具体实施方式

本发明提出一种基于实时三维检测的金属增材制造在线轨迹调整方法，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明如下。以下实施例用于说明本发明，但不限于本发明的范围。

本发明提出一种基于实时三维检测的金属增材制造在线轨迹调整方法，整体流程如图1所示该方法包括以下步骤：

S1：安装实时三维检测装置；

将实时三维检测装置安装在金属增材制造设备的打印头的传动装置或打印机内合理位置，确保实时三维检测装置不会干扰正常增材制造过程，且增材制造过程也不会干扰实时三维检测装置的检测，在此基础上，确保实时三维检测装置检测范围覆盖打印头下方及周边区域，同时避开打印头本身；

本发明中，所述金属增材制造设备包括但不限于基于已有成熟技术，如激光、电子束、等离子、电弧等，或基于将来可能出现的新技术的各类增材制造设备。所述实时三维检测装置，包括但不限于基于已有成熟技术，如广度立体视觉法、被动立体视觉法、飞行时间法、离焦法和结构光投影法等采用的检测装置，或基于将来可能出现的新技术的各类实时三维检测装置。所述周边区域一般指增材制造设备打印点为中心的矩形区域，其中矩形的长边与打印轨迹平行，短边与打印轨迹垂直，这一矩形的短边长度一般为5～10cm，其余距离也可，长边长度则取决于对精度和速度的平衡，如果长边较长，轨迹调整精度较高，但打印时间会因处理数据较多而变慢，反之则打印时间缩短，但是轨迹调整精度下降，出于对两者的平衡，一般选取15～25cm，其余距离也可。

如图2所示，在本实施例中，实时三维检测装置选用基于结构光投影法的检测装置，包括：投影仪1、相机2和计算机，其中投影仪1和相机2分别与计算机连接。金属增材制造设备选用Sciaky公司的电子束熔丝沉积设备EBAM 110系统，包括打印头3、操作台4及工控机等，其中打印头3和操作台4分别与工控机连接。所述实时三维检测装置的计算机和金属增材制造设备的工控机进行连接，通过计算机分别对实时三维检测装置和金属增材制造设备进行控制。其中，投影仪1和相机2分别安装于打印头3两侧，使用钢材质刚性框架5将投影仪1、相机2和打印头的主轴用螺栓固定连接，检测范围为10cm宽和20cm长的长方形区域，覆盖打印头下方及附近区域，且长方形长边与打印头3的行进轨迹平行。

S2：离线规划打印轨迹；

对待制造的金属构件进行三维建模得到金属构件的三维模型，然后对该三维模型进行分层得到对应的分层结果，设置生长方向、打印参数，规划得到初始离线打印轨迹，将该初始离线打印轨迹作为当前离线规划轨迹Γ_plan；

在本实施例中，三维建模软件为Solidworks，分层、规划等操作由内置于EBAM 110系统工控机内的软件执行。当前离线规划轨迹Γ_plan6如图2中所示，使用虚线描述，箭头指向行进方向。

S3：按照当前离线规划轨迹Γ_plan对待制造的金属构件进行增材制造，在按照当前离线规划轨迹Γ_plan进行制造的过程中，打印头区域形成对应的过渡熔池P_F，过渡熔池P_F周围分别形成局部新生面S₁及S₁延迟时间τ后形成的局部基材面S₂；

如图2中所示，在本实施例中，打印头3按照当前离线规划轨迹Γ_plan 6行进并执行对应制造流程，在操作台4上形成过渡熔池7(如图2中3下面的圆圈部分所示)、局部新生面5(如图2中的菱形网格部分所示)和局部基材面6(如图2中的正方形网格部分所示)。

S4：使用实时三维检测装置采集过渡熔池P_F、局部新生面S₁和局部基材面S₂的三维形貌信息；

本发明中，三维形貌信息指代能够表征对象在三维空间中信息的一切表述形式，包括但不限于三维深度图、三维体元体积、三维多边形网格和三维点云。

本实施例使用结构光四步相移法和三维点云对过渡熔池P_F、局部新生面S₁和局部基材面S₂进行测量和表述，由投影仪1向检测范围投射不同编码图案，相机2采集编码图案后进行处理，得到包含过渡熔池P_F7、局部新生面S₁8和局部基材面S₂9在内的长方形区域内的三维点云，根据高度和法线方向进一步处理分割点云，得到过渡熔池P_F7、局部新生面S₁8和局部基材面S₂9独立的三维点云。

S5：根据S4采集的过渡熔池P_F和局部基材面S₂的三维形貌信息，建立计算第一调整量ΔΓ₁的模型Model1；

其中，该步骤整体流程如图3所示，具体步骤如下：

S51:定义当前离线规划轨迹Γ_plan在局部基材面S₂上的每个点为当前离线规划轨迹点p_i，p_i的邻域由点p_t构成，，p_t处的曲面法线为n_t，则p_i的邻域A_pi的定义为：

其中，||p_t-p_i||代表点p_t与点p_i在局部基材面S₂上的距离，δ为设定的点p_t与点p_i在局部基材面S₂上的最大距离，这一最大距离应当小于p_t与局部基材面S₂边界的最大距离；

根据步骤S4采集到的局部基材面S₂的三维形貌信息，使用曲面处理算法，根据指定的δ，计算每个p_i对应的p_t与n_t，其中p_t与n_t为一一对应的关系，且对于重复的p_t仅计算一次；S52：根据步骤S4采集到的过渡区熔池P_F的三维形貌信息，根据形貌提取算法，提取过渡区熔池P_F的形貌参数，包括熔池中心长轴短轴和倾斜角度

S53：根据单熔滴结构模型M_sb，多熔滴覆盖模型M_mb，步骤S51得到的所有p_t对应的曲面法线n_t，步骤S52得到的熔池长轴短轴和倾斜角度计算打印头的第一姿态修正量其中分别为打印头在x,y,z方向上的第一旋转角度修正量；

S54：根据单熔滴结构模型M_sb，多熔滴覆盖模型M_mb，步骤S52得到的所有p_t和步骤S52得到的熔池中心计算打印头的第一位移修正量Δv₁＝[Δx₁,Δy₁,Δz₁]^T，其中Δx₁,Δy₁,Δz₁分别为打印头在x,y,z方向上的第一位移修正量。

S55：根据步骤S53得到的第一姿态修正量Δω₁和步骤S54得到的第一位移修正量Δv₁建立计算第一调整量ΔΓ₁的模型Model1，并计算得到第一调整量ΔΓ₁，其中Model1为：

本发明中，曲面处理算法和形貌提取算法指代可以达成提取信息这一目标的算法，这类算法均受前述三维信息表达形式影响，如采取三维深度图表达形貌信息时，可以采用阴影恢复法和立体匹配法，采用三维点云表达形貌信息时可以采用OPA算法，神经网络法等。

在本实施例中，定义δ＝0.01m，并使用张量投票框架法配合张量空间曲面法线估计法处理局部基材面S₂6的点云空间，计算点p_t及其曲面法线n_t。然后由过渡熔池P_F的三维点云，使用轮廓交互绘制算法，计算求取熔池中心长轴短轴和倾斜角度分别结合n_t和p_t，依据单熔滴结构模型M_sb和多熔滴覆盖模型M_mb计算第一姿态修正量和第一位移修正量Δv₁＝[Δx₁,Δy₁,Δz₁]^T。最后根据第一姿态修正量和第一位移修正量根据Model1计算得到第一调整量ΔΓ₁。

S6：根据S4采集的局部新生面S₁的三维形貌信息，建立计算第二调整量ΔΓ₂的模型Model2。

其中，该步骤整体流程如图4所示，具体步骤如下：

S61：根据步骤S4采集到的局部新生面S₁的三维形貌信息，将S₁作为当前局部新生面，基于马尔科夫过程，建立根据当前局部新生面估计下一时刻局部新生面的概率模型，得到下一时刻局部新生面三维形貌信息；

S62:根据步骤S2得到的金属构件的三维模型和分层结果，提取得到当前打印头位置下一时刻的期望局部新生面的三维形貌信息；

S63：将下一时刻局部新生面与下一时刻期望局部新生面做比较，得到差值

S64：根据ΔS₁、单熔滴结构模型M_sb和多熔滴覆盖模型M_mb，计算打印头第二姿态修正量和第二位移修正量Δv₂＝[Δx₂,Δy₂,Δz₂]^T，其中分别为打印头在x,y,z方向上的第二角度修正量，Δx₂,Δy₂,Δz₂分别为打印头在x,y,z方向上的第二位移修正量；

S65：根据ΔS₁、Δω₂和Δv₂建立计算第二调整量ΔΓ₂的模型Model2，并计算得到第二调整量ΔΓ₂，其中Model2为：

在本实施例中，首先利用马尔科夫过程，根据局部新生面S₁的三维点云估计下一时刻局部新生面的三维点云，并与局部新生面的期望的三维点云做比较，得到差值点云依据单熔滴结构模型M_sb和多熔滴覆盖模型M_mb，结合ΔS₁计算第二姿态修正量和第二位移修正量Δv₂＝[Δx₂,Δy₂,Δz₂]^T。最后根据第二姿态修正量和第二位移修正量根据Model2计算得到第二调整量ΔΓ₂。

S7：对第一调整量ΔΓ₁和第二调整量ΔΓ₂进行叠加得到轨迹总调整量ΔΓ，然后将ΔΓ补偿至当前离线规划轨迹Γ_plan，得到在线调整后的轨迹Γ_online，具体计算方法为：

其中，表示叠加补偿运算。

本实施例中，首先将步骤S5得到的第一调整量ΔΓ₁叠加补偿至步骤S6得到的第二调整量ΔΓ₂得到轨迹总调整量ΔΓ，然后将轨迹总调整量ΔΓ叠加补偿至离线轨迹Γ_plan6(用虚线表示，箭头表示打印行进方向)，得到在线调整后的轨迹Γ_online10(用点划线表示，箭头表示打印行进方向)，这是一条与离线轨迹Γ_plan6不同的打印轨迹。

S8：将Γ_online作为新的Γ_plan，然后重新返回步骤S3，进行新一轮的离线规划轨迹调整，直至待制造的金属构件整体制造完成。