[发明专利]基于视觉传感的激光增材制造缺陷的在线诊断方法

说明书

本发明提出一种基于视觉传感的激光增材制造缺陷的在线诊断方法，包括以下步骤：通过CCD摄像机实时采集熔池模拟图像信号；通过图像采集卡，将熔池模拟图像信号转换成数字图像信号导入计算机；通过计算机对数字图像信号进行实时图像处理以得到熔池面积的时域图；对上述时域图进行短时傅里叶变换以得到熔池面积的频域图；基于熔池面积的时域图，判断熔池面积是否发生急剧波动或变化；若否，不存在制造缺陷；若是，在熔池面积发生急剧波动或者变化的时间段内，判断熔池面积的频域图中是否出现明显的异常波动；若是，存在肉眼可辨的制造缺陷；若否，存在非肉眼可辨的制造缺陷。上述方法能判断激光增材制造过程中缺陷的产生、出现时刻及缺陷类型。

技术领域

本发明涉及金属激光增材制造领域，尤其涉及一种基于视觉传感的激光增材制造缺陷的在线诊断方法。

背景技术

激光增材制造技术，具有成形零件复杂、结构优化、性能优良、加工材料范围广泛，可实现梯度功能、柔性化程度高、制造周期短等独特优点，在材料利用率、研制周期和总的制造成本方面均优于铸造和锻造技术，是一种优质、节材、低成本、无污染的先进制造技术。但是，对金属激光增材制造制件性能的研究发现，制件性能尽管在个别指标能够达到同质材料的相应标准和规范，但总体上还是存在着一定的差距，其主要原因在于增材制造技术成形机理的固有特性——“瞬态熔凝过程”所导致的制件内部的微观缺陷，如裂纹、气孔、夹渣、下塌等。或是由于工艺等实际生产原因，容易导致结合层间的结合强度不够，性能不一致等问题，使成形结构性能达不到要求，进而限制了该技术的应用。激光增材制造过程中的缺陷、成型质量等问题已经成为制约激光增材制造技术发展的瓶颈，迫切需要对其进行深入研究。

而金属激光增材制造时形成的熔池包含了大量可预测增材成型质量的信息，如熔池的宽度直接决定了增材成型的宽度，熔池高度则决定了每一层增材样件的厚度。在实际生产中，有经验的工程师主要通过观察熔池的大小、形状、颜色、亮度及流动状态来调整熔覆时的工艺参数。因此实时检测熔池在增材过程中的动态变化特征，能够揭示增材过程的物理机制，指导增材生产并改善增材质量。

发明内容

本发明提出了一种基于视觉传感的激光增材制造缺陷的在线诊断方法，以判断在激光增材制造过程中缺陷的产生、出现时刻以及缺陷的类型。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于视觉传感的激光增材制造缺陷的在线诊断方法，所述在线诊断方法所涉及的在线诊断装置包括CCD摄像机，所述CCD摄像机前置窄带滤光片，所述CCD摄像机经连接线与图像采集卡相连接，所述图像采集卡安装在计算机内；其中所述CCD摄像机采用与激光发射器同轴的方式安装在激光增材制造系统中的增材加工头上，并且所述CCD摄像机与所述增材加工头保持实时相对静止；所述在线诊断方法包括以下步骤： 步骤1、当基于同轴送粉的激光增材制造系统开始工作时，通过CCD摄像机实时采集熔池模拟图像信号； 步骤2、通过图像采集卡，将熔池模拟图像信号转换成数字图像信号后导入计算机； 步骤3、通过计算机对导入的数字图像信号进行实时图像处理以得到熔池面积随时间变化的时域图； 步骤4、对熔池面积随时间变化的时域图，进行短时傅里叶变换（STFT），以得到熔池面积的频域图； 步骤5、基于熔池面积随时间变化的时域图，判断熔池面积是否发生急剧波动或者变化； 步骤6、如果否，则表明在激光增材制造过程中不存在制造缺陷； 步骤7、如果是，则在熔池面积发生急剧波动或者变化的时间段内，判断熔池面积的频域图中是否出现明显的异常波动； 步骤8、如果是，则表明在激光增材制造过程中存在肉眼可辨的制造缺陷； 步骤9、如果否，则表明在激光增材制造过程中存在非肉眼可辨的制造缺陷。

优选的是，所述CCD摄像机的采样频率不低于12 fps。