在增材制造过程中实时测量零件应变的方法技术

本发明专利技术提供了一种在增材制造过程中实时测量零件应变的方法包括步骤：S1，在加工区域设置防护罩并在防护罩外架设DIC摄像机，DIC摄像机与计算机连接；S2，标定出DIC摄像机与加工区域的相对位置；S3，采用单色光源沿一定角度照射加工区域；S4，采用激光熔敷喷头进行增材制造零件，使DIC摄像机视野的边缘处于激光熔敷喷头正在熔敷的区域；S5，零件表面产生散斑，DIC摄像机拍摄各个时刻的零件表面，采集图片的软件对各图片上的散斑质量进行评估；S6，分析应变的软件对不同时刻的图片中零件表面的特征进行分析，得到不同时刻的应变分布云图，揭示出在增材制造过程中的应变分布及其演变规律。本发明专利技术无需预先喷溅涂料作为散斑，操作简单、方便。

【技术实现步骤摘要】
在增材制造过程中实时测量零件应变的方法
本专利技术涉及制造
，尤其涉及一种在增材制造过程中实时测量零件应变的方法。
技术介绍
增材制造技术(也称3D打印技术)是以粉末、颗粒或金属丝材为原料，通过分层制造、逐层叠加的原理，从三维CAD模型和金属粉末直接制备零件的方法。当前增材制造技术发展得很快，并在航天航空领域复杂金属零件制造上得到应用。制约增材制造技术主要的一个技术瓶颈就是在增材制造过程中剧烈的、循环加热/冷却条件下，在零件内产生分布及演化极其复杂的内应力以及导致零件变形开裂。这将影响零件的精度尺寸，甚至会使零件发生翘曲及开裂现象，最终导致零件无法使用。针对增材制造中成型件的变形问题，当前大部分学者停留在采用表面轮廓测量仪、激光三维扫描仪等手段测量增材制造加工结束后基板的最终变形。以上这些方法只能在加工结束后进行，并且只能反映基板的变形，而不能揭示增材制造过程中加工零件的实时变形情况。美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员提出在增材制造过程中对基板的变形进行实时测量，其采用激光位移传感器测量悬臂约束下基板背面若干点在增材过程中沿高度方向的位移，从而反映基板在整个过程的翘曲变形情况。该方法可以揭示一些增材制造加工过程中的变形演变规律，并且可以作为验证数值模拟变形计算的手段。然而，由于采用位移传感器只能针对某个方向上的有限点进行动态实时变形测量。另外，和当前所有实时变形测量方法一样，该方法最大的一个局限是只能测量基板的变形情况。数字图像相关(DigitalImageCorrelation，简称DIC)是一种新的应变场测量技术。该方法利用经过标定的摄像机跟踪被测对象表面的图像特征的移动，通过测量试样表面特征的空间位置变化，从而计算试样表面的应变分布。DIC具有非接触、高精度及可获得局部区域全部应变信息等优点。目前有研究人员将DIC技术应用到焊接过程中测量远离焊缝区的应变分布。测量前需要使用适当的方法在试样表面制备随机分布的高对比度的散斑(通常是在需要测量应变的区域喷涂白色的高温涂料作为背景，然后在白色涂料上喷涂适量黑色的斑点)。在测量时，使用两个空间位置经过提前标定的高分辨率数字摄像机以一定的频率拍摄试样表面斑点的图像。拍摄图像后，通过软件使用数字图像相关算法，跟踪试样表面特征在三维空间的位移，进而计算得到材料表面的应变分布。在增材制造中利用DIC方法进行应变测量存在两个关键问题。其一是增材制造过程中加工的零件是“从无到有”的过程，因此无法按照传统制造散斑的方法那样在表面制备随机散斑。其二是尽管可以在零件打印一半的时候停下来制备散斑，然后接着打印，但是目前散斑制作均采用涂料作为基底，在非常靠近熔池的区域，涂料会被烧损，因此只能测量远离熔池区域的应变。另外，高温、弧光及保护气体都有可能使得斑点不清晰，也会影响测量。
技术实现思路
鉴于
技术介绍
中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种在增材制造过程中实时测量零件应变的方法，其无需预先喷溅高温涂料作为散斑，操作简单方便，能够揭示出在增材制造加工过程中的应变分布及其演变规律。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种在增材制造过程中实时测量零件应变的方法，其包括步骤：S1、S2、S3、S4、S5以及S6。S1，提供采用增材制造技术加工零件的加工区域，在加工区域设置透明的防护罩并在防护罩外架设DIC摄像机，DIC摄像机固定于相机支架上且与安装有采集图片的软件和分析应变的软件的计算机连接。S2，标定出DIC摄像机与加工区域的相对位置，以使DIC摄像机的视野涵盖整个加工区域。S3，采用单色光源沿一定角度照射加工区域，且DIC摄像机的镜头前添加有与光源具有相同颜色的滤光片。S4，采用激光熔敷喷头在防护罩内的加工区域进行增材制造零件，微调相机支架的角度以使DIC摄像机视野的边缘处于激光熔敷喷头正在熔敷的区域。S5，零件成型到一定高度后，零件表面产生凹凸不平的散斑，DIC摄像机实时拍摄各个时刻的零件表面，计算机中的采集图片的软件对DIC摄像机拍摄到的各图片上的散斑质量进行评估。S6，计算机中的采集图片的软件控制DIC摄像机采集不同时刻时零件表面的图片，分析应变的软件对不同时刻的图片中零件表面的特征进行分析处理，从而得到不同时刻的零件表面的应变分布云图。本专利技术的有益效果如下：根据本专利技术的在增材制造过程中实时测量零件应变的方法中，本专利技术无需预先喷溅涂料作为散斑，而是直接将零件表面的粗糙表面作为散斑，这种操作简单、方便。而且本专利技术采用这种特殊的“散斑”，并利用DIC摄像机可以拍摄尽可能靠近熔池的区域，避免了传统涂料易烧损的局限。此外，本专利技术基于计算机中的采集图片的软件和分析应变的软件获得增材制造过程中制造出的零件表面的实时应变场，从而能够揭示出在增材制造加工过程中的应变分布及其演变规律。附图说明图1是根据本专利技术的在增材制造过程中实时测量零件应变的方法所采用的测量装置的示意图。图2是对针对某一时刻的散斑质量评估结果。图3是增材制造过程中一时刻的零件应变云图。图4是增材制造过程中另一时刻的零件应变云图。其中，附图标记说明如下：1加工区域6滤光片2防护罩7激光熔敷喷头3DIC摄像机8零件表面4计算机9熔池5单色光源具体实施方式下面参照附图来详细说明根据本专利技术的在增材制造过程中实时测量零件应变的方法。参照图1至图4，根据本专利技术的在增材制造过程中实时测量零件应变的方法包括步骤：S1、S2、S3、S4、S5以及S6。S1，提供采用增材制造技术加工零件的加工区域1，在加工区域1设置透明的防护罩2并在防护罩2外架设DIC摄像机3，DIC摄像机3固定于相机支架(未示出)上且与安装有采集图片的软件和分析应变的软件的计算机4连接。这里，防护罩2可采用玻璃制成，防护罩2的作用一方面是为了防止加工区域1内的零件氧化，另一方面是可以避免激光长时间直接照射在DIC摄像机3上对摄像机3的镜头造成损坏。S2，标定出DIC摄像机3与加工区域1的相对位置，以使DIC摄像机3的视野涵盖整个加工区域1。S3，采用单色光源5沿一定角度照射加工区域1，且DIC摄像机3的镜头前添加有与光源5具有相同颜色的滤光片6。S4，采用激光熔敷喷头7在防护罩2内的加工区域1进行增材制造零件，微调相机支架的角度以使DIC摄像机3视野的边缘处于激光熔敷喷头7正在熔敷的区域。S5，零件成型到一定高度后，零件表面8产生凹凸不平的散斑(即粗糙表面)，DIC摄像机3实时拍摄各个时刻的零件表面8，计算机4中的采集图片的软件对DIC摄像机3拍摄到的各图片上的散斑质量进行评估。S6，计算机4中的采集图片的软件控制DIC摄像机3采集不同时刻时零件表面8的图片，分析应变的软件对不同时刻的图片中零件表面8的特征(即各散斑的空间位置变化)进行分析处理，从而得到不同时刻的零件表面8的应变分布云图(即实时应变场)。根据本专利技术的在增材制造过程中实时测量零件应变的方法中，本专利技术无需预先喷溅涂料作为散斑，而是直接将零件表面8的粗糙表面作为散斑，这种操作简单、方便。而且本专利技术采用这种特殊的“散斑”，并利用DIC摄像机3可以拍摄尽可能靠近熔池的区域(即激光熔敷喷头7正在熔敷的区域)，避免了传统涂料易烧损的局限。此外，本专利技术基于计算机4中的采集图片的软件和分析应变的软件获得增材制造过程中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在增材制造过程中实时测量零件应变的方法，其特征在于，包括步骤：S1，提供采用增材制造技术加工零件的加工区域(1)，在加工区域(1)设置透明防护罩(2)并在防护罩(2)外架设DIC摄像机(3)，DIC摄像机(3)固定于相机支架上且与安装有采集图片的软件和分析应变的软件的计算机(4)连接；S2，标定出DIC摄像机(3)与所述加工区域(1)的相对位置，以使DIC摄像机(3)的视野涵盖整个加工区域(1)；S3，采用单色光源(5)沿一定角度照射加工区域(1)，且DIC摄像机(3)的镜头前添加有与光源(5)具有相同颜色的滤光片(6)；S4，采用激光熔敷喷头(7)在防护罩(2)内的加工区域(1)进行增材制造零件，微调相机支架的角度以使DIC摄像机(3)视野的边缘处于激光熔敷喷头(7)正在熔敷的区域；S5，零件成型到一定高度后，零件表面(8)产生凹凸不平的散斑，DIC摄像机(3)实时拍摄各个时刻的零件表面(8)，计算机(4)中的采集图片的软件对DIC摄像机(3)拍摄到的各图片上的散斑质量进行评估；以及S6，采集图片的软件控制DIC摄像机(3)采集不同时刻时零件表面8的图片，分析应变的软件对不同时刻的图片中零件表面8的特征进行分析处理，从而得到不同时刻的零件表面(8)上的应变分布云图。...

【技术特征摘要】
1.一种在增材制造过程中实时测量零件应变的方法，其特征在于，包括步骤：S1，提供采用增材制造技术加工零件的加工区域(1)，在加工区域(1)设置透明防护罩(2)并在防护罩(2)外架设DIC摄像机(3)，DIC摄像机(3)固定于相机支架上且与安装有采集图片的软件和分析应变的软件的计算机(4)连接；S2，标定出DIC摄像机(3)与所述加工区域(1)的相对位置，以使DIC摄像机(3)的视野涵盖整个加工区域(1)；S3，采用单色光源(5)沿一定角度照射加工区域(1)，且DIC摄像机(3)的镜头前添加有与光源(5)具有相同颜色的滤光片(6)；S4，采用激光熔敷喷头(7)在防护罩(2)内的加工区域(1)进行增材制造零件，微调相机支架的角度以使DIC摄像机(3)视野的边缘处于激光熔敷喷头(7)正在熔敷的区域；S5，零件成型到一定高度后，零件表面(8)产生凹凸不平的散斑，DIC摄像机(3)实时拍摄各个时刻的零件表面(8)，计算机(4)中的采集图片的软件对DIC摄像机(3)拍摄到的各图片上的散斑质量进行评估；以及S6，采集图片的软件控制DIC摄像机(3)采集不同时刻时零件表面8的图片，分析应变的软件对不同时刻的图片中零件表面8的特征进行分析处理，从而得到不同时刻的零件表面(8)上的应变分布云图。2.根据权利要求1所述的在增材制造过程中实时测量零件应变的方法，其特征在于，计算机(4)中安装的采集图片的软件为Vic-Snap8，分析应变的软件为Vic-2D6。3.根据权利要求1所述的在增材制造过程中实时测量零件应变的方法，其特征在于，在步骤S2中，包括步骤：S21，在加工...

【专利技术属性】
技术研发人员：史清宇，谢瑞山，赵玥，林鑫，陈高强，吴建军，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11