阅读说明：本技术 电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建方法及装置 () 是由 都东 常树鹤 张昊宇 王力 常保华 彭国栋 魏昂昂 于 2019-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建方法及装置,其中,方法包括以下步骤：控制待沉积增材工件根据设定轨迹运动至目标位置；在采样时刻t,采集当前电子束光斑图像和工作台的XY位置信息,对初始图像进行图像处理,获得光斑位置信息；根据光斑位置信息的电子束光斑的重心的坐标信息获得工件的当前高度；根据XY位置信息和当前高度识别当前位置下的工件形貌,并将待沉积增材工件移动至下一目标位置,直至所有待检测区域的目标位置重建完成,得到零件形貌三维重建结果。该方法可以根据工艺要求,通过电子束光斑位置信息,实现对电子束熔丝增材制造中的零件三维重建,无需额外的激光测距仪。()

电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建方法及装置

技术领域

本发明涉及增材制造监控技术领域，特别涉及一种电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建方法及装置。

背景技术

电子束熔丝沉积制造过程中微小的缺陷即可造成上百小时沉积的零件失效，亟需对沉积过程中的每一层沉积表面进行三维重建以及时发现缺陷并进行在线修复。由于热输入的不稳定和热扩散条件的变化，在每层的沉积过程中与模型相比，最终的成形沉积件都会产生各种几何误差，如沉积开始处由于材料累积产生鼓包，在沉积结束时由于电子束冲力产生凹坑，在拐角处由于扩散条件变差产生塌陷。每层中的这种沉积几何误差(尤其是高度上的误差)会对最终的零件形貌和质量产生重要影响。因为增材制造过程中为了保证成形精度，每层的厚度都很薄。一个10厘米高的零件通常要沉积100多层。这就造成每层即使误差很小，逐层累积后也会造成最终的零件失效。这一点在电子束熔丝沉积增材制造过程中显得尤为重要。因为电子束熔丝沉积增材制造由于沉积效率高，常用作制造大型航空结构件。而这种沉积的几何误差极容易产生缺陷，从而造成上百小时沉积的零件作废，极大地影响了制造效率。为此需要在沉积过程中，对每个沉积层进行三维重建，获得沉积误差信息，从而在下一层沉积过程中，对其进行补偿，从而避免误差累积造成零件失效。

已有研究者开始针对电子束熔丝增材过程中的沉积件进行形貌测量研究，例如，一种电子束熔丝增材制造形貌测量装置，其在真空室顶部安装了激光位移传感器，实现了对沉积件的形貌检测。其缺点是激光在金属沉积件的表面会产生镜面反射导致接收器无法检测到激光光斑。另外电子束熔丝制造过程中会产生大量金属蒸气，激光器镜头处极易被金属蒸气蒸镀，同样会导致接收器无法检测到激光光斑。

发明内容

本申请是基于发明人对以下问题的认识和发现做出的：

在电子束熔丝沉积增材制造过程中，由于沉积过程热扩散条件的不断变化，在每层的沉积中都会产生与模型尺寸的偏差。为了防止偏差逐层累积，亟需对每个沉积层进行三维重建，从而在下一层沉积时对上层沉积误差进行补偿。然而，传统的线激光结构光三维重建方法无法满足在电子束熔丝沉增材制造过程中长时间稳定工作的要求，亟待解决。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建方法，该方法可以根据工艺要求，通过电子束光斑位置信息，实现对电子束熔丝增材制造中的零件三维重建，且无需额外的激光测距仪，并有效克服了激光在工件表面产生镜面反射和激光聚焦镜头被金属蒸气污染的缺点。

本发明的另一个目的在于提出一种电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建装置。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建方法，包括以下步骤：控制待沉积增材工件根据设定轨迹运动至目标位置；在采样时刻t，采集当前电子束光斑图像和工作台的XY位置信息，对初始图像进行图像处理，获得光斑位置信息；根据所述光斑位置信息的电子束光斑的重心的坐标信息获得工件的当前高度；根据所述XY位置信息和所述当前高度识别当前位置下的工件形貌，并将所述待沉积增材工件移动至下一目标位置，直至所有待检测区域的目标位置重建完成，得到零件形貌三维重建结果。

本发明实施例的电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建方法，利用电子束在工件表面轰击产生热效应，进而出现光斑，并基于电子束在真空室中的结构化信息，实现了工件表面的三维重建，从而可以根据工艺要求，通过电子束光斑位置信息，实现对电子束熔丝增材制造中的零件三维重建，且无需额外的激光测距仪，并有效克服了激光在工件表面产生镜面反射和激光聚焦镜头被金属蒸气污染的缺点。

另外，根据本发明上述实施例的电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，在开始检测之前，还包括：向所述待沉积增材工件上发射一束高能电子束，其中，所述高能电子束从电子枪阴极发出后，经过阳极加速至1/3～1/2光速，并经电磁偏转线圈偏转后，沿直线运动至工件表面，以在发生碰撞产生热效应后，工件局部变热发光产生光斑。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述对初始图像进行图像处理，包括：获取所述电子束光斑区域的当前图像，并对所述当前图像进行增强和去燥处理，得到增强后的电子束光斑区域图像；提取所述增强后的电子束光斑区域图像中的灰度梯度特征，得到灰度梯度图像；对所述灰度梯度图像进行阈值分割，得到二值化图像，并从所述二值化图像中检测得到电子束光斑轮廓；根据所述电子束光斑轮廓获得电子束光斑的重心，得到光斑的重心的Y坐标。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述Y坐标的计算公式为：

其中，i为像素在图像中的列数，j为像素在图像中的行数，X为重心P点的横坐标，Y为重心P点的纵坐标，I(i,j)为图像i列j行处的像素灰度值。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述当前高度的计算公式为：

h₁＝k*h′+h₀,

其中，k为放大系数，h’为当前光斑中心在相机感光芯片中距离感光芯片中心的差，h₀为工件零点高度。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建装置，包括：控制模块，用于控制待沉积增材工件根据设定轨迹运动至目标位置；处理模块，用于在采样时刻t，采集当前电子束光斑图像和工作台的XY位置信息，对初始图像进行图像处理，获得光斑位置信息；获得模块，用于根据所述光斑位置信息的电子束光斑的重心的坐标信息获得工件的当前高度；重建模块，用于根据所述XY位置信息和所述当前高度识别当前位置下的工件形貌，并将所述待沉积增材工件移动至下一目标位置，直至所有待检测区域的目标位置重建完成，得到零件形貌三维重建结果。

本发明实施例的电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建装置，利用电子束在工件表面轰击产生热效应，进而出现光斑，并基于电子束在真空室中的结构化信息，实现了工件表面的三维重建，从而可以根据工艺要求，通过电子束光斑位置信息，实现对电子束熔丝增材制造中的零件三维重建，且无需额外的激光测距仪，并有效克服了激光在工件表面产生镜面反射和激光聚焦镜头被金属蒸气污染的缺点。

另外，根据本发明上述实施例的电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：发射模块，用于在开始检测之前向所述待沉积增材工件上发射一束高能电子束，其中，所述高能电子束从电子枪阴极发出后，经过阳极加速至1/3～1/2光速，并经电磁偏转线圈偏转后，沿直线运动至工件表面，以在发生碰撞产生热效应后，工件局部变热发光产生光斑。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述处理模块进一步用于获取所述电子束光斑区域的当前图像，并对所述当前图像进行增强和去燥处理，得到增强后的电子束光斑区域图像；提取所述增强后的电子束光斑区域图像中的灰度梯度特征，得到灰度梯度图像；对所述灰度梯度图像进行阈值分割，得到二值化图像，并从所述二值化图像中检测得到电子束光斑轮廓；根据所述电子束光斑轮廓获得电子束光斑的重心，得到光斑的重心的Y坐标。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述Y坐标的计算公式为：

其中，i为像素在图像中的列数，j为像素在图像中的行数，X为重心P点的横坐标，Y为重心P点的纵坐标，I(i,j)为图像i列j行处的像素灰度值。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述当前高度的计算公式为：

h₁＝k*h′+h₀,

其中，k为放大系数，h’为当前光斑中心在相机感光芯片中距离感光芯片中心的差，h₀为工件零点高度。

本发明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，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/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：

图1为根据本发明实施例的电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建方法的流程图；

图2为根据本发明实施例的电子束光斑重心计算示意图；

图3为根据本发明实施例的工件形貌解算示意图；

图4为根据本发明实施例的电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建方法。

图1是本发明一个实施例的电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建方法的流程图。

如图1所示，该电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建方法包括以下步骤：

在步骤S101中，控制待沉积增材工件根据设定轨迹运动至目标位置。

可以理解的是，开始检测时，使待沉积增材工件根据设定的轨迹运动至特定位置。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在开始检测之前，还包括：向待沉积增材工件上发射一束高能电子束，其中，高能电子束从电子枪阴极发出后，经过阳极加速至1/3～1/2光速，并经电磁偏转线圈偏转后，沿直线运动至工件表面，以在发生碰撞产生热效应后，工件局部变热发光产生光斑。

在步骤S102中，在采样时刻t，采集当前电子束光斑图像和工作台的XY位置信息，对初始图像进行图像处理，获得光斑位置信息。

可以理解的是，在采样时刻t，本发明实施例实时采集此时的电子束光斑图像和工作台XY位置信息，对获得的图像进行图像处理，获得光斑位置信息。

其中，在本发明的一个实施例中，对初始图像进行图像处理，包括：获取电子束光斑区域的当前图像，并对当前图像进行增强和去燥处理，得到增强后的电子束光斑区域图像；提取增强后的电子束光斑区域图像中的灰度梯度特征，得到灰度梯度图像；对灰度梯度图像进行阈值分割，得到二值化图像，并从二值化图像中检测得到电子束光斑轮廓；根据电子束光斑轮廓获得电子束光斑的重心，得到光斑的重心的Y坐标。

具体而言，图像处理包括以下步骤：

(1)获取电子束光斑区域的图像，并对图像进行增强和去燥处理，得到增强后的电子束光斑区域图像。本发明的一个实施例中，可以利用自适应滤波方法消除图像噪声，以增强电子束光斑区域的图像特征。

(2)提取增强后的电子束光斑区域图像中的灰度梯度特征，得到灰度梯度图像。本发明的一个实施例中，可以使用Sobel/Prewitt/LoG/HoG算子计算图像的灰度梯度，凸显电子束光斑区域的光斑信息。

(3)对步骤(2)的灰度梯度图像进行阈值分割，得到二值化图像，从二值化图像中检测得到电子束光斑轮廓S，如图2所示。本发明的一个实施例中，可以使用采用自适应阈值分割、连通域提取等手段计算电子束光斑轮廓。

(4)计算步骤(3)获得的电子束光斑的重心，通过下式获得光斑的重心P的Y坐标：

其中，i为像素在图像中的列数，j为像素在图像中的行数，X为重心P点的横坐标，Y为重心P点的纵坐标，I(i,j)为图像i列j行处的像素灰度值。

在步骤S103中，根据光斑位置信息的电子束光斑的重心的坐标信息获得工件的当前高度。

可以理解的是，本发明实施例可以通过上述获得的电子束光斑的重心P的坐标Y，通过下式获得工件当前高度h₁：

h₁＝k*h′+h₀

h'＝Y-Y₀

其中，h₀为工件零点高度，k为放大系数，Y₀为感光芯片中心的行坐标。h’为当前光斑中心在相机感光芯片中距离感光芯片中心的差，u₀为工件在零点位置时的物距，v₀为工件在零点位置时的像距，α为电子束与成像光轴之间的夹角，f为镜头焦距。

在步骤S104中，根据XY位置信息和当前高度识别当前位置下的工件形貌，并将待沉积增材工件移动至下一目标位置，直至所有待检测区域的目标位置重建完成，得到零件形貌三维重建结果。

可以理解的是，将步骤S103获得的工件高度h₁与步骤S102获得的工件XY坐标组合，即得到了当前位置下的工件形貌，其中，工件形貌解算示意图如图3所示；然后，将工件移动至下一位置，并重复步骤S102至步骤S104，直至所有待检测区域重建完成。

综上，本发明实施例提出的电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建方法，利用电子束在工件表面轰击产生热效应，进而出现光斑，并基于电子束在真空室中的结构化信息，实现了工件表面的三维重建，从而可以根据工艺要求，通过电子束光斑位置信息，实现对电子束熔丝增材制造中的零件三维重建，且无需额外的激光测距仪，并有效克服了激光在工件表面产生镜面反射和激光聚焦镜头被金属蒸气污染的缺点。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建装置。

图4是本发明一个实施例的电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建装置的结构示意图。

如图4所示，该电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建装置10包括：控制模块100、处理模块200、获得模块300和重建模块400。

其中，控制模块100用于控制待沉积增材工件根据设定轨迹运动至目标位置；处理模块200用于在采样时刻t，采集当前电子束光斑图像和工作台的XY位置信息，对初始图像进行图像处理，获得光斑位置信息；获得模块300用于根据光斑位置信息的电子束光斑的重心的坐标信息获得工件的当前高度；重建模块400用于根据XY位置信息和当前高度识别当前位置下的工件形貌，并将待沉积增材工件移动至下一目标位置，直至所有待检测区域的目标位置重建完成，得到零件形貌三维重建结果。本发明实施例的装置10可以根据工艺要求，通过电子束光斑位置信息，实现对电子束熔丝增材制造中的零件三维重建，且无需额外的激光测距仪，并有效克服了激光在工件表面产生镜面反射和激光聚焦镜头被金属蒸气污染的缺点。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的装置10还包括：发射模块。其中，发射模块用于在开始检测之前向待沉积增材工件上发射一束高能电子束，其中，高能电子束从电子枪阴极发出后，经过阳极加速至1/3～1/2光速，并经电磁偏转线圈偏转后，沿直线运动至工件表面，以在发生碰撞产生热效应后，工件局部变热发光产生光斑。

进一步地，在本发明的一个实施例中，处理模块200进一步用于获取电子束光斑区域的当前图像，并对当前图像进行增强和去燥处理，得到增强后的电子束光斑区域图像；提取增强后的电子束光斑区域图像中的灰度梯度特征，得到灰度梯度图像；对灰度梯度图像进行阈值分割，得到二值化图像，并从二值化图像中检测得到电子束光斑轮廓；根据电子束光斑轮廓获得电子束光斑的重心，得到光斑的重心的Y坐标。

进一步地，在本发明的一个实施例中，Y坐标的计算公式为：

其中，i为像素在图像中的列数，j为像素在图像中的行数，X为重心P点的横坐标，Y为重心P点的纵坐标，I(i,j)为图像i列j行处的像素灰度值。

进一步地，在本发明的一个实施例中，当前高度的计算公式为：

h₁＝k*h′+h₀,

其中，k为放大系数，h’为当前光斑中心在相机感光芯片中距离感光芯片中心的差，h₀为工件零点高度。

需要说明的是，前述对电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建方法实施例的解释说明也适用于该实施例的电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建装置，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建装置，利用电子束在工件表面轰击产生热效应，进而出现光斑，并基于电子束在真空室中的结构化信息，实现了工件表面的三维重建，从而可以根据工艺要求，通过电子束光斑位置信息，实现对电子束熔丝增材制造中的零件三维重建，且无需额外的激光测距仪，并有效克服了激光在工件表面产生镜面反射和激光聚焦镜头被金属蒸气污染的缺点。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。