[发明专利]金属粉末激光成形过程中温度场检测方法及其系统装置

说明书

技术领域

本发明涉及金属粉未激光快速成形技术和温度场的非接触测温技术，具体讲是一种金属粉末激光快速成形加工过程中温度场检测方法及其系统装置。

背景技术

金属粉末激光成形技术，出现于20世纪90年代后期，是基于快速成形技术基础的一门新型加工制造技术，其独特的金属零件加工特点使其近年来得到了广大科研院所等的普遍关注、研究及应用。金属粉末激光成形是一个多因素影响的加工过程，例如加工工艺参数变化，环境条件的不稳定等都会影响成形件的质量，且在连续的加工过程中由于误差的累计往往导致成形件的质量或精度达不到要求，因而建立加工过程实时检测控制系统极其必要。实践证明，温度场分布是反映加工过程条件的一个重要参数，稳定的温度场能够保证成形件的质量及尺寸精度要求。

测温方法有两种，接触式测温和非接触式测温，根据激光加工过程环境复杂，应选用非接触式测温方法。目前，在快速成形方面非接触红外测温是个研究热门，已有研究部门利用红外探测器进行测温，但是该仪器受加工环境干扰较大，且造价高。基于双波长的红外图像比色测方法目前已在焊接、冶金领域用来进行温度场的检测，在快速成形加工过程中的应用还未见报道，主要约束在于温度场温度变化范围大、视场范围狭小、加工环境条件恶劣等因素，因此基于双波长的红外图像比色测温方法在激光快速成形过程中的应用是一项新的温度检测技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够在金属粉末激光快速成形过程中实时检测熔池温度场的温度分布及变化趋势，并进而对其加工过程参数进行实时温度调整的检测方法及其系统装置。

本发明的技术方案包括：

金属粉末激光成形过程中温度场检测方法：采用双波长红外图像比色测温方法，通过将两种波长的滤光片分时交替位于采集光路中，有步骤的连续采集来自于两种波长的熔池的图像，再对来自不同波长的两幅红外图像进行灰度比色计算，根据比色值与温度值的关系，求得图像上各点的温度值，用灰度值代表温度值形成灰度图像，再对所形成的灰度图像进行图像处理，进而求其形状和温度场变化趋势。

其中所述图像采集光路采用单通道型；在熔池处于摄像机视场中心时开始测量；所述摄像机图像采集帧频为：60帧/s～100帧/S；测温范围：8(00～2300K；工作波长为：0.79μm和0.921μm。

所述方法的系统装置包括：

-转盘，与驱动装置相连；

-多个滤光片，两两一组，其中一组波长为0.79μm，另一组波长0.921μm，带宽均为0.01μm，将4块两种波长的滤光片均匀间隔的固定在转盘上；

-定位控制部件，采用光电传感器感应定位装置位置；

-图像采集单元，由摄像机和图像采集卡组成，摄像机所采集的红外图像，经过图像采集卡传输到计算机处理单元中，通过图像处理程序进行图像的分析，从而获得熔池的温度场分布及变化信息；

-驱动装置，由步进电机构成，转速由图像采集单元中的摄像机的帧速率确定；

整体倾斜15-30°角安装在激光光轴旁侧，固定在光轴上，随同光轴运动。

其中所述图像处理程序具体流为：

步骤1)通过一种波长滤光片采集目标体灰度图像并进行滤波；

步骤2)通过另一种波长滤光片采集目标体灰度图像并进行滤波；

步骤3)获取两幅目标体灰度图像的对应像素点；

步骤4)通过式1求所述两幅目标体灰度图像对应点的灰度比值；

步骤5)根据温度比色算法公式，由步骤4)的比值求得图像上各点的温度值；

步骤6)用灰度值代表温度值，由步骤5)求得的各点温度生成灰度图像；

步骤7)对步骤6)生成的灰度图像进行图像处理实现熔池的温度分析，通过图像灰度特征的变化趋势即可看出温度场的变化趋势，完成单次处理。若继续，则返回步骤1)；

式1为：