十二幅光栅图像，对十二幅光栅图像进行相位解相和展开运算，将采集的光栅图像中被测零件外轮廓的光强值I_i(x,y)表示为：

其中，A(x,y)为获得的光栅图的均值灰度，B(x,y)为光栅的灰度调整系数，δ_i为条纹的相移增量，为待求解的相移初始值，

再采用四步相位移进行相移初始值的计算，得到相移初始值为，

其中，参数I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)、I₄(x,y)分别为：

最后，使用求解出的相移初始值进行立体匹配，再利用相机坐标系与成形层坐标系的相对位置关系，对对应点进行三维重构，获得粉末层的平面度数据，

若平面度数据表明粉末层均匀且满足加工要求，则继续进行，否则返回第S21步。

进一步的，步骤S3中具体为：投影仪投射出三组不同频率的光栅图像，每组图像的相位移分别为0、π/2、π和3π/2，两个相机会同步的采集十二幅光栅图像，最后还保存一幅无光栅的图像，一共十三幅图像，

图像处理和分析系统先对十二幅光栅图像进行平面度分析，若成形层的平面度满足要求，则继续进行，否则结束加工。

进一步的，成形层的平面度满足要求后，对第十三幅无光栅图像进行轮廓的提取，采用Canny算子对图像的边缘进行检测，将Canny算子检测到的边缘还原成轮廓，进行判断，若提取的轮廓与计算机生成的切片的数据相符且在误差范围内，则继续进行，否则结束加工。

本发明利用面结构光三维测量方法和双目立体视觉测量原理设计了一个平面度和轮廓度在线测量方法，利用该方法可以对选择性激光熔化加工过程的铺粉和成形过程实现在线测量。

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，能够取得下列有益效果：

(1)实时监测选择性激光熔化设备加工零件时每一层的成形过程，并迅速反馈每一层的平面度及轮廓度加工信息。

(2)利用轮廓度的测量，可以很好的检测内部有特殊结构的零件。当检测到零件的缺陷时，可以及时的反馈给选择性激光熔化设备，通过反馈调节机器的参数来防止缺陷继续产生。

附图说明

图1为本发明实施例提供的在线测量系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的在线测量时的流程图；

图3为本发明实施例提供的用于成形坐标系配准的基板烧蚀图案。

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。

本发明实施例中包含一个在线测量系统，如图1所示，图1为本发明实施例提供的在线测量系统的示意图。由图可知，其具体包括第一相机1，投影仪2，第二相机3，图像处理和分析系统4。

其中，在线测量系统是安装在选择性激光熔化设备(简称SLM)5上的。第一相机1、第二相机3对称分布于投影仪2两侧，两个相机之间的距离是由被测物体的大小来确定。具体要求是被测物体能够全部出现在两个相机拍摄的图片中，并且在图片中占据70％及以上的面积。这样的设置相当于人的两只眼睛，其作用是快速准确的获取被测物体的三维信息；投影仪2的作用是投影出三组不同频率的光栅图像，每组图像的相位移分别为0、π/2、π和3π/2；图像处理和分析系统4的作用是对两个相机采集的图片进行处理和分析，获得到被测物体的平面度和轮廓度信息。

图2是本发明实施例的具体流程图，具体包括以下步骤：

第1步，成形坐标系的配准。在选择性激光熔化设备的基板上烧蚀一个图案，图案如图3所示，这是一种典型的用于标定的图案。随后，利用两个相机采集基板图像。使用图像处理和分析系统先提取基板图像中圆心点的像素坐标，然后对圆心点进行排序，对排序好的圆心点阵列进行三维重建，最后通过计算求解出相机坐标系与成形层坐标系的相对位置关系(在线测量系统安装在选择性激光熔化成形设备上之后，只需进行一次成形坐标系的配准)。

第2步，成形坐标系配准完以后，选择性激光熔化设备开始加工零件。

第2.1步，刮粉装置将粉末送到成形基板上。

第2.2步，两个相机采集基板上粉末层的图像，图像处理和分析系统利用面结构光三维测量技术对粉末层的图像进行平面度分析，具体操作如下所示：

首先，投影仪2投射出三组不同频率的光栅图像，每组图像的相位移分别为0、π/2、π和3π/2，两个相机同步采集一共十二幅光栅图像，对十二幅光栅图像进行相位解相和展开运算，将采集的光栅图像中被测零件外轮廓的光强值I_i(x,y)表示为：

其中，A(x,y)为获得的光栅图的均值灰度，B(x,y)为光栅的灰度调整系数，δ_i为条纹的相移增量，为待求解的相移初始值，

再采用标准的四步相位移进行相移初始值的计算，得到相移初始值为，

其中，参数I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)、I₄(x,y)分别为：

最后，使用求解出的相移初始值进行立体匹配，再利用第一步中相机坐标系与成形层坐标系的相对位置关系，对对应点进行三维重构，获得零件的平面度数据。若平面度数据表明粉末层均匀且满足加工要求，则继续进行，否则返回第2.1步。

第3步，激光器开始工作，通过振镜系统按切片生成的路径选择性的将粉末熔化成形。

第3.1步，两个相机采集成形层的图像，图像处理和分析系统利用面结构光三维测量方法对成形层的图像进行平面度分析，再利用双目立体视觉原理对成形层的图像进行轮廓的提取，具体操作如下所示：

投影仪2投射出3组不同频率的光栅图像，每组图像的相位移分别为0、π/2、π和3π/2，相机会同步的采集这12幅光栅图像，并在最后还保存一幅无光栅的图像，一共是13幅图像。

图像处理和分析系统先对12幅光栅图像进行平面度分析，若成形层的平面度满足要求，则继续进行，否则进入第5步。

成形层的平面度满足要求后，对最后一幅无光栅图像进行轮廓的提取。目前，国内外有很多种边缘检测的算法，其中一阶微分边缘检测算子有Sobel算子、Robert算子、Canny算子等；二阶微分边缘检测算子有Laplacian算子、LoG算子等。在这些算法中，Canny算子具有低错误率、定位边缘接近真实边缘、对真实边缘点只返回一个像素点等优点，本发明即采用Canny算子对图像的边缘进行检测。

第3.2步，将Canny算子检测到的边缘还原成轮廓表示出来。若提取的轮廓与计算机生成的切片的数据相符且在误差范围内，则继续进行，否则进入第5步。

第4步，判断零件是否加工完成，若加工完成则进入第5步，否则返回第2.1步。

第5步，结束本次零件的加工。

本发明中，双目立体视觉原理是基于视差原理，利用两个成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取物体三维信息。面结构光三维测量技术是指采用投射装置向被测物体投射出不同种类的结构光，并拍摄带有结构光图像的被测物体的图像，然后从拍摄的图像中计算出被测物体的三维形貌，具体可参见基于数字光栅投影的结构光三维测量技术与系统研究文献中所述(《基于数字光栅投影的结构光三维测量技术与系统研究》，华中科技大学博士学位论文，作者：李中伟，2009年)。

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。