基于单个多光谱相机的三维温度及三维变形测量方法技术

本申请实施例提出了一种基于单个多光谱相机的三维温度及三维变形测量方法，适用于各种金属材料的增材制造过程，且适用于各种复杂制件形状，不同形状的基板，此外平面镜组件搭建简单且成本较低，测量过程可重复性高且效率较高，基于可高速测量的多光谱相机，完成增材制造过程中三维温度及三维变形在线实时测量。本方法最高可完成1100℃的温度测量，且三维变形及温度测量准确，适合对增材制造过程中三维温度及三维变形测量进行监测，进而对工艺状态和制件质量进行反演。和制件质量进行反演。和制件质量进行反演。

【技术实现步骤摘要】
基于单个多光谱相机的三维温度及三维变形测量方法


[0001]本申请涉及增材制造
，尤其涉及基于单个多光谱相机的三维温度及三维变形测量方法。

技术介绍

[0002]激光增材制造过程中加工成型的产品质量与制造热过程和变形情况息息相关，激光的功率、扫描速度、入射角度和材料属性的差异等都可能会导致各类缺陷和残余应力的产生，从而降低产品的力学性能。对打印过程中的变形过程和热过程进行分析可以为制件质量分析提供支持，且可以根据制件打印过程中，基板底部的三维变形和温度变化情况，分析获得打印实时状态，进而实现增材制造实时反馈，提升制件质量。因此，在增材制造过程中，对基板底部的三维变形和温度进行监测十分重要。
[0003]传统相机往往针对可见光波段(400
‑
780nm)范围内的图像进行采集，将其感光范围扩展沿着短波和长波扩展，即为多光谱相机。常用多光谱相机的感光波长范围为400
‑
1000nm，可得到各个波段内的数字图像。多光谱相机拍摄的多波段图像中，近红外和红光波段的图像可用于比色法温度测量，蓝色波段图像可用于变形分析，满足增材制温度与变形同时监测的需求。然而若想得到三维温度，需使用两个多光谱相机从不同角度进行监测，监测系统较庞大且成本高昂。
[0004]因此，如何发展一种用于增材制造过程中的单相机三维温度与三维变形监测方法，且测量结果精确、不受复杂环境干扰是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0006]为此，本申请的目的在于提出基于单个多光谱相机的三维温度及三维变形测量方法，该方法通过使用多光谱相机搭建平面镜组件，并结合比色法测温和双目视觉原理，基于单个多光谱相机可实现完成增材制造过程中的三维温度及三维变形测量。
[0007]为达到上述目的，本申请提出基于单个多光谱相机的三维温度及三维变形测量方法，包括以下步骤：
[0008]基于单个多光谱相机搭建测量系统并使用陶瓷标定板对所述测量系统进行标定；所述测量系统包括多光谱相机和平面镜组件，通过调整所述平面镜组件的位置使得所述测量系统的目标物体能在所述多光谱相机的左右两侧呈现图像；
[0009]在增材制造装置的悬臂梁基板底部利用激光刻蚀制备高温光栅并利用所述测量系统对增材制造过程监测并获得包含熔池温度的拍摄图像；
[0010]将所述拍摄图像分为左视图和右视图，将左视图和右视图作为双目视觉原理中不同所述多光谱相机获得图像进行处理完成立体匹配求得三维位移和变形信息；其中利用所述多光谱相机中的蓝色波段和红色波段及近红外波段分别对其所述左视图和所述右视图完成变形测量和比色法温度测量。
[0011]在一些实施例中，所述平面镜组件为四向反射镜测量光路，包括直角棱镜和与所述直角棱镜的两个直角边分别相对设置的平面镜；两个所述平面镜在同一水平面内，以使得在所述多光谱相机中分左右两侧成像。
[0012]在一些实施例中，所述测量系统上设置同步触发器，用于实现所述多光谱相机中彩色通道和近红外通道同时采集图像。
[0013]在一些实施例中，所述测量系统上设置滤光组件，用于在所述多光谱相机采集图像时消除增材制造过程中存在的强激光、高温辐射及粉尘飞溅的干扰。
[0014]在一些实施例中，利用所述陶瓷标定板为3mm黑白陶瓷板对所述平面镜组件进行标定时，至少拍摄十种不同姿态下的所述陶瓷标定板，获得所述多光谱相机的内、外参矩阵以完成所述多光谱相机的参数标定。
[0015]在一些实施例中，使用陶瓷标定板对所述多光谱相机进行标定完成所述多光谱相机的内、外参数标定后，还包括利用感应涡流加热装置完成所述多光谱相机的比色法温度测量标定获得多光谱辐射强度之比；其中所述多光谱相机的比色法温度测量标定实验中，温度范围为550
‑
1100℃，以20℃为增量升温，每个增量保温5分钟后利用所述多光谱相机拍摄得到不同温度下的可见光和近红外波段图像。
[0016]在一些实施例中，制备所述高温光栅前在所述悬臂梁基板底部喷上高温白色底漆后200℃保温30min；制备所述高温光栅时激光功率为5w，刻蚀速度3000mm/s。
[0017]在一些实施例中，所述多光谱相机最高测量频率为30Hz，可对任意试件形状的增材制造过程进行三维温度及三维变形监测，并实现增材制造过程中三维温度及三维变形的原位实时测量。
[0018]在一些实施例中，利用所述多光谱相机中的蓝色波段进行三维变形测量时以所述高温光栅为变形载体，基于双目视觉原理完成立体匹配获得目标物体的表面形貌和三维位置信息，并为比色法温度测量中的温度结果提供三维坐标。
[0019]在一些实施例中，利用所述多光谱相机中的红色波段和近红外图像进行比色法温度测量用于获得准确的温度值，结合所述三维位置信息获得三维温度场分布信息。
[0020]本申请相较于现有技术具有以下优点：
[0021]本申请适用于各种金属材料的增材制造过程，且适用于各种复杂制件形状，不同形状的基板，此外平面镜组件搭建简单且成本较低，测量过程可重复性高且效率较高，基于可高速测量的多光谱相机，完成增材制造过程中三维温度及三维变形在线实时测量。本方法最高可完成1100℃的温度测量，且三维变形及温度测量准确，适合对增材制造过程中三维温度及三维变形测量进行监测，进而对工艺状态和制件质量进行反演。
[0022]本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
[0023]本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0024]图1是本申请一实施例提出的基于单个多光谱相机的三维温度及三维变形测量方法流程图；
[0025]图2是本申请一实施例提出的多光谱相机标定装置的示意图；
[0026]图3是本申请一实施例提出的多光谱单相机三维温度及三维变形测量装置示意图；
[0027]图4是本申请一实施例提出的多光谱三维熔池温度测量装置示意图；
[0028]图中，1、激光头；2、高温光栅；3、45
°
反射镜；4、直角棱镜；5、平面镜；6、分光棱镜；7、近红外CCD靶面；8、近红外光；9、彩色CCD靶面；10、可见光；11、熔池、12、悬臂梁基板。
具体实施方式
[0029]下面详细描述本申请的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
[0030]为达到上述目的，参见图1本申请提出基于单个多光谱相机的三维温度及三维变形测量方法，包括以下步骤：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于单个多光谱相机的三维温度及三维变形测量方法，其特征在于，包括以下步骤：基于单个多光谱相机搭建测量系统并使用陶瓷标定板对所述测量系统进行标定；所述测量系统包括多光谱相机和平面镜组件，通过调整所述平面镜组件的位置使得所述测量系统的目标物体能在所述多光谱相机的左右两侧呈现图像；在增材制造装置的悬臂梁基板底部利用激光刻蚀制备高温光栅，并利用所述测量系统对增材制造过程监测获得包含熔池温度的拍摄图像；将所述拍摄图像分为左视图和右视图，将左视图和右视图作为双目视觉原理中不同角度相机获得图像进行处理完成立体匹配求得三维位移和变形信息；其中利用所述多光谱相机中的蓝色波段和红色波段及近红外波段分别对其所述左视图和所述右视图完成变形测量和比色法温度测量。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述平面镜组件为四向反射镜测量光路，包括直角棱镜和与所述直角棱镜的两个直角边分别相对设置的平面镜；两个所述平面镜在同一水平面内，以使得在所述多光谱相机中分左右两侧成像。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测量系统上设置同步触发器，用于实现所述多光谱相机中彩色通道和近红外通道同时采集图像。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测量系统上设置滤光组件，用于在所述多光谱相机采集图像时消除增材制造过程中存在的强激光、高温辐射及粉尘飞溅的干扰。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述陶瓷标定板为3mm黑白陶瓷板对所述平面镜组件进行标定时，至少拍摄十种不同姿态下的...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢惠民，陈如，张骋浩，石文雄，何巍，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：