[发明专利]一种激光增材制造粉末利用率在线监测方法

说明书

本发明公开了一种激光增材制造粉末利用率在线监测方法，该方法所用的激光增材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了图像在线处理单元和粉末利用率在线处理单元；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。图像在线处理单元包括灰度处理模块、图像滤波降噪模块和粉末飞溅特征提取模块；粉末利用率在线处理单元可根据图像在线处理单元获取的飞溅范围高度特征和宽度特征，在线得出粉末利用率实时监测值。该激光增材制造粉末利用率在线监测方法依靠粉末利用率在线处理单元，通过图像的标定、采集、预处理、修正和计算等实现了激光增材制造粉末利用率快速可靠的在线监测。

技术领域

本发明属于激光增材在线监测技术领域，具体地，是一种针对激光增材粉末利用率的在线监测方法。

背景技术

与传统加工模式不同，增材制造技术是一种“自下而上”逐层累加材料的过程，因其快速直接、智能化柔性化程度比较高，使传统的无法实现复杂结构件制造成为了现实。而激光增材制造技术因其能量密度高，可实现难加工材料的制造，同时其不受结构约束，能够实现结构复杂、难加工以及薄壁结构的制造，所以被广泛应用于增材制造中。但激光增材过程中高能耗、低生产率的生产特点对其发展有诸多限制。

粉末利用率是激光增材制造系统物耗多少及生产效率的重要指标，在激光增材过程中，粉末快速熔化再凝固，复杂的热传导过程中常常伴随着烧损、飞溅等现象，大大降低了粉末利用率，利用率的大小直接影响增材区域的质量以及增材过程的效率及稳定性,因而实现粉末利用率的在线监测则成为激光增材过程中至关重要的一部分。

目前激光增材领域，通过对增材过程监测来提高增材制造质量的方法已有一定进展，但目前还未有针对粉末利用率在线监测的有效方法。因此有必要提出能够在线监测激光增材粉末利用率的方法，以此解决激光增材过程中因粉末飞溅造成的粉末利用率低、加工部件质量差及加工工艺过程不稳定的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种针对激光增材粉末利用率的在线监测方法，由此解决了激光增材过程中粉末利用率在线监测的问题，从而可以实时获取激光增材制造过程中的粉末利用率值，该方法简单便捷，集成化程度高，可直接嵌入到目前监测系统中，同时适应性强，不受基体或进给材料的尺寸、属性等限制，也为后续科研与工程从业者通过对离焦量等参数的调节实现粉末利用率的在线修正与优化提供了一定的基础。

本发明的技术方案：

一种激光增材制造粉末利用率在线监测方法，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；

所述的粉末利用率在线处理单元根据图像在线处理单元所获取的粉末飞溅范围的高度和宽度特征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，采集帧率范围为20～500fps；

(3)图像在线处理单元对采集到的图像进行预处理，包括灰度处理、图像滤波降噪、粉末飞溅范围高度和宽度提取，处理速度为10～200ms；

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；