王仁杰，史圣泰

（江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

增材制造(Additive Manufacturing, AM)技術(shù) (也稱為3D打印技術(shù))是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的新型制造技術(shù)。近三十年來，增材制造技術(shù)不斷發(fā)展，已經(jīng)在各種領(lǐng)域得到應(yīng)用，是智能制造的重要環(huán)節(jié)，為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展以及傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了巨大契機(jī)。在各種增材制造方法中，激光增材制造（Laser Additive Manufacturing，LAM) 成形技術(shù)是最具代表性的一種增材制造技術(shù)，能直接制造出全致密且力學(xué)性能優(yōu)異的零件[1]，近年來發(fā)展迅猛，成形材料種類不斷增多，成形精度不斷提高，成形結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜。

但是，金屬增材制造采用逐點(diǎn)或逐層堆積材料的方法制造金屬制件，屬于離散、堆積成形的“增材”方法，其與傳統(tǒng)的去除成形（車、銑、刨、磨等）和受迫成形（鍛壓、鑄造粉末冶金等）等“減材”制造方法存在本質(zhì)上的不同[2]。因此，其成形的金屬制件也具有不同于傳統(tǒng)金屬制件的特點(diǎn)，存在各種成形質(zhì)量問題及缺陷。因此，如何實(shí)時(shí)獲取成形過程中的行為參數(shù)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，從減少成形缺陷、提高金屬零部件的力學(xué)性能，防止變形和開裂，實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件控形控性增材制造，是目前金屬增材制造領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。

目前對(duì)于金屬激光增材制造過程中熔池的在線檢測，主要可分為可見光學(xué)攝像法、紅外熱成像法、聲信號(hào)法等。東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院的袁景光等人[3]為實(shí)現(xiàn)熔池溫度的閉環(huán)控制，基于比色測溫與光電檢測技術(shù)，提出了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的放大電路，它可以完成熔池溫度的在線檢測。哈爾濱工業(yè)大學(xué)現(xiàn)金焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與江蘇科技大學(xué)的陳琪昊，楊春利等人[4]以鋁鋰合金為研究對(duì)象，研究超聲作用階段和形式對(duì)熔池晶粒結(jié)晶的影響。

以上兩種方法分別注重于熔池溫度，晶粒結(jié)晶，而關(guān)于熔池形貌、邊緣尺寸一樣具有重要的研究意義，并且通過在線監(jiān)控構(gòu)建閉環(huán)控制，對(duì)熔池幾何形貌和溫度進(jìn)行控制，可以保證熔池的幾何形貌和溫度在熔覆過程中的穩(wěn)定，顯著提升了熔覆質(zhì)量[5]。沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室的欽蘭云等[6]在激光沉積制造過程中，證明了熔池寬度與激光功率呈正相關(guān)，與掃描速度呈負(fù)相關(guān)的結(jié)果。大阪大學(xué)連接焊接研究所與山東工業(yè)大學(xué)連接技術(shù)研究所的M.Ushio,C.S.Wu[7]建立了用于移動(dòng)GMA熔池中的熱量和流體流動(dòng)的三維模型，發(fā)現(xiàn)熔池的大小和輪廓受熔融焊絲的體積，受熔滴的沖擊和熔滴的熱含量的強(qiáng)烈影響。而與傳統(tǒng)方法不同，而機(jī)器視覺檢測技術(shù)因其具有高精度、無接觸、高速度的優(yōu)點(diǎn)，已成為智能制造中自動(dòng)測量的重要發(fā)展方向。燕山大學(xué)的張連盟[8]對(duì)工件特點(diǎn)圖象進(jìn)行圖像濾波、腐蝕、膨脹、二值化等圖像預(yù)處理技術(shù)是典型的機(jī)器視覺處理圖像方法。

本文在高速攝像機(jī)的基礎(chǔ)上，提出一種基于機(jī)器視覺技術(shù)的增材制造激光熔覆熔池邊緣在線監(jiān)測方法，并獲取熔池參數(shù)信息，分析其行為特征。本方法在機(jī)器視覺圖象處理方面做了方法改進(jìn)，提高了激光增材制造熔池的在線監(jiān)測能力，并可實(shí)時(shí)反饋，在智能制造方面有者自主判斷反饋的優(yōu)越性。

1 基于高速攝像機(jī)的激光金屬熔覆過程視頻圖象采集

激光熔覆實(shí)驗(yàn)與圖象采集：首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置試驗(yàn)臺(tái)的搭建，如圖1所示。隨之開始實(shí)驗(yàn)與圖象采集。

圖1 激光金屬熔覆試驗(yàn)臺(tái)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：進(jìn)行送粉式激光熔覆實(shí)驗(yàn)，用高速攝像機(jī)采集熔池圖象，獲得熔池二維光學(xué)圖像，在線監(jiān)測拍攝熔池視頻，并同時(shí)用機(jī)器視覺對(duì)圖象進(jìn)行處理得到熔池邊緣與熔池參數(shù)，在時(shí)間長度上對(duì)比分析熔池邊緣與參數(shù)變化并進(jìn)行分析，達(dá)到在線監(jiān)測分析的效果。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：激光熔覆實(shí)驗(yàn)臺(tái)，包括激光器，送粉系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，激光冷水機(jī)以及加工過平臺(tái)，激光熔覆頭，保護(hù)氣控制系統(tǒng)；千眼狼5F04高速相機(jī)及相機(jī)架，光源，濾光片，中性衰減片，保護(hù)鏡片，標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定板，裝有圖像采集軟件的筆記本電腦。

實(shí)驗(yàn)材料：In718粉末；基體材料。

實(shí)驗(yàn)過程：首先將高速相機(jī)架在激光熔覆試驗(yàn)臺(tái)旁，調(diào)節(jié)相機(jī)，使相機(jī)中心對(duì)準(zhǔn)單熔覆道；然后使用標(biāo)定板對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定；通過激光熔覆預(yù)實(shí)驗(yàn)選定合適的濾光片范圍，使高速相機(jī)能夠清晰地獲取熔池的表面形貌；接著開始熔覆實(shí)驗(yàn)，在基體上反復(fù)朝同一方向熔覆長度為80mm的單熔覆道，并拍攝視頻進(jìn)行在線監(jiān)測，在攝像監(jiān)測過程過程中截取圖片并處理，得到熔池邊緣圖象與參數(shù)，分析熔池行為。最后關(guān)閉電源，清理熔覆試驗(yàn)臺(tái)，整理好實(shí)驗(yàn)器材。

實(shí)驗(yàn)過程持續(xù)約100s，高速攝像機(jī)在線監(jiān)測激光熔覆、數(shù)據(jù)提取分析同時(shí)進(jìn)行，示例圖片如圖2所示。

圖2 激光金屬熔覆視頻片段

2 基于機(jī)器視覺的圖象處理

2.1 圖象處理思路與程序編寫過程簡述

首先確定如何處理圖象，此方法采用了Python-opencv作為機(jī)器視覺的實(shí)現(xiàn)載體。處理過程由python-opencv程序算法實(shí)現(xiàn)。

圖象處理步驟：

（1）將圖片灰度化以方便后續(xù)處理。

（2）首先我們需要將熔池正在被激光照射熔化的點(diǎn)進(jìn)行定位。此處進(jìn)行第一次閾值二值化，并且進(jìn)行加大腐蝕膨脹，直至圖象僅出現(xiàn)一處白區(qū)，此處便是最亮處，也就是激光照射、熔覆溫度最高的地方。由此可由程序自動(dòng)確定熔池熔化進(jìn)行點(diǎn)。

（3）隨后在原灰度圖上用上布得到的此點(diǎn)坐標(biāo)周圍區(qū)域?yàn)榕d趣區(qū)，興趣區(qū)及包括熔池的一個(gè)更精確范圍，截取這塊興趣區(qū)，在單獨(dú)進(jìn)行下一步處理，這樣可以排除其他背景的影響，減小圖象處理的難度，提高熔池邊緣檢測的準(zhǔn)確性。

（4）在截取的圖上，重新進(jìn)行腐蝕膨脹，然后進(jìn)行橫向模糊，再二次腐蝕，可進(jìn)一步把背景白點(diǎn)雜點(diǎn)最大化去除。

（5）然后再用canny邊緣檢測找到熔池輪廓邊緣。

（6）最后同時(shí)用面積和長度輪廓篩選，進(jìn)一步去除熔池邊緣以外的雜線。

（7）在處理完畢后，進(jìn)一步在找到的熔池邊緣上找到水平豎直兩個(gè)方向的邊界點(diǎn)，及圖象最高點(diǎn)、最低點(diǎn)、最左端、最右端，畫出熔池邊緣最小外包矩形，并且顯示熔池長度，寬度。圖片處理過程見圖3。

圖3 圖象處理過程

2.2 熔池的視頻圖象處理與參數(shù)獲取

此時(shí)圖象處理的流程及準(zhǔn)確確定熔池邊緣的方法已經(jīng)確定，將其應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)中在線獲得的視頻圖象處理中，便可以得到并分析實(shí)際實(shí)驗(yàn)熔池的參數(shù)、行為。

在在線監(jiān)測過程中，本實(shí)驗(yàn)以5～10s為頻率截取圖象，同時(shí)在后臺(tái)電腦上使用python-opencv對(duì)實(shí)時(shí)圖象進(jìn)行如前面所述方法進(jìn)行處理，找到熔池的邊緣，從而得到熔池的參數(shù)，并自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，繪制數(shù)據(jù)圖表，以供后臺(tái)人員進(jìn)行監(jiān)控分析。圖象及其參數(shù)數(shù)據(jù)保存在本地組成序列。圖象處理序列示意見圖4。

圖4 圖象處理序列

2.3 圖象處理方法先進(jìn)性分析

由于自動(dòng)尋找興趣區(qū)域，即熔池所在區(qū)，可以縮小圖象處理范圍，大大減少了對(duì)背景雜點(diǎn)白點(diǎn)干擾區(qū)的處理量，從而降低了圖象處理難度，提高邊緣提取精度與背景雜點(diǎn)去除效率，提高了熔池邊緣檢測精度。具體效果見圖3。

而傳統(tǒng)的opencv圖象處理方法，由于背景的打光影響，太多雜點(diǎn)與高亮區(qū)域。若想體取教完整的熔池區(qū)域，便會(huì)難以去除背景無關(guān)亮區(qū)影響，見圖5。但是若想提高閾值或者腐蝕，盡可能處理掉背景無關(guān)亮區(qū)，熔池的邊緣又會(huì)不夠準(zhǔn)確，見圖6。

圖5 傳統(tǒng)方法保留熔池區(qū)完整

圖6 傳統(tǒng)方法提高閾值

3 參數(shù)數(shù)據(jù)的處理與熔池行為分析

3.1 參數(shù)數(shù)據(jù)的處理

本次實(shí)驗(yàn)我們可以得到熔池的最小外包矩形的長寬，以及由此計(jì)算的最小外包矩形面積（近似代表熔池區(qū)域，研究其相對(duì)變化），將得到的數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)一起統(tǒng)計(jì)成表，求其均值。并且繪制折線圖，觀察其規(guī)律變化，與其圖象相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)情況相對(duì)照分析。

表1 數(shù)據(jù)處理記錄表

本次實(shí)驗(yàn)共持續(xù)100秒，截取了17張圖片組成的圖片序列。處理所得數(shù)據(jù)表見表1，最小外包矩形長度與其均值折線圖見圖7，最小外包矩形寬度與其均值折線圖見圖8，最小外包矩形面積與其均值折線圖見圖9。

圖7 長度與其均值折線圖

圖8 寬度與其均值折線圖

圖9 面積與其均值折線圖

3.2 分析熔池行為

分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表與折線圖并與原圖像對(duì)照發(fā)現(xiàn)。

（1）在激光熔覆過程中熔池的面積在進(jìn)行一定的類周期變化。且熔池面積偏大出現(xiàn)在圖象熔化軌跡的前上部分，熔池面積偏小出現(xiàn)在圖象中熔化軌跡的后下部分。分析原因可能是：①熔覆時(shí)，送粉式激光熔覆以螺旋形式前進(jìn)，在前部金屬底板新生的熔池與在后部、半凝固狀態(tài)的前熔池基礎(chǔ)上又熔覆的熔池，兩者的熔覆速度不一樣，導(dǎo)致面積也不同。②由于激光照射的原因，在激光射在融區(qū)偏上時(shí)，圖象處理將一部分打在外圈的光也包括進(jìn)去。

（2）在激光覆融的開始階段，熔池的面積有一個(gè)增加的過程。分析是因?yàn)樵陂_始熔覆的時(shí)候，溫度上升有一個(gè)初始過程。

（3）將熔池最高與最低點(diǎn)距離均值、最左與最右距離均值對(duì)比來看，及矩形的長寬均值對(duì)比來看，熔池在激光前進(jìn)方向的長度（矩形長）比熔池在垂直前進(jìn)方向的長度要長。分析原因應(yīng)于上面1-1）原理類似，是由于后部的融化部分有冷卻延遲導(dǎo)致長度方向變長。因此可以根據(jù)實(shí)時(shí)的熔池參數(shù)變化，調(diào)整相應(yīng)的激光、送粉、溫度等參數(shù)，來調(diào)整激光增材制造過程，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，使制造的零件質(zhì)量更好、可控，達(dá)到了智能制造的目的。

4 結(jié)語

為實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件激光增材制造過程的在線檢測與質(zhì)量控制，提出一種基于機(jī)器視覺的增材制造激光熔覆熔池邊緣檢測從而實(shí)時(shí)行為參數(shù)分析監(jiān)控的處理方法。并且在機(jī)器視覺處理圖象的一般方法中做了改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)表明，這種方法可以有效的對(duì)激光熔覆過程中的熔池進(jìn)行監(jiān)控，并且實(shí)時(shí)處理分析數(shù)據(jù)，相較于一般的方法更加精確有效。此方法應(yīng)用在激光增材制造中，實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)控、分析、反饋、調(diào)整，在智能制造領(lǐng)域可以起到自主監(jiān)管、保證質(zhì)量的優(yōu)越性。