[发明专利]电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建方法及装置

说明书

本发明公开了一种电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建方法及装置，其中，方法包括以下步骤：控制待沉积增材工件根据设定轨迹运动至目标位置；在采样时刻t，采集当前电子束光斑图像和工作台的XY位置信息，对初始图像进行图像处理，获得光斑位置信息；根据光斑位置信息的电子束光斑的重心的坐标信息获得工件的当前高度；根据XY位置信息和当前高度识别当前位置下的工件形貌，并将待沉积增材工件移动至下一目标位置，直至所有待检测区域的目标位置重建完成，得到零件形貌三维重建结果。该方法可以根据工艺要求，通过电子束光斑位置信息，实现对电子束熔丝增材制造中的零件三维重建，无需额外的激光测距仪。

技术领域

本发明涉及增材制造监控技术领域，特别涉及一种电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建方法及装置。

背景技术

电子束熔丝沉积制造过程中微小的缺陷即可造成上百小时沉积的零件失效，亟需对沉积过程中的每一层沉积表面进行三维重建以及时发现缺陷并进行在线修复。由于热输入的不稳定和热扩散条件的变化，在每层的沉积过程中与模型相比，最终的成形沉积件都会产生各种几何误差，如沉积开始处由于材料累积产生鼓包，在沉积结束时由于电子束冲力产生凹坑，在拐角处由于扩散条件变差产生塌陷。每层中的这种沉积几何误差(尤其是高度上的误差)会对最终的零件形貌和质量产生重要影响。因为增材制造过程中为了保证成形精度，每层的厚度都很薄。一个10厘米高的零件通常要沉积100多层。这就造成每层即使误差很小，逐层累积后也会造成最终的零件失效。这一点在电子束熔丝沉积增材制造过程中显得尤为重要。因为电子束熔丝沉积增材制造由于沉积效率高，常用作制造大型航空结构件。而这种沉积的几何误差极容易产生缺陷，从而造成上百小时沉积的零件作废，极大地影响了制造效率。为此需要在沉积过程中，对每个沉积层进行三维重建，获得沉积误差信息，从而在下一层沉积过程中，对其进行补偿，从而避免误差累积造成零件失效。

已有研究者开始针对电子束熔丝增材过程中的沉积件进行形貌测量研究，例如，一种电子束熔丝增材制造形貌测量装置，其在真空室顶部安装了激光位移传感器，实现了对沉积件的形貌检测。其缺点是激光在金属沉积件的表面会产生镜面反射导致接收器无法检测到激光光斑。另外电子束熔丝制造过程中会产生大量金属蒸气，激光器镜头处极易被金属蒸气蒸镀，同样会导致接收器无法检测到激光光斑。

发明内容

本申请是基于发明人对以下问题的认识和发现做出的：

在电子束熔丝沉积增材制造过程中，由于沉积过程热扩散条件的不断变化，在每层的沉积中都会产生与模型尺寸的偏差。为了防止偏差逐层累积，亟需对每个沉积层进行三维重建，从而在下一层沉积时对上层沉积误差进行补偿。然而，传统的线激光结构光三维重建方法无法满足在电子束熔丝沉增材制造过程中长时间稳定工作的要求，亟待解决。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建方法，该方法可以根据工艺要求，通过电子束光斑位置信息，实现对电子束熔丝增材制造中的零件三维重建，且无需额外的激光测距仪，并有效克服了激光在工件表面产生镜面反射和激光聚焦镜头被金属蒸气污染的缺点。

本发明的另一个目的在于提出一种电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建装置。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建方法，包括以下步骤：控制待沉积增材工件根据设定轨迹运动至目标位置；在采样时刻t，采集当前电子束光斑图像和工作台的XY位置信息，对初始图像进行图像处理，获得光斑位置信息；根据所述光斑位置信息的电子束光斑的重心的坐标信息获得工件的当前高度；根据所述XY位置信息和所述当前高度识别当前位置下的工件形貌，并将所述待沉积增材工件移动至下一目标位置，直至所有待检测区域的目标位置重建完成，得到零件形貌三维重建结果。