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一種激光熔覆熔池離焦量測量裝置及其測量方法
【專利摘要】一種激光熔覆熔池離焦量測量裝置，包括殼體、鏡頭，依次連接的CMOS圖像傳感器、控制器和通信模塊，所述CMOS圖像傳感器、控制器、通信模塊設置于所述殼體內(nèi)，所述鏡頭固定于所述殼體外部并與所述CMOS圖像傳感器相連接，所述鏡頭用于采集所述熔池實像并將其投射到所述COMS圖像傳感器表面，所述COMS圖像傳感器用于將所接收的光學實像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像，所述控制器根據(jù)所述COMS圖像光感器所轉(zhuǎn)化的數(shù)字圖像分析所述熔池位置，并轉(zhuǎn)化為離焦量信息，所述通信模塊向外傳遞熔池離焦量信息。本發(fā)明所揭示的激光熔覆熔池離焦量測量裝置，能夠在線實時測量出熔池離焦量，并將最終測量出的離焦量數(shù)據(jù)通過通信模塊直接輸出。
【專利說明】一種激光溶覆溶池離焦量測量裝置及其測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光熔覆以及激光增材制造領(lǐng)域，尤其涉及一種激光熔覆熔池離焦量測量裝置及其測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光增材制造(3D打印)技術(shù)中有一種同步送料實體熔覆成形技術(shù)，其工作原理為激光成形噴頭將激光束聚焦于金屬基體表面并按預定軌跡掃描，從同步送料粉管中連續(xù)噴射出金屬粉末落入激光焦點中，聚焦激光將投入的金屬粉末在底層金屬表面形成液態(tài)金屬熔池，熔池不斷熔化凝固后使得熔融的金屬逐層增長，控制激光掃描照射和粉末噴射區(qū)域可實現(xiàn)指定空間的金屬分層堆積增長并形成實體，從而實現(xiàn)激光增材制造，即所謂激光3D打印。
[0003]在上述增材制造過程中三維實體被不斷堆積長高，而激光成形噴頭也需要同步提升，以保證激光聚焦光斑始終位于不斷長高的成形表面。為保證噴頭能準確同步提升，就需要一套成形表面至噴頭距離的動態(tài)測量系統(tǒng)，在成形過程中不斷測試并計算出激光在成形表面聚焦的偏移量，或熔池偏離激光焦點的幾何量，即離焦量，然后反饋并控制噴頭的移動速度，使其離焦量不超過標準，從而保證成形精度。所以，研制能夠?qū)崟r測量當前熔池離焦量的測量系統(tǒng)十分重要。
[0004]美國專利“System and method for closed-loop control of laser claddingby powder injection”(專利號:US7043330)中提出使用CO)監(jiān)視器對熔池特征參數(shù)實時監(jiān)控與測量。CXD攝像機固定在激光頭上，捕捉到的圖形信號傳輸至工控機，在工控機上運行的圖像處理軟件對所捕捉的圖像實時分析，從而測得熔池離焦量。該專利所揭示的技術(shù)方案雖然可以實時對熔池離焦量測量，并通過3個CCD攝像機同時對熔池監(jiān)控，在一定程度上提高了測量的精確度。但是，在該專利中，由于測量系統(tǒng)的計算工作在工控機上完成，使得測量系統(tǒng)的體積增大，不利于裝備的集成，同時也增加了設備成本。
[0005]此外，公開發(fā)表的論文中也有關(guān)于熔池離焦量監(jiān)控設備的報道。“Height controlof laser metal—wire deposition based on iterative learning control and3Dscanning” 一文中提出一種基于3D形貌測量傳感器的離焦量測量系統(tǒng):將3D形貌傳感器固定于激光頭上，在每一層加工間歇利用3D形貌傳感器測量加工件表面的離焦量。此測量系統(tǒng)雖然具有較高的測量精度，但是不能對離焦量實時測量，此外3D形貌傳感器價格也較高不利于設備的成本控制。
[0006]鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，需要設計一種激光熔覆熔池離焦量測量裝置及其測量方法，以實現(xiàn)對激光熔覆熔池離焦量的實時測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明解決的問題是提供一種激光熔覆熔池離焦量測量裝置及其測量方法，以實現(xiàn)對激光熔覆熔池離焦量的實時測量。[0008]為解決上述問題，本發(fā)明揭示了一種激光熔覆熔池離焦量測量裝置，包括殼體、鏡頭，依次連接的CMOS圖像傳感器、控制器和通信模塊，所述CMOS圖像傳感器、控制器、通信模塊設置于所述殼體內(nèi)，所述鏡頭固定于所述殼體外部并與所述CMOS圖像傳感器相連接，所述鏡頭用于采集所述熔池實像并將其投射到所述COMS圖像傳感器表面，所述COMS圖像傳感器用于將所接收的光學實像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像，所述控制器根據(jù)所述COMS圖像光感器所轉(zhuǎn)化的數(shù)字圖像分析所述熔池位置，并轉(zhuǎn)化為離焦量信息，所述通信模塊向外傳遞熔池離焦量信息。
[0009]優(yōu)選地，所述控制器包括:
[0010]圖像采集模塊，用于采集所述CMOS圖像傳感器所產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)，并保存于內(nèi)存中；
[0011]灰度直方圖統(tǒng)計模塊，用于統(tǒng)計所述圖像采集模塊所采集得的圖像數(shù)據(jù)中指定圖像區(qū)域的各個灰度值出現(xiàn)的次數(shù)；
[0012]熔池灰度估計模塊，根據(jù)所述灰度直方圖統(tǒng)計模塊統(tǒng)計所得的灰度直方圖，篩選出灰度頻率峰值點， 選取灰度值最大的峰值點作為所述熔池灰度閥值；
[0013]閥值分割模塊，根據(jù)所述熔池灰度值，在所指定的圖像區(qū)域中分割出大于等于熔池灰度閥值的像素點，作為屬于熔池像素點；
[0014]熔池離焦量計算模塊，根據(jù)各個所述屬于熔池像素點位置，取平均值作為熔池在所述圖像數(shù)據(jù)中的位置，并根據(jù)此位置換算為當前熔池離焦量；
[0015]所述圖像采集模塊分別連接灰度直方圖統(tǒng)計模塊、閥值分割模塊，所述灰度直方圖統(tǒng)計模塊與熔池灰度估計模塊連接，所述熔池灰度估計模塊與閥值分割模塊連接，所述閥值分割模塊與所述熔池灰度估計模塊連接。
[0016]優(yōu)選地，所述控制器為嵌入式處理器，可以為DSP、ARM或FPGA，或者為以上三者的任意組合。嵌入式處理器的采用，能有效減小測量裝置的體積尺寸。
[0017]優(yōu)選地，所述通信模塊包括輸入端口和輸出端口，所述輸入端口用于接收所述控制器算出的熔池離焦量信息，所述輸出端口用于連接上位機，向上位機發(fā)送熔池離焦量信
肩、O
[0018]優(yōu)選地，所述輸出端口通信形式可以是模擬量通信，也可以是數(shù)字量通信，或者以上兩者組合。
[0019]本發(fā)明還揭示了上述激光熔覆熔池離焦量測量裝置的測量方法，包括以下步驟，
[0020]S1:所述鏡頭收集所述熔池發(fā)出的光信號，并投射在所述CMOS圖像傳感器表面；
[0021]S2:所述COMS圖像傳感器將在步驟SI中所接收的光學實像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像；
[0022]S3:所述控制器根據(jù)所述COMS圖像光感器在步驟S2中所轉(zhuǎn)化的數(shù)字圖像分析所述熔池位置，并轉(zhuǎn)化為離焦量信息；
[0023]S4:所述通信模塊向外傳遞在步驟S3中所得的熔池離焦量信息。
[0024]優(yōu)選地，在步驟S3中，根據(jù)以下公式將所述熔池位置轉(zhuǎn)化為離焦量信息y，
s'hcosa
[0025]J = ^^
Λτ-Λ sm α
[0026]其中，s’為所述CMOS圖像傳感器表面與所述鏡頭中心之間距離，s為所述鏡頭物平面與所述鏡頭中心之間距離，h為所述熔池與所述鏡頭物平面、所述鏡頭軸線相交點之間距離，α為所述鏡頭物平面與所述熔池的運動軌跡之間的夾角。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:本發(fā)明所揭示的激光熔覆熔池離焦量測量裝置，能夠在線實時測量出熔池離焦量，并將最終測量出的離焦量數(shù)據(jù)通過通信模塊直接輸出。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例中測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2是本發(fā)明優(yōu)選實施例中測量裝置的安裝示意圖；
[0030]圖3是本發(fā)明優(yōu)選實施例中測量裝置中控制器的軟件工作模塊示意圖；
[0031]圖4是本發(fā)明優(yōu)選實施例中測量裝置中通信模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖5是本發(fā)明優(yōu)選實施例中測量裝置的測量原理的幾何示意圖。
【具體實施方式】
[0033]現(xiàn)有的用于激光熔覆的熔池離焦量測量裝置存在以下問題:不能對離焦量實時測量，體積增大，不利于裝備的集成，同時也增加了設備成本。
[0034]鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明揭示了一種激光熔覆熔池離焦量測量裝置，包括殼體、鏡頭，依次連接的CMOS圖像傳感器、控制器和通信模塊，所述CMOS圖像傳感器、控制器、通信模塊設置于所述殼體內(nèi)，所述鏡頭固定于所述殼體外部并與所述CMOS圖像傳感器相連接，所述鏡頭用于采集所述熔池實像并將其投射到所述COMS圖像傳感器表面，所述COMS圖像傳感器用于將所接收的光學實像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像，所述控制器根據(jù)所述COMS圖像光感器所轉(zhuǎn)化的數(shù)字圖像分析所述熔池位置，并轉(zhuǎn)化為離焦量信息，所述通信模塊向外傳遞熔池離焦量信息。
[0035]優(yōu)選地，所述控制器包括:
[0036]圖像采集模塊，用于采集所述CMOS圖像傳感器所產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)，并保存于內(nèi)存中；
[0037]灰度直方圖統(tǒng)計模塊，用于統(tǒng)計所述圖像采集模塊所采集得的圖像數(shù)據(jù)中指定圖像區(qū)域的各個灰度值出現(xiàn)的次數(shù)；
[0038]熔池灰度估計模塊，根據(jù)所述灰度直方圖統(tǒng)計模塊統(tǒng)計所得的灰度直方圖，篩選出灰度頻率峰值點，選取灰度值最大的峰值點作為所述熔池灰度閥值；
[0039]閥值分割模塊，根據(jù)所述熔池灰度值，在所指定的圖像區(qū)域中分割出大于等于熔池灰度閥值的像素點，作為屬于熔池像素點；
[0040]熔池離焦量計算模塊，根據(jù)各個所述屬于熔池像素點位置，取平均值作為熔池在所述圖像數(shù)據(jù)中的位置，并根據(jù)此位置換算為當前熔池離焦量；
[0041]所述圖像采集模塊分別連接灰度直方圖統(tǒng)計模塊、閥值分割模塊，所述灰度直方圖統(tǒng)計模塊與熔池灰度估計模塊連接，所述熔池灰度估計模塊與閥值分割模塊連接，所述閥值分割模塊與所述熔池灰度估計模塊連接。
[0042]優(yōu)選地，所述控制器為嵌入式處理器，可以為DSP、ARM或FPGA，或者為以上三者的
任意組合。
[0043]優(yōu)選地，所述通信模塊包括輸入端口和輸出端口，所述輸入端口用于接收所述控制器算出的熔池離焦量信息，所述輸出端口用于連接上位機，向上位機發(fā)送熔池離焦量信
肩、O
[0044]優(yōu)選地，所述輸出端口通信形式可以是模擬量通信，也可以是數(shù)字量通信，或者以上兩者組合。
[0045]本發(fā)明還揭示了上述激光熔覆熔池離焦量測量裝置的測量方法，包括以下步驟，
[0046]S1:所述鏡頭收集所述熔池發(fā)出的光信號，并投射在所述CMOS圖像傳感器表面；
[0047]S2:所述COMS圖像傳感器將在步驟SI中所接收的光學實像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像；
[0048]S3:所述控制器根據(jù)所述COMS圖像光感器在步驟S2中所轉(zhuǎn)化的數(shù)字圖像分析所述熔池位置，并轉(zhuǎn)化為離焦量信息；
[0049]S4:所述通信模塊向外傳遞在步驟S3中所得的熔池離焦量信息。
[0050]優(yōu)選地，在步驟S3中，根據(jù)以下公式將所述熔池位置轉(zhuǎn)化為離焦量信息y，.V'A cos ?
【權(quán)利要求】
1.一種激光熔覆熔池離焦量測量裝置，其特征在于:包括殼體、鏡頭，依次連接的CMOS圖像傳感器、控制器和通信模塊，所述CMOS圖像傳感器、控制器、通信模塊設置于所述殼體內(nèi)，所述鏡頭固定于所述殼體外部并與所述CMOS圖像傳感器相連接，所述鏡頭用于采集所述熔池實像并將其投射到所述COMS圖像傳感器表面，所述COMS圖像傳感器用于將所接收的光學實像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像，所述控制器根據(jù)所述COMS圖像光感器所轉(zhuǎn)化的數(shù)字圖像分析所述熔池位置，并轉(zhuǎn)化為離焦量信息，所述通信模塊向外傳遞熔池離焦量信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熔覆熔池離焦量測量裝置，其特征在于:所述控制器包括: 圖像采集模塊，用于采集所述CMOS圖像傳感器所產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)，并保存于內(nèi)存中； 灰度直方圖統(tǒng)計模塊，用于統(tǒng)計所述圖像采集模塊所采集得的圖像數(shù)據(jù)中指定圖像區(qū)域的各個灰度值出現(xiàn)的次數(shù)； 熔池灰度估計模塊，根據(jù)所述灰度直方圖統(tǒng)計模塊統(tǒng)計所得的灰度直方圖，篩選出灰度頻率峰值點，選取灰度值最大的峰值點作為所述熔池灰度閥值；閥值分割模塊，根據(jù)所述熔池灰度值，在所指定的圖像區(qū)域中分割出大于等于熔池灰度閥值的像素點，作為屬于熔池像素點； 熔池離焦量計算模塊，根據(jù)各個所述屬于熔池像素點位置，取平均值作為熔池在所述圖像數(shù)據(jù)中的位置，并根據(jù)此位置換算為當前熔池離焦量； 所述圖像采集模塊分別連接灰度直方圖統(tǒng)計模塊、閥值分割模塊，所述灰度直方圖統(tǒng)計模塊與熔池灰度估計模塊連接，所述熔池灰度估計模塊與閥值分割模塊連接，所述閥值分割模塊與所述熔池灰度估計模塊連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光熔覆熔池離焦量測量裝置，其特征在于: 所述控制器為嵌入式處理器，可以為DSP、ARM或FPGA，或者為以上三者的任意組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熔覆熔池離焦量測量裝置，其特征在于:所述通信模塊包括輸入端口和輸出端口，所述輸入端口用于接收所述控制器算出的熔池離焦量信息，所述輸出端口用于連接上位機，向上位機發(fā)送熔池離焦量信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光熔覆熔池離焦量測量裝置，其特征在于:所述輸出端口通信形式可以是模擬量通信，也可以是數(shù)字量通信，或者以上兩者組合。
6.根據(jù)1、2、4或5任一權(quán)利要求所述的激光熔覆熔池離焦量測量裝置的測量方法，其特征在于:包括以下步驟， 51:所述鏡頭收集所述熔池發(fā)出的光信號，并投射在所述CMOS圖像傳感器表面； 52:所述COMS圖像傳感器將在步驟SI中所接收的光學實像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像； 53:所述控制器根據(jù)所述COMS圖像光感器在步驟S2中所轉(zhuǎn)化的數(shù)字圖像分析所述熔池位置，并轉(zhuǎn)化為離焦量信息； 54:所述通信模塊向外傳遞在步驟S3中所得的熔池離焦量信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光熔覆熔池離焦量測量裝置的測量方法，其特征在于:在步驟S3中，根據(jù)以下公式將所述熔池位置轉(zhuǎn)化為離焦量信息y，
s'Iiqo^ a V =-；-
,V-Zzsinor 其中，S’為所述CMOS圖像傳感器表面與所述鏡頭中心之間距離，S為所述鏡頭物平面與所述鏡頭中心之間距離，h為所述熔池與所述鏡頭物平面、所述鏡頭軸線相交點之間距離，α為所述鏡頭物 平面與所述熔池的運動軌跡之間的夾角。
【文檔編號】G01B11/14GK103983203SQ201410235777
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】石世宏, 王濤, 孫承峰 申請人:蘇州大學張家港工業(yè)技術(shù)研究院