[发明专利]一种电子束熔丝沉积增材制造实时监控方法

权利要求书

1.一种电子束熔丝沉积增材制造实时监控方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)向待沉积增材的工件上发射一束高能电子束，高能电子束的能量为10KeV-150KeV；

(2)沉积开始时，设待沉积增材工件的当前沉积中心横坐标为X_c，使步骤(1)的高能电子束偏转，依次扫描待沉积增材的工件上的预热区域D₁、加工区域D₂和热处理区域D₃，并对预热区域D₁、加工区域D₂和热处理区域D₃的高能电子束流根据如下公式，进行调整：

使预热区域D₁的高能电子束流I₁为：

其中，P₁为初始设定的层积预热功率，V为电子束加速电压，T₁为电子束在预热区域D₁的停留时间，T₂为电子束在加工区域D₂的停留时间，T₃为电子束在热处理区域D₃的停留时间；

使加工区域D₂的高能电子束流I₂为：

其中，P₂为初始设定的层积加工功率；

使热处理区域D₃的高能电子束流I3为：

其中，P₃为初始设定的沉积加工功率；

(3)沉积过程中，实时采集预热区域D₁、加工区域D₂和热处理区域D₃的背散射电子束流i₁,i₂,i₃；

(4)对采集的背散射电子束流i₁,i₂,i₃分别进行差分成像处理，得到预热区域D₁、加工区域D₂和热处理区域D₃的表面形貌图像，即预热区域D₁的前层形貌图像、加工区域D₂的当前熔池形貌图像和热处理区域D₃的已沉积层形貌图像；

(5)对步骤(4)的预热区域D₁的前层形貌图像、加工区域D₂的当前熔池形貌图像和热处理区域D₃的已沉积层形貌图像进行特征提取，分别得到预热区域D₁的前层沉积形貌偏差信息、加工区域D₂的熔池大小信息和热处理区域D₃的已沉积层缺陷信息，并根据得到的信息，对待沉积增材的工件的增材制造进行实时监控。

2.如权利要求1所述的实时监控方法，其特征在于其中所述的根据得到的信息，对待沉积增材的工件的增材制造进行实时监控，包括以下步骤：

(2-1)根据预热区域D₁的前层形貌图像，得到前层沉积形貌偏差信息，并根据得到的信息，对待沉积增材的工件的增材制造进行实时监控，过程如下：

(2-1-1)获取当前预热区域处的前层沉积形貌图像，并对前层沉积形貌图像进行增强和去噪；

(2-1-2)提取增强后的前层沉积形貌图像中的灰度梯度特征，得到灰度梯度图像；

(2-1-3)对步骤(2-1-2)的灰度梯度图像进行阈值分割和沉积间隙轮廓检测，得到灰度梯度图像的沉积间隙轮廓中心方程；

(2-1-4)对步骤(2-1-3)的沉积间隙轮廓中心方程进行中心坐标提取，获得前层沉积间隙中心横坐标X_o；

(2-1-5)根据前层沉积间隙中心横坐标X_o和当前沉积中心横坐标X_c，计算当前沉积中心横坐标与目标沉积中心横坐标值的偏差E_x：E_x＝X_o－X_c，将E_x作为实时监控的状态量；

(2-1-6)根据实时监控的状态量E_x，计算预热区域D₁的待沉积增材工件横坐标X的调整量△X：

其中，△X为待沉积增材工件横坐标X的调整量，KP_x为第一比例-积分-微分控制器中的比例系数，该比例系数的取值范围为0.1～10，TI_x为第一比例-积分-微分控制器中的积分系数，该积分系数的取值范围为0.01～0.5，TD_x为第一比例-积分-微分控制器中的微分系数，该微分系数的取值范围为0.01～0.5，E_x为当前沉积中心横坐标与目标沉积中心横坐标值的偏差；

(2-1-7)根据调整量△X，得到下一控制周期预热区域D1的待沉积增材工件横坐标X’：

X’＝X_c+△X；

(2-2)根据加工区域D2的当前熔池形貌图像，得到加工区域D2的熔池大小信息，并根据该信息，对待沉积增材的工件的增材制造进行实时监控，过程如下：

(2-2-1)对加工区域D2的当前熔池形貌图像进行增强和去噪，得到一个增强后的图像；

(2-2-2)对增强后的图像进行灰度梯度特征提取，得到灰度梯度图像：

(2-2-3)对灰度梯度图像进行阈值分割，得到二值化图像，从二值化图像中检测得到熔池轮廓表征量；

(2-2-4)根据熔池轮廓表征量，计算得到当前熔池面积S_c；

(2-2-5)设定一个熔池面积的目标值S_t，计算熔池面积的目标值S_t与当前熔池面积S_c的差值E_i：E_i＝S_t－S_c，将E_i作为实时监控的状态量；

(2-2-6)根据实时监控状态量E_i，计算加工区域D₂的电子束束流调整量△I₂：

其中，△I₂为加工区域D₂的电子束束流调整量，KP_i为第二比例-积分-微分控制器中的比例系数，该比例系数的取值范围为0.1～10，TI_i为第二比例-积分-微分控制器中的积分系数，该积分系数的取值范围为0.01～0.5，TD_i为第二比例-积分-微分控制器中的微分系数，该微分系数的取值范围为0.01～0.5，E_i为熔池面积的目标值S_t与当前熔池面积S_c的差值；

(2-2-7)根据电子束束流调整量△I₂，得到下一控制周期加工区域D₂的电子束束流值为I₂’：I₂’＝I₂+△I₂；

(2-3)对热处理区域D₃的已沉积层形貌图像进行处理，得到热处理区域D₃的已沉积层缺陷信息，根据该信息，对待沉积增材的工件的增材制造进行实时监控，过程如下：

(2-3-1)对热处理区域D₃的已沉积层形貌图像进行增强和去噪，得到一个增强后的图像；

(2-3-2)对增强后的图像进行灰度梯度特征提取，得到灰度梯度图像；

(2-3-3)对灰度梯度图像进行阈值分割，得到二值化图像，从二值化图像中检测得到缺陷边缘表征量：

(2-3-4)根据缺陷边缘表征量，计算获得当前缺陷面积S_d；

(2-3-5)设定一个后期可消除缺陷面积最大值S_dmax，对当前缺陷面积S_d进行判断，若当前缺陷面积S_d小于或等于后期可消除缺陷面积最大值S_dmax，S_d≤S_dmax，则判定当前缺陷通过后续热等静压处理消除，沉积过程继续进行；若当前缺陷面积S_d大于后期可消除缺陷面积最大值S_dmax，S_d＞S_dmax，则判定当前缺陷不能通过后续热等静压处理消除，中止沉积过程，实现电子束熔丝沉积增材制造的实时监控。