本發(fā)明涉及工業(yè)視覺,尤其涉及一種基于多目光場(chǎng)成像的熔池溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù):
1、激光金屬增材制造是指利用高能量密度激光將金屬連續(xù)熔化并逐層疊加,制備形狀復(fù)雜、密度高的金屬零件的工藝,已在航空航天等核心領(lǐng)域得到應(yīng)用。激光金屬增材制造中的一些關(guān)鍵工藝變量,如熔池溫度,可以用來(lái)表征零件的質(zhì)量。然而,由于熔池溫度高、變化快,實(shí)現(xiàn)高精度的熔池溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)以進(jìn)行構(gòu)件性能控制仍然是阻礙金屬增材制造技術(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵障礙。因此增材制造過(guò)程熔池溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究是解決這一難題的重要途徑。
2、目前,用于監(jiān)測(cè)熔池溫度的主要硬件設(shè)備包括紅外相機(jī)、光電二極管等商用設(shè)備以及基于單相機(jī)或者雙相機(jī)的雙波長(zhǎng)測(cè)溫系統(tǒng)。其中,紅外測(cè)溫裝置需要對(duì)不斷變化的材料發(fā)射率進(jìn)行精確和反復(fù)的校準(zhǔn)。然而,材料的發(fā)射率由于溫度或表面狀態(tài)的變化等問(wèn)題很難精確校準(zhǔn),特別是很難將紅外信號(hào)與相變過(guò)程中的精確溫度聯(lián)系起來(lái)。此外,對(duì)于某些粉末,如ti6ai4v合金,熔池溫度可超過(guò)3000℃,這極大限制了商用設(shè)備的適用性?;陔p波長(zhǎng)高溫測(cè)量方法雖有改進(jìn),但此方法通常采用雙相機(jī)或者單相機(jī)。雙相機(jī)雙波長(zhǎng)高溫測(cè)量成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成性差。單相機(jī)雙波長(zhǎng)高溫測(cè)量雖一定程度降低成本,但同雙相機(jī)高溫測(cè)量類似均使用分束器,單波長(zhǎng)進(jìn)入分束器后形成的兩束光強(qiáng)度需要精確標(biāo)定,且使用分束器需要精確匹配雙波長(zhǎng)圖像。然而,分束器標(biāo)定與圖像匹配誤差會(huì)影響溫度檢測(cè)精度?;诓噬鄼C(jī)雙波長(zhǎng)高溫測(cè)量方法避免了分束器標(biāo)定與圖像匹配問(wèn)題,然而,該方法基于相鄰區(qū)域像素對(duì)應(yīng)于同一物點(diǎn)信息的假設(shè),這對(duì)溫度測(cè)量帶來(lái)了較大誤差。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明提供一種基于多目光場(chǎng)(light?field,lf)成像的熔池溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng),用以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷,實(shí)現(xiàn)高精度的溫度測(cè)量,而無(wú)需考慮不同波段的像素匹配問(wèn)題。
2、第一方面,本發(fā)明提供一種基于多目lf成像的熔池溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)方法,包括:
3、獲取熔池多視角lf信號(hào);
4、根據(jù)lf相機(jī)的微透鏡單元和拜耳像素塊的映射關(guān)系,建立光場(chǎng)子孔徑拜爾模型(light?field?sub-aperture?bayer?model,lfsbm),將所述熔池多視角lf信號(hào)輸入所述lfsbm,獲得包含 r、 g、 b三個(gè)通道的單波長(zhǎng)熔池圖像;
5、根據(jù)雙波長(zhǎng)測(cè)溫理論,采用黑體爐對(duì)lf相機(jī)的相對(duì)光譜響應(yīng)度度進(jìn)行標(biāo)定;
6、由 r、 g、 b三個(gè)通道中任意兩個(gè)單波長(zhǎng)熔池圖像和相對(duì)光譜響應(yīng)度,基于所述雙波長(zhǎng)測(cè)溫理論獲得熔池溫度場(chǎng)。
7、根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于多目光場(chǎng)成像的熔池溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)方法,根據(jù)lf相機(jī)的微透鏡單元和拜耳像素塊的映射關(guān)系,建立lfsbm,將所述熔池多視角光場(chǎng)信號(hào)輸入所述lfsbm,獲得包含 r、 g、 b三個(gè)通道單波長(zhǎng)熔池圖像,包括:
8、在拜耳濾光片下傳感器像素陣列中,以像素陣列左上角為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系,得到像素rgb通道的分布規(guī)律:
9、
10、式中,( u, v)為像素位置索引,\為取余數(shù)操作,當(dāng)傳感器像素陣列分布為 grbg模式,且左上角起始為 g和 r,若像素行、列索引( u, v)=(奇數(shù),偶數(shù)),該位置像素為紅光濾光片對(duì)應(yīng)的像素亮度值,若( u, v)=(偶數(shù),奇數(shù)),為藍(lán)光濾光片對(duì)應(yīng)的像素亮度值,否則為綠光濾光片對(duì)應(yīng)的像素亮度值;
11、確定lf相機(jī)中每個(gè)微透鏡單元 a覆蓋一個(gè)宏圖像像素塊 b,提取 a中第 i行至第 m行、第 j列至第 n列的微透鏡 aij,以及所對(duì)應(yīng)的宏圖像 bij,從每個(gè)宏圖像中提取相同波長(zhǎng)像素順序拼接得到單波長(zhǎng)熔池圖像:
12、
13、式中, iλ為 λ波長(zhǎng)處的熔池圖像, m、 n為行、列中微透鏡的個(gè)數(shù), pi,j( λ)表示 i, j處的像素值,表示拼接操作;
14、通過(guò)lf相機(jī)工具標(biāo)定白色圖像獲取微透鏡中心坐標(biāo),將所述微透鏡中心坐標(biāo)與濾光片分布規(guī)律中的濾光片值一一進(jìn)行對(duì)應(yīng),得到以 r、 b為中心與以 g為中心兩種模式四種情況的微透鏡中心像素值分布信息。
15、根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于多目光場(chǎng)成像的熔池溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)方法,根據(jù)雙波長(zhǎng)測(cè)溫理論,采用黑體爐對(duì)lf相機(jī)的相對(duì)光譜響應(yīng)度進(jìn)行標(biāo)定,包括:
16、確定雙波長(zhǎng)測(cè)溫公式為:
17、
18、式中, t表示溫度, c2為常數(shù), λ為波長(zhǎng), m1和 m2為相機(jī)檢測(cè)到的兩種不同波長(zhǎng)的灰度值,令 k= ln(r2 /r1 ), r1和 r2表示相機(jī)對(duì)兩種不同波長(zhǎng)光束的相對(duì)光譜響應(yīng)度;
19、采用 rb、 rg、 bg通道組合進(jìn)行校準(zhǔn)分析,使用黑體爐在工作距離為 l上對(duì)lf相機(jī)相對(duì)光譜響應(yīng)度進(jìn)行標(biāo)定,lf相機(jī)與黑體爐之間放置一個(gè)中性密度濾光片以降低光強(qiáng);
20、在溫度范圍 t1到 t2范圍內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn),黑體爐從 t1溫度開始,每隔δ t逐漸增加到 t2溫度,記錄雙波長(zhǎng)在不同溫度下的灰度比,根據(jù)當(dāng)前溫度值 t,計(jì)算參數(shù) k,結(jié)合溫度進(jìn)行線性擬合確定lf相機(jī)的相對(duì)光譜響應(yīng)度。
21、具體為,以溫度 t為縱軸,相對(duì)光譜響應(yīng)度 k為橫軸,通過(guò)最小二乘法進(jìn)行線性回歸,得到lf相機(jī)相對(duì)光譜響應(yīng)度標(biāo)定結(jié)果,通過(guò)線性回歸, t與 k之間建立二次線性關(guān)系:
22、
23、其中, s、 u、 e、 w、 f、 y、 q、 h、 d是常數(shù)系數(shù),由 t1- t2溫度決定,可以通過(guò)黑體爐標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行最小二乘法線性回歸獲取, kbg表示從 b, g通道、 krb表示從 r, b通道、 krg表示從 r, g通道使用雙波長(zhǎng)測(cè)溫公式導(dǎo)出的相對(duì)光譜響應(yīng)度。
24、第二方面,本發(fā)明還提供一種基于多目光場(chǎng)成像的激光金屬增材制造熔池溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)的集成應(yīng)用,包括:系統(tǒng)和同軸系統(tǒng);
25、旁軸系統(tǒng)的應(yīng)用包括激光定向能量沉積(laser?directed?energy?deposition,lded)設(shè)備,同軸系統(tǒng)的應(yīng)用包括激光粉末床熔融(laser?powder?bed?fusion,lpbf)設(shè)備。
26、根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于多目光場(chǎng)成像的熔池溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成應(yīng)用,lded設(shè)備包括lf相機(jī)、中性密度濾光片和激光加工系統(tǒng);
27、所述激光加工系統(tǒng)發(fā)射的激光對(duì)待加工物體進(jìn)行熔融形成熔池,熔池光信號(hào)通過(guò)所述中性密度濾光片到達(dá)所述lf相機(jī),所述lf相機(jī)將所述熔池光信號(hào)形成的熔池圖像數(shù)據(jù)傳輸至所述圖像處理系統(tǒng)。
28、根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于多目光場(chǎng)成像的熔池溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成應(yīng)用,lpbf設(shè)備包括lf相機(jī)、中性密度濾光片、二向色鏡、場(chǎng)鏡、振鏡和激光加工系統(tǒng);
29、所述激光加工系統(tǒng)發(fā)射的激光依次通過(guò)所述擴(kuò)束鏡、所述場(chǎng)鏡、所述振鏡后到達(dá)待加工物體表面形成熔池;
30、熔池光信號(hào)通過(guò)所述場(chǎng)鏡、所述振鏡至所述二向色鏡,通過(guò)所述中性密度濾光片至所述lf相機(jī),所述lf相機(jī)將所述熔池光信號(hào)形成的熔池圖像數(shù)據(jù)傳輸至所述圖像處理系統(tǒng)。
31、第三方面,本發(fā)明還提供一種電子設(shè)備,包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序,所述處理器執(zhí)行所述程序時(shí)實(shí)現(xiàn)如上述任一種所述基于多目光場(chǎng)成像的熔池溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)方法。
32、第四方面,本發(fā)明還提供一種非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì),其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序,該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如上述任一種所述基于多目光場(chǎng)成像的熔池溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)方法。
33、第五方面,本發(fā)明還提供一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品,包括計(jì)算機(jī)程序,所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如上述任一種所述基于多目光場(chǎng)成像的熔池溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)方法。
34、與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明所具有的有益效果包括:
35、1)極大的簡(jiǎn)化了監(jiān)測(cè)流程,只需要單次校準(zhǔn)相對(duì)光譜響應(yīng)度,避免了傳統(tǒng)雙波長(zhǎng)測(cè)溫系統(tǒng)圖像匹配與分光比標(biāo)定流程,克服了匹配與標(biāo)定誤差導(dǎo)致測(cè)溫精度降低的難點(diǎn)。同時(shí)對(duì)比如傳統(tǒng)彩色相機(jī)測(cè)溫技術(shù),其多視角信息提高測(cè)溫精度;
36、2)具有較高的測(cè)溫精度和低誤差,通過(guò)黑體爐驗(yàn)證,以30×30像素為例,其溫度場(chǎng)誤差保持在3%以下。其中,2973.15k、3073.15k和3273.15k最高溫度下的平均誤差為1.03%;
37、3)與現(xiàn)有的溫度測(cè)量方法相比,本發(fā)明提出的方法與傳統(tǒng)紅外相機(jī)和新型雙波長(zhǎng)測(cè)量方法相比具有寬溫度范圍和低復(fù)雜度的優(yōu)勢(shì);
38、4)使用lf相機(jī)的多目溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)技術(shù)在增材制造過(guò)程中對(duì)高溫金屬熔池進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)具有廣闊的應(yīng)用前景,可提供較寬的溫度范圍,系統(tǒng)緊湊,易于集成。