一种基于红外信息的金属增材制造过程控制装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种基于红外信息的金属增材制造过程控制装置，其包括：增材制造操作单元，用于制造金属工件；红外图像信息采集单元，其包括红外采集设备(1)，用于实时采集所述金属工件的熔池及其周边的红外温度场图像；图像处理单元(9)，其通过数据总线(7)与所述红外图像信息采集单元连接，用于对所述红外温度场图像进行处理并生成反馈指令；以及反馈控制单元(10)，用于控制所述增材制造操作单元，从而对参数进行调整以消除缺陷或者报警停机。本实用新型专利技术的装置能够实现金属增材制造全过程的实时质量监测，可以及时采取措施抑制缺陷扩展或者及时停止操作，防止产品报废或完工后的返修。

Device for controlling metal growing process based on infrared information

The utility model discloses an infrared information based on metal additive manufacturing process control device, which comprises: increasing material manufacturing operation unit, used in the manufacture of metal workpiece; infrared image information acquisition unit, comprising an infrared acquisition device (1) for the image acquisition, real-time infrared temperature of molten pool and the surrounding metal workpiece the field; the image processing unit (9), through the data bus (7) is connected with the infrared image information acquisition unit for image processing of the infrared temperature field and generate feedback instruction; and feedback control unit (10), which is used to control the increase in material manufacturing operation unit, so as to eliminate the the defect or alarm and shutdown of parameter adjustment. The device of the utility model can realize the real-time quality monitoring in the whole process of metal material adding manufacture, and can take measures in time to restrain the defect expansion or stop the operation in time, so as to prevent the product from being scrapped or repaired after completion.

【技术实现步骤摘要】
一种基于红外信息的金属增材制造过程控制装置
本技术属于红外检测和金属增材制造的过程控制领域，更具体地，涉及一种基于红外信息的金属增材制造过程控制装置。
技术介绍
金属增材制造技术可以加工出一些常规金属加工手段难以完成的产品，并且生产周期短、效率高。现今金属增材制造领域比较成熟应用于工业生产的主要是利用激光或者电子束作为热源来对金属粉末或金属丝进行熔融烧结。如选择性激光烧结(SLS)、直接激光烧结型(DMLS)和激光堆焊型(SLM)及电子束熔炼(EMB)等。此类金属增材制造技术可快速生产出高质量、高精度的产品，且已开始应用于航空航天、汽车制造、医疗器械等工业领域。然而，激光类增材制造和弧焊增材制造在制造过程中由于材料特性或特征参量的影响不可避免存在如孔隙、裂纹、未熔合、成型偏差等内部和外部缺陷。目前，金属增材制造产品的质量检验还是属于完工检验层面，即制品完成后的质量检验。一方面利用尺寸扫描仪对构件外部尺寸进行检验来发现外观缺陷和尺寸偏差；另一方面利用X射线探伤仪对构件内部探伤来检测内部缺陷。但完工检验具有先天的缺陷——不具有实时性。产品一旦出现缺陷即意味着产品的报废或者复杂的返工，造成了巨大的成本浪费。尤其是对一些加工尺寸较大的增材制造件，前期增材制造各层之间的缺陷如未熔合、气孔等若不及时处理会直接影响后期增材制造层间质量，甚至导致整个产品不合格。因此，工业上亟须一种能够在金属增材制造过程中全程监控增材制造过程，并根据增材制造过程实时优化参数的装置，能实现对缺陷的智能预防和实时检测，对已产生了缺陷后及时停机或进行参数调整，从源头上保证金属增材制造件的质量，提高生产效率。目前，对于激光类金属增材制造的过程监控方法尚没有文献资料记载。而对于金属融焊过程监控侧重于熔道/熔池红外传感法，这是由于熔道/熔池红外信息中包含了温度、尺寸、形状等与质量极其相关的参数。通过分析耦合这些参数可以对熔焊质量进行有效的判断。专利文献CN104741802A公开了一种焊接质量监测系统及方法，所述系统包括焊枪、红外热像仪、图像采集器等，所述方法为用红外热像仪采集激光焊接熔池红外信息并使用计算机分析成像数据参数，实现对焊点质量的评估。但专利文献CN104741802A公开的系统和方法主要针对于激光焊接的过程检测，使用的采集装置为高价的热像仪，且该系统功能主要偏向于监测，缺少了焊接参数反馈环节。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本技术提供一种基于红外信息的金属增材制造过程控制装置，其目的在于实现金属增材制造全过程的实时质量监测，当缺陷产生后可以及时采取措施，抑制缺陷扩展；当缺陷超过设定标准及时停止操作，便于采取措返工消除层间缺陷，防止产品报废或完工后的返修。为了实现上述目的，按照本技术的一个方面，提供一种基于红外信息的金属增材制造过程控制装置，该装置包括：增材制造操作单元，其一端安装在工作台上，另一端与焊枪或喷嘴链接，用于制造金属工件；红外图像信息采集单元，其安装于所述增材制造操作单元靠近焊枪或喷嘴的一端，所述红外图像信息采集单元包括红外采集设备，用于实时采集所述金属工件的熔池及其周边的红外温度场图像；图像处理单元，其通过数据总线与所述红外图像信息采集单元连接，用于对所述红外温度场图像进行处理并生成反馈指令；以及反馈控制单元，其通过数据总线一端与所述图像处理单元连接，另一端与所述增材制造操作单元连接，用于根据所述反馈指令控制所述增材制造操作单元，从而对参数进行调整以消除缺陷或者报警停机。进一步地，所述红外采集设备为红外相机、红外电荷耦合元件、红外传感器或红外热像仪。进一步地，所述红外采集设备的参数和配置可根据增材制造所选材料和熔池及周边区域温度场进行相应调节与更换，以满足在不同温度范围、不同增材制造速度范围内获取更精确的红外图像。进一步地，所述红外图像信息采集单元还包括散热器，用于降低由于焊接弧光辐射产生的高温，保证所述红外图像信息采集单元正常运作。进一步地，所述红外图像信息采集单元还包括图像采集卡，用于将采集的红外温度场图像信息转化为可视的数字信号。进一步地，所述红外图像信息采集单元还包括保护壳套，用于将所述红外采集设备、散热器及图像采集卡集成安装于其中，从而保护所述红外采集设备、散热器及图像采集卡不受热源工作时飞溅的损伤，同时能够过滤部分弧光，减少对红外采集设备成像的干扰。进一步地，所述图像处理单元包括专家数据库和处理器，用于将所述红外温度场图像与标准稳态温度场的红外图像进行比对，从而将尺寸缺陷直观地反映在所述红外图像的形状上，同时用于将内部缺陷间接地表示为所述红外温度场的深浅颜色，从而对所述尺寸缺陷和内部缺陷进行识别，并生成所述反馈指令。进一步地，所述内部缺陷包括气孔、裂纹、过热或未熔合中的一种或多种。进一步地，所述红外温度场图像包括金属工件的表面形貌、成形尺寸、成形缺陷以和分层间温度差。总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本技术的装置，能够实现金属增材制造全过程的实时质量监测，当缺陷产生后可以及时采取措施，抑制缺陷扩展；当缺陷超过设定标准及时停止操作，便于采取措返工消除层间缺陷，防止产品报废或完工后的返修，形成了一个完整的监测、反馈、调节过程。(2)本技术的装置使得金属增材制造中机器检验代替人工或传统技术的检验成为可能，制造中的整个检验过程实时、可追溯。(3)本技术的装置的模块集成化可以使得系统具有良好的移植型、适应性。进行某些配置和参数的调整，即可具有将其应用于不同的金属增材制造设备的可能性，可广泛应用于金属增材制造工业生产。(4)相比较利用传感器获取熔池及周边温度等方式，本技术的装置利用红外相机等红外采集设备拍摄熔池及其周边红外温度场，能够真实、准确、直观的反应熔池及其周边区域的几何形貌及温度场分布状况。附图说明图1为本技术实施例的一种基于红外信息的金属增材制造过程控制装置的示意图。图1中，相同的附图标记表示相同的元件，其中：1-红外采集设备，2-保护壳套，3-散热器，4-辅助电源，5-图像采集卡、6-固定机构、7-数据总线、8-显示器、9-图像处理单元、10-反馈控制单元，11-喷嘴或焊枪，12-工件，13-精密工作台。具体实施方式为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。此外，下面所描述的本技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。图1为本技术实施例的一种基于红外信息的金属增材制造过程控制装置的示意图。如图1所示，该系统包括：红外采集设备1、保护壳套2、散热器3、辅助电源4、图像采集卡5、固定机构6、数据总线7、显示器8、图像处理单元9、反馈控制单元10、喷嘴或焊枪11、工件12和精密工作台13。如图1所示，红外采集设备1与散热系统3、辅助电源4、图像采集卡5集成安装在保护壳套2内。红外采集设备1用于实时采集熔池及其周边的红外温度场图像；散热系统3用于降低由于弧光辐射产生的高温，保证其他部件正常运作；辅助电源4用在特殊条件下保持本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于红外信息的金属增材制造过程控制装置，其特征在于：该装置包括：增材制造操作单元，其一端安装在工作台上，另一端与焊枪或喷嘴(11)链接，用于制造金属工件；红外图像信息采集单元，其安装于所述增材制造操作单元靠近焊枪或喷嘴的一端，所述红外图像信息采集单元包括红外采集设备(1)，用于实时采集所述金属工件的熔池及其周边的红外温度场图像；图像处理单元(9)，其通过数据总线(7)与所述红外图像信息采集单元连接，用于对所述红外温度场图像进行处理并生成反馈指令；以及反馈控制单元(10)，其通过数据总线(7)一端与所述图像处理单元(9)连接，另一端与所述增材制造操作单元连接，用于根据所述反馈指令控制所述增材制造操作单元，从而对参数进行调整以消除缺陷或者报警停机。

【技术特征摘要】
1.一种基于红外信息的金属增材制造过程控制装置，其特征在于：该装置包括：增材制造操作单元，其一端安装在工作台上，另一端与焊枪或喷嘴(11)链接，用于制造金属工件；红外图像信息采集单元，其安装于所述增材制造操作单元靠近焊枪或喷嘴的一端，所述红外图像信息采集单元包括红外采集设备(1)，用于实时采集所述金属工件的熔池及其周边的红外温度场图像；图像处理单元(9)，其通过数据总线(7)与所述红外图像信息采集单元连接，用于对所述红外温度场图像进行处理并生成反馈指令；以及反馈控制单元(10)，其通过数据总线(7)一端与所述图像处理单元(9)连接，另一端与所述增材制造操作单元连接，用于根据所述反馈指令控制所述增材制造操作单元，从而对参数进行调整以消除缺陷或者报警停机。2.根据权利要求1所述的一种基于红外信息的金属增材制造过程控制装置，其特征在于：所述红外采集设备(1)为红外相机、红外电荷耦合元件、红外传感器或红外热像仪。3.根据权利要求2所述的一种基于红外信息的金属增材制造过程控制装置，其特征在于：所述红外采集设备(1)的参数和配置可根据增材制造所选材料和熔池及周边区域温度场进行相应调节与更换，以满足在不同温度范围、不同增材制造速度范围内获取更精确的红外图像。4.根据权利要求3所述的一种基于红外信息的金属增材制造过程控制装置，其特征在于：所述红外图像信息采集单元还包括散热器(3)，用于降低由于焊接弧光辐射产生的高温，...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏卫生，万柴志，夏盼盼，田文扬，刘凯，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：新型
国别省市：湖北,42