[发明专利]一种激光增材制造粉末利用率在线监测方法

权利要求书

1.一种激光增材制造粉末利用率在线监测方法，其特征在于，该方法所用的激光增材粉末利用率在线监测系统，在原有激光增材及其在线监测系统的基础上增加图像在线处理单元和粉末利用率在线监测单元；原有激光增材及其在线监测系统包含激光器、激光头、位移装置、材料进给装置和图像旁轴采集单元；

所述的图像在线处理单元包括灰度处理模块、图像滤波降噪模块、飞溅特征提取模块；

所述的飞溅特征提取模块包括粉末飞溅范围高度特征提取和粉末飞溅范围宽度特征提取；

所述的粉末利用率在线监测单元根据图像在线处理单元所获取的数据在线得出粉末利用率值；

步骤如下：

(1)将工业相机和照明光源相互呈90°放置于垂直激光束扫描方向合适距离，并与粉末汇聚位置呈水平处，对工业相机采集设备进行对焦，并标定图像像素值与实际尺寸的比例，图像像素值与实际尺寸的比例为n:1；

(2)激光头与基体的相对位移或与已加工部分的相对位移由位移装置控制，在基体或已加工部分上进行增材加工，并通过工业相机实时采集粉末飞溅图像，粉末飞溅图像采集帧率范围为20～500fps；

(3)图像在线处理单元对采集到的粉末飞溅图像进行预处理，包括灰度处理、图像滤波降噪、粉末飞溅范围高度特征提取和粉末飞溅范围宽度特征提取，处理速度为10～200ms；

所述的粉末飞溅范围高度特征提取获得在基体或已加工部分反冲作用下粉末飞溅的最大高度像素值L₁；

所述的粉末飞溅范围宽度特征提取可获得在基体或已加工部分反冲作用下粉末飞溅的最大宽度像素值L₂；

(4)利用称重法计算实际粉末利用率S₃：激光增材加工之前将送粉器调整到指定参数，并利用定容器接收从粉管输送出的粉末，然后称量在增材加工时间内送粉系统输送的粉末质量M，并称量增材加工前基体质量m₁以及加工后基体质量m₂，则实际粉末利用率即激光增材过程中熔覆在基体上的粉末质量与该过程中送粉系统输送的总的粉末质量的比值：

(5)根据步骤(1)中的图像像素值与实际尺寸的比例n:1，以及步骤(3)图像在线处理单元对粉末飞溅图像的处理，确定激光增材制造过程中粉末飞溅范围的实际高度和粉末飞溅范围的实际宽度

(6)根据步骤(4)和步骤(5)建立实际粉末利用率S₃与粉末飞溅范围的实际高度S₁、粉末飞溅范围的实际宽度S₂的关系：S₃＝f(S₁,S₂),S₁,S₂∈R⁺；

(7)根据步骤(6)中的粉末飞溅范围的实际高度S₁和粉末飞溅范围的实际宽度S₂，确定激光增材过程中粉末利用率实时监测值。

2.根据权利要求1所述的激光增材制造粉末利用率在线监测方法，其特征在于，所述的灰度处理是使原图像灰度直方图中的灰度分布范围至少压缩至原图像的1/2。

3.根据权利要求1或2所述的激光增材制造粉末利用率在线监测方法，其特征在于，所述的图像滤波降噪是去除激光束与粉末之间因散射作用所造成的干扰，去除粉末飞溅中像素值小于3的粉末飞溅。

4.根据权利要求1或2所述的激光增材制造粉末利用率在线监测方法，其特征在于，所述激光器包括半导体激光器或Nd:YAG激光器，激光器与激光头的连接方式为光纤连接。

5.根据权利要求3所述的激光增材制造粉末利用率在线监测方法，其特征在于，所述激光器包括半导体激光器或Nd:YAG激光器，激光器与激光头的连接方式为光纤连接。

6.根据权利要求1、2或5所述的激光增材制造粉末利用率在线监测方法，其特征在于，所述的材料进给装置为送粉装置或铺粉装置。

7.根据权利要求3所述的激光增材制造粉末利用率在线监测方法，其特征在于，所述的材料进给装置为送粉装置或铺粉装置。