一种电子束熔丝沉积增材制造实时监控方法技术

本发明专利技术涉及一种电子束熔丝沉积增材制造实时监控方法，属于电子束成形制造监控技术领域。本发明专利技术监控方法通过分时复用的方式，实现了在进行电子束熔丝沉积过程同时，对工件进行预热和随行热处理。同时实时采集预热区域、熔池区域和随行热处理区域的背散射电子信号，分别将生成的预热区域图像用于沉积过程的路径规划，熔池区域图像用于熔池热输入的闭环控制，随行热处理区域图像用于成形件的缺陷检测。本发明专利技术提出了三种电子束束流控制模式，可以根据需要，方便的调整预热、加工和热处理的功率大小。本发明专利技术的监控方法基于背散射电子成像原理，可以适应大束流高金属蒸气的环境。同时可实时成像，无需离线进行单独的成像扫描，提高了生产效率。

A Real-time Monitoring Method for Electron Beam Fuse Deposition Addition Manufacturing

The invention relates to a real-time monitoring method for electron beam fuse deposition and material addition manufacturing, which belongs to the technical field of electron beam forming manufacturing monitoring. The monitoring method of the invention realizes the preheating and follow-up heat treatment of the workpiece while conducting the deposition process of the electron beam fuse by time-sharing multiplexing. At the same time, the backscattered electronic signals of preheating area, molten pool area and accompanying heat treatment area are collected in real time. The preheating area image is used for path planning of deposition process, the molten pool area image is used for closed-loop control of heat input of molten pool, and the accompanying heat treatment area image is used for defect detection of forming parts. The invention provides three electron beam control modes, which can conveniently adjust the power of preheating, processing and heat treatment according to needs. The monitoring method of the invention is based on the principle of backscatter electronic imaging, and can adapt to the environment of large beam and high metal vapor. At the same time, real-time imaging can be achieved without offline imaging scanning, which improves the production efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种电子束熔丝沉积增材制造实时监控方法
本专利技术涉及一种电子束熔丝沉积增材制造实时监控方法，属于电子束成形制造监控

技术介绍
工艺可重复性和质量一致性是衡量该生产制造技术的关键，这在航空航天、医疗领域尤为重要。然而电子束成形制造过程中环境参数多变，例如设备参数的不稳定、成形过程中的热积累、金属材料成分的变化等。这使得仅依靠传统的技术无法实现成形过程的连续稳定。近年来越来越多的电子束成形制造生产商将过程监控技术增加到设备中去，其中最多的就是视觉监控技术。然而在电子束成形制造加工环境中存在很强的金属蒸气污染，这是由于局部的高温使得大量金属原子蒸发，观察窗的光学玻璃很快被蒸镀上一层金属膜而无法观察。与传统的光学监控系统相比，利用电子束轰击工件表面产生的背散射电子和二次电子也可对工件进行清晰有效的监控。例如中国专利CN106180718A，公开了一种具备在线检测功能的电子束快速成型设备及其运行方法，其工作原理是对成形后的工件表面进行小束流电子束扫描，二次电子收集器接受电子束微束扫描过程产生的二次电子信息，中央控制单元采集返回的二次电子信息进行成像，以此检测制造层是否存在缺陷。其缺点是二次电子由于自身能量较低，自工件运动至传感器的飞行时间较长，成像时间较长，只能在加工完一层后，在成形间歇期进行在线成像，而不能在成形期间进行实时成像，这降低了整个成型过程的生产效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种电子束熔丝沉积增材制造实时监控方法，在进行电子束熔丝沉积增材制造成形过程中，通过分时复用的方式，将电子束快速偏转依次扫描预热区域、加工区域和热处理区域，在进行电子束熔丝沉积过程中的预热、熔丝加工和随行热处理。以实现沉积前的路径规划和沉积后的缺陷检测，同时可保证熔池区域大小稳定，进而保证成形过程和产品质量的一致性。本专利技术提出的电子束熔丝沉积增材制造实时监控方法，包括以下步骤：(1)向待沉积增材的工件上发射一束高能电子束，高能电子束的能量为10KeV-150KeV；(2)沉积开始时，设待沉积增材工件的当前沉积中心横坐标为Xc，使步骤(1)的高能电子束偏转，依次扫描待沉积增材的工件上的预热区域D1、加工区域D2和热处理区域D3，并对预热区域D1、加工区域D2和热处理区域D3的高能电子束流根据如下公式，进行调整：使预热区域D1的高能电子束流I1为：其中，P1为初始设定的层积预热功率，V为电子束加速电压，T1为电子束在预热区域D1的停留时间，T2为电子束在加工区域D2的停留时间，T3为电子束在热处理区域D3的停留时间；使加工区域D2的高能电子束流I2为：其中，P2为初始设定的层积加工功率；使热处理区域D3的高能电子束流I3为：其中，P3为初始设定的沉积加工功率；(3)沉积过程中，实时采集预热区域D1、加工区域D2和热处理区域D3的背散射电子束流i1,i2,i3；(4)对采集的背散射电子束流i1,i2,i3分别进行差分成像处理，得到预热区域D1、加工区域D2和热处理区域D3的表面形貌图像，即预热区域D1的前层形貌图像、加工区域D2的当前熔池形貌图像和热处理区域D3的已沉积层形貌图像；(5)对步骤(4)的预热区域D1的前层形貌图像、加工区域D2的当前熔池形貌图像和热处理区域D3的已沉积层形貌图像进行特征提取，分别得到预热区域D1的前层沉积形貌偏差信息、加工区域D2的熔池大小信息和热处理区域D3的已沉积层缺陷信息，并根据得到的信息，对待沉积增材的工件的增材制造进行实时监控。2、如权利要求1所述的实时监控方法，其特征在于其中所述的根据得到的信息，对待沉积增材的工件的增材制造进行实时监控，包括以下步骤：(2-1)根据预热区域D1的前层形貌图像，得到前层沉积形貌偏差信息，并根据得到的信息，对待沉积增材的工件的增材制造进行实时监控，过程如下：(2-1-1)获取当前预热区域处的前层沉积形貌图像，并对前层沉积形貌图像进行增强和去燥；(2-1-2)提取增强后的前层沉积形貌图像中的灰度梯度特征，得到灰度梯度图像；(2-1-3)对步骤(2-1-2)的灰度梯度图像进行阈值分割和沉积间隙轮廓检测，得到灰度梯度图像的沉积间隙轮廓中心方程；(2-1-4)对步骤(2-1-3)的沉积间隙轮廓中心方程进行中心坐标提取，获得前层沉积间隙中心横坐标Xo；(2-1-5)根据前层沉积间隙中心横坐标Xo和当前沉积中心横坐标Xc，计算当前沉积中心横坐标与目标沉积中心横坐标值的偏差Ex：Ex＝Xo－Xc，将Ex作为实时监控的状态量；(2-1-6)根据实时监控的状态量Ex，计算预热区域D1的待沉积增材工件横坐标X的调整量△X：其中，△X为待沉积增材工件横坐标X的调整量，KPx为第一比例-积分-微分控制器中的比例系数，该比例系数的取值范围为0.1～10，TIx为第一比例-积分-微分控制器中的积分系数，该积分系数的取值范围为0.01～0.5，TDx为第一比例-积分-微分控制器中的微分系数，该微分系数的取值范围为0.01～0.5，Ex为当前沉积中心横坐标与目标沉积中心横坐标值的偏差；(2-1-7)根据调整量△X，得到下一控制周期预热区域D1的待沉积增材工件横坐标X’：X’＝Xc+△X；(2-2)根据加工区域D2的当前熔池形貌图像，得到加工区域D2的熔池大小信息，并根据该信息，对待沉积增材的工件的增材制造进行实时监控，过程如下：(2-2-1)对加工区域D2的当前熔池形貌图像进行增强和去燥，得到一个增强后的图像；(2-2-2)对增强后的图像进行灰度梯度特征提取，得到灰度梯度图像：(2-2-3)对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熔池轮廓表征量；(2-2-4)根据熔池轮廓表征量，计算得到当前熔池面积Sc；(2-2-5)设定一个熔池面积的目标值St，计算熔池面积的目标值St与当前熔池面积Sc的差值Ei：Ei＝St－Sc，将Ei作为实时监控的状态量；(2-2-6)根据实时监控状态量Ei，计算加工区域D2的电子束束流调整量△I2：其中，△I2为加工区域D2的电子束束流调整量，KPi为第二比例-积分-微分控制器中的比例系数，该比例系数的取值范围为0.1～10，TIi为第二比例-积分-微分控制器中的积分系数，该积分系数的取值范围为0.01～0.5，TDi为第二比例-积分-微分控制器中的微分系数，该微分系数的取值范围为0.01～0.5，Ei为熔池面积的目标值St与当前熔池面积Sc的差值；(2-2-7)根据电子束束流调整量△I2，得到下一控制周期加工区域D2的电子束束流值为I2’：I2’＝I2+△I2；(2-3)对热处理区域D3的已沉积层形貌图像进行处理，得到热处理区域D3的已沉积层缺陷信息，根据该信息，对待沉积增材的工件的增材制造进行实时监控，过程如下：(2-3-1)对热处理区域D3的已沉积层形貌图像进行增强和去燥，，得到一个增强后的图像；(2-3-2)对增强后的图像进行灰度梯度特征提取，得到灰度梯度图像；(2-3-3)对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缺陷边缘表征量：(2-3-4)根据缺陷边缘表征量，计算获得当前缺陷面积Sd；(2-3-5)设定一个后期可消除缺陷面积最大值Sdmax，对当前缺陷面积Sd进行判断，若当前缺陷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电子束熔丝沉积增材制造实时监控方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(1)向待沉积增材的工件上发射一束高能电子束，高能电子束的能量为10KeV‑150KeV；(2)沉积开始时，设待沉积增材工件的当前沉积中心横坐标为Xc，使步骤(1)的高能电子束偏转，依次扫描待沉积增材的工件上的预热区域D1、加工区域D2和热处理区域D3，并对预热区域D1、加工区域D2和热处理区域D3的高能电子束流根据如下公式，进行调整：使预热区域D1的高能电子束流I1为：

【技术特征摘要】
1.一种电子束熔丝沉积增材制造实时监控方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(1)向待沉积增材的工件上发射一束高能电子束，高能电子束的能量为10KeV-150KeV；(2)沉积开始时，设待沉积增材工件的当前沉积中心横坐标为Xc，使步骤(1)的高能电子束偏转，依次扫描待沉积增材的工件上的预热区域D1、加工区域D2和热处理区域D3，并对预热区域D1、加工区域D2和热处理区域D3的高能电子束流根据如下公式，进行调整：使预热区域D1的高能电子束流I1为：其中，P1为初始设定的层积预热功率，V为电子束加速电压，T1为电子束在预热区域D1的停留时间，T2为电子束在加工区域D2的停留时间，T3为电子束在热处理区域D3的停留时间；使加工区域D2的高能电子束流I2为：其中，P2为初始设定的层积加工功率；使热处理区域D3的高能电子束流I3为：其中，P3为初始设定的沉积加工功率；(3)沉积过程中，实时采集预热区域D1、加工区域D2和热处理区域D3的背散射电子束流i1,i2,i3；(4)对采集的背散射电子束流i1,i2,i3分别进行差分成像处理，得到预热区域D1、加工区域D2和热处理区域D3的表面形貌图像，即预热区域D1的前层形貌图像、加工区域D2的当前熔池形貌图像和热处理区域D3的已沉积层形貌图像；(5)对步骤(4)的预热区域D1的前层形貌图像、加工区域D2的当前熔池形貌图像和热处理区域D3的已沉积层形貌图像进行特征提取，分别得到预热区域D1的前层沉积形貌偏差信息、加工区域D2的熔池大小信息和热处理区域D3的已沉积层缺陷信息，并根据得到的信息，对待沉积增材的工件的增材制造进行实时监控。2.如权利要求1所述的实时监控方法，其特征在于其中所述的根据得到的信息，对待沉积增材的工件的增材制造进行实时监控，包括以下步骤：(2-1)根据预热区域D1的前层形貌图像，得到前层沉积形貌偏差信息，并根据得到的信息，对待沉积增材的工件的增材制造进行实时监控，过程如下：(2-1-1)获取当前预热区域处的前层沉积形貌图像，并对前层沉积形貌图像进行增强和去燥；(2-1-2)提取增强后的前层沉积形貌图像中的灰度梯度特征，得到灰度梯度图像；(2-1-3)对步骤(2-1-2)的灰度梯度图像进行阈值分割和沉积间隙轮廓检测，得到灰度梯度图像的沉积间隙轮廓中心方程；(2-1-4)对步骤(2-1-3)的沉积间隙轮廓中心方程进行中心坐标提取，获得前层沉积间隙中心横坐标Xo；(2-1-5)根据前层沉积间隙中心横坐标Xo和当前沉积中心横坐标Xc，计算当前沉积中心横坐标与目标沉积中心横坐标值的偏差Ex：Ex＝Xo－Xc，将Ex作为实时监控的状态量；(2-1-6)根据实时监控的状态量Ex，计算预热区域D1的待沉积增材工件横坐标X的调整量△X：其中，△X为待沉积增材工件横坐标X的调整量，KPx为第一比例-积分-微分控制器中的比...

【专利技术属性】
技术研发人员：都东，常树鹤，张昊宇，王力，常保华，彭国栋，薛博策，魏昂昂，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11