一种粉末床熔融的红外热像仪标定方法技术

本发明专利技术属于增材制造相关技术领域，并公开了一种粉末床熔融的红外热像仪标定方法。包括下列步骤：S1对基板的实际加工区域进行网格划分，获取每个网格节点的二维坐标；S2发射多束激光，激光入射点对应一个网格节点；采用红外热像仪拍摄基板上的网格点节点，并获得每个网格节点对应的图像坐标；S3每个网格节点二维坐标和图像坐标之间的转换矩阵；S4验证转换矩阵是否准确；S5不准确，重新划分网格，返回步骤S3，直至转换矩阵符合要求，并获得每个网格对应的转换矩阵，完成红外热像仪的标定。通过本发明专利技术，保证激光加工过程中红外热像仪被迫移动后可以简单重新标定，直接建立与激光扫描系统坐标系的映射关系，准确度高。

【技术实现步骤摘要】
一种粉末床熔融的红外热像仪标定方法
本专利技术属于增材制造相关
，更具体地，涉及一种粉末床熔融的红外热像仪标定方法。
技术介绍
粉末床熔融技术(PBF)对比其他增材制造技术，能直接制造高精度、致密度接近100％的零件，特别适用于成形自由度高、精度高的复杂结构零件。粉末床熔融技术根据加工零件实体模型的每层数据信息使用激光等高能热源逐点逐层的熔化粉末床上的粉末材料，由于常规加工使用光斑大小直径在50-200μm之间，粉末材料在较小的光斑区域中经历快速的熔化及凝固过程，在该区域产生较大瞬态热应力及温度梯度并伴随着散热过程对零件的局部凝固过程产生影响，造成较大的残余应力引起零件发生翘曲、变形甚至开裂。因此，对成形温度场的智能检测与分析有助于指导或控制激光的扫描策略并形成温场的在线反馈系统，可以改善零件成形性能，减少由热影响带来的如微气孔、微裂纹等加工缺陷，从而提高零件成形质量、抑制缺陷。在粉末床熔融中由于激光单点能量较高常在1kw/mm2以上，一般采取非接触式测量温度方法，如红外热像仪采集物体表面上的红外辐射，通过镜头、光栅、探测器等模块检测出待测物体的二维热场图像，为适用于工业测量并且不影响激光的输出质量也一般选用旁轴测量的检测方法。因此为实时测量粉末床成形面上零件及粉末的热场分布，需对红外热像仪进行标定，建立成形面温场坐标与成像图像像素的映射关系。目前对红外热像仪的标定方法主要以棋盘格标定板、标定箱、标定靶为主，形成用于标定的几何图案，通过特征点的识别，将所得像素点带入计算获得热像仪的内、外参数矩阵，且需不停的变换标定板等的角度方位来确定由镜头带来的径向、切向畸变等非线性因素。使用旁轴测量的热像仪参数矩阵标定也面临标定板图案固定、特征点离焦模糊、移动后需重新标定等问题。针对激光选区熔化工艺，有以下几种特点：加工时工作腔体密闭；观察视角会受不同气流下的加工烟尘影响；设备振动、形变带来的热像仪位置变化等，导致在工业测量中无法在加工过程中加入标定板重新标定已经错位或需要变位的红外热像仪，影响实时温度场的检测；其次，目前可用的激光扫描标定图案等标定方法也并未考虑红外热像仪所识别的激光能量中心并非真正的激光出光位置，而激光在离焦量和入射角度的影响下会引起激光束能量中心偏移，造成红外热像仪获取的光斑扩散环中心实际是激光斜截面上的能量分布质心位置而并非是激光入射点。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种粉末床熔融的红外热像仪标定方法，通过采用激光点形成标定网格，无需再次利用标定网格板进行标定，且标定网格中心即为激光入射的热中心，保证激光加工过程中红外热像仪被迫移动后可以简单重新标定，直接建立与激光扫描系统坐标系的映射关系。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种粉末床熔融的红外热像仪标定方法，该标定方法包括下列步骤：S1在激光成型系统的成形基板上建立二维坐标系，在红外热像仪中建立二维图像坐标系，对所述基板的实际加工区域进行网格划分，获得多个网格节点，在所述二维坐标系中获取每个所述网格节点的二维坐标；S2利用所述激光成型系统中发射多束激光，每束激光的激光入射点对应一个所述网格节点；采用红外热像仪拍摄所述基板上的网格点节点，并在所述图像坐标系中获得每个网格节点对应的图像坐标；S3对于任意一个网格i，利用该网格i对应的多个顶点的二维坐标和图像坐标求解所述网格i的二维坐标系和图像坐标系之间的转换矩阵Ai，以此获得所述基板上每个网格对应的转换矩阵；S4在任意网格i中任意选取一个点j，利用该点j的二维坐标和所述任意网格i对应的转换矩阵Ai计算所述点j的图像坐标，计算获得的图像坐标与点j的实际图像坐标之间的绝对误差；S5将计算获得的所述绝对误差与预设阈值进行比较，当绝对误差大于预设阈值时，重新划分网格，返回步骤S3，直至每个网格中任意点对应的绝对误差均小于所述预设阈值，以此实现对所有网格的转换矩阵的验证，并获得验证后的每个网格对应的转换矩阵，完成红外热像仪的标定。进一步优选地，在步骤S2中，每束激光的激光入射点对应一个所述网格节点后，还需确定实际的激光入射点，然后将所有实际的激光入射点作为新的网格节点，以此实现网格节点的修正。进一步优选地，确定实际的激光入射点采用激光能量的质心法确定激光热中心位置，并以该中心位置的坐标作为实际的激光入射点。进一步优选地，所述实际入射点的坐标按照下列关系式进行计算：其中，x’和y’分别为实际激光入射点的横坐标和纵坐标，x和y分别为修正前网格节点的横坐标和纵坐标，为激光热中心偏移位移量。进一步优选地，Δs按照下列关系式计算：其中，为激光热中心偏移位移量，θ为激光入射角，k1、k2为常数，由固定离焦量下光斑质量分析试验确定。进一步优选地，入射角度θ按照下列关系式计算：其中，θ为激光入射角度，x和y分别为修正前网格节点的横坐标和纵坐标，df为激光垂直入射的光程。进一步优选地，在步骤S3中，所述转换矩阵Ai按照下列关系式计算：其中，x*，y*分别是网格i顶点的二维坐标的横坐标和纵坐标，u，v分别是网格i顶点的图像坐标的横坐标和纵坐标，a11，a12，a13，a21，a22，a23，a31，a32，a33是转换矩阵Ai中的元素，a33＝1。进一步优选地，在步骤S4中，所述绝对误差的计算按照下列表达式进行：其中，ε是绝对误差，Qe是实际图像坐标，Qe'是计算获得的图像坐标。进一步优选地，在步骤S5中，所述重新划分网格为将所述距离值大于预设阈值对应的所述网格i均分，以此将该网格划分为多个网格，实现网格的重新划分。进一步优选地，所述网格i均分为将网格划分为均匀的四等分，形成四个网格。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：1.本专利技术中采用的标定方法通过采用激光点形成标定网格，与现有技术中采用标定网格板相比，由于拍摄角度恶劣导致红外热像仪的位置发生变化后，无需再次利用标定网格板进行标定，尤其是对于封闭的加工环境，无需打开加工腔放置标定网格板，采用本专利技术提供的方法可直接利用激光形成激光标定网格，即可实现再次标定，标定方法简单，准确度高；2.本专利技术通过采用激光进行激光标定网格，对于工作腔内产生烟尘或设备振动形变改变红外热像仪的位置的情况，可以采用本专利技术提供的标定方法再次直接进行标定，无需打开工作腔重新标定，避免影响工作腔内的实时温度场；3.本专利技术中通过在初始划分网格后，考虑红外热像仪所识别的激光能量中心并非真正的激光出光位置，将发射的激光在成形基板上形成的激光点热中心作为实际的网格节点，形成新的网格，该过程中是对标定网格的修正，根据实际激光的激光点热中心作为标定网格节点，准确度更高；4.本专利技术提出一种适用于粉末床熔融的新型红外热像仪标定方法来解决现有技术中的问题，通过理论模型和试验验证修正激光扫描坐标系下的成形热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种粉末床熔融的红外热像仪标定方法，其特征在于，该标定方法包括下列步骤：/nS1在激光成型系统的成形基板上建立二维坐标系，在红外热像仪中建立二维图像坐标系，对所述基板的实际加工区域进行网格划分，获得多个网格节点，在所述二维坐标系中获取每个所述网格节点的二维坐标；/nS2利用所述激光成型系统中发射多束激光，每束激光的激光入射点对应一个所述网格节点；采用红外热像仪拍摄所述基板上的网格点节点，并在所述图像坐标系中获得每个网格节点对应的图像坐标；/nS3对于任意一个网格i，利用该网格i对应的多个顶点的二维坐标和图像坐标求解所述网格i的二维坐标系和图像坐标系之间的转换矩阵Ai，以此获得所述基板上每个网格对应的转换矩阵；/nS4在任意网格i中任意选取一个点j，利用该点j的二维坐标和所述任意网格i对应的转换矩阵Ai计算所述点j的图像坐标，计算获得的图像坐标与点j的实际图像坐标之间的绝对误差；/nS5将计算获得的所述绝对误差与预设阈值进行比较，当绝对误差大于预设阈值时，重新划分所述网格i，返回步骤S3，直至每个网格中任意点对应的绝对误差均小于所述预设阈值，以此实现对所有网格的转换矩阵的验证，并获得验证后的每个网格对应的转换矩阵，完成红外热像仪的标定。/n...

【技术特征摘要】
1.一种粉末床熔融的红外热像仪标定方法，其特征在于，该标定方法包括下列步骤：
S1在激光成型系统的成形基板上建立二维坐标系，在红外热像仪中建立二维图像坐标系，对所述基板的实际加工区域进行网格划分，获得多个网格节点，在所述二维坐标系中获取每个所述网格节点的二维坐标；
S2利用所述激光成型系统中发射多束激光，每束激光的激光入射点对应一个所述网格节点；采用红外热像仪拍摄所述基板上的网格点节点，并在所述图像坐标系中获得每个网格节点对应的图像坐标；
S3对于任意一个网格i，利用该网格i对应的多个顶点的二维坐标和图像坐标求解所述网格i的二维坐标系和图像坐标系之间的转换矩阵Ai，以此获得所述基板上每个网格对应的转换矩阵；
S4在任意网格i中任意选取一个点j，利用该点j的二维坐标和所述任意网格i对应的转换矩阵Ai计算所述点j的图像坐标，计算获得的图像坐标与点j的实际图像坐标之间的绝对误差；
S5将计算获得的所述绝对误差与预设阈值进行比较，当绝对误差大于预设阈值时，重新划分所述网格i，返回步骤S3，直至每个网格中任意点对应的绝对误差均小于所述预设阈值，以此实现对所有网格的转换矩阵的验证，并获得验证后的每个网格对应的转换矩阵，完成红外热像仪的标定。


2.如权利要求1所述的一种粉末床熔融的红外热像仪标定方法，其特征在于，在步骤S2中，每束激光的激光入射点对应一个所述网格节点后，还需确定实际的激光入射点，然后将所有实际的激光入射点作为新的网格节点，以此实现网格节点的修正。


3.如权利要求2所述的一种粉末床熔融的红外热像仪标定方法，其特征在于，确定实际的激光入射点采用激光能量的质心法确定激光热中心位置，并以该中心位置的坐标作为实际的激光入射点。


4.如权利要求3所述的一种粉末床熔融的红外热像仪标定方法，其特征在于，所述实际入射点的坐标按照下列关系式进行计算：

【专利技术属性】
技术研发人员：张李超，胡祺，吴甲民，王森林，李萌，吴亚茹，何骏驰，史玉升，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42