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。
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
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
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
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
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
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。
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。