激光近净成型过程中变形场-温度场同步在线监测方法技术

本发明专利技术公开了一种激光近净成型（LENS）过程中变形场

【技术实现步骤摘要】
激光近净成型过程中变形场
‑
温度场同步在线监测方法


[0001]本专利技术属于光测力学
，具体涉及一种激光近净成型过程中变形场
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温度场同步在线监测方法。

技术介绍

[0002]增材制造（AM）作为变革性技术，已在航空航天、汽车、舰船等重要领域得到推广应用。金属增材制造过程的稳定性和产品质量是其广泛应用的主要阻碍之一，特别是对有严格要求的高价值零部件而言，如航空发动机涡轮叶片。其中，激光近净成型（LENS）是AM的重要分支，为了提高金属零部件的质量，避免成型过程中产生裂纹、几何形状畸变等缺陷，以及更好地理解 LENS 过程中发生的复杂多场耦合现象（包括热、能量、粉末效应、几何效应等相互作用），一个重要途径是在成型过程中对关键参量进行原位监测，如变形和温度，从而为实时反馈控制奠定基础。
[0003]数字图像相关（Digital Image Correlation , DIC）方法是一种基于物体表面变形前后图像的现代光学全场、非接触式变形测量方法。3D
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DIC可实现三维形貌和变形场表征，在 LENS 变形原位监测中有较大潜力。相比传统的基于双目视觉原理的双相机3D
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DIC方法，基于双棱镜的单相机三维数字图像相关（BSL 3D DIC）方法（Applied optics, 2015, 54(26): 7842
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7850.），通过在单个镜头前放置双棱镜进行分光，即可实现三维测量，具有成本低、无需考虑双相机同步、与狭小空间中的极端测试环境匹配性强等优点。
[0004]双波段比色测温法是基于黑体辐射定律发展而来的一种辐射测温方法，该方法可以通过物体表面辐射光中两个相邻狭窄波段内辐射强度的比值计算辐射区域内的温度。所述比色法不受物体发射率影响、响应快、测温范围广，特别是针对600 ℃以上高温物体具有较高的测量精度，在LENS 温度原位监测中有较大潜力。然而传统比色测温系统通常由双相机搭建而成，这使得测温系统整体体积较大、便携性差、不便调试的同时增加了研制成本。目前前沿研究方向之一是设计和优化系统光路，建立基于单相机的测温系统。在公开号为CN 108871585 A的中国专利中公开了一种基于单相机的温度场测量系统与方法，该专利创新性设计了单相机比色测温光路，满足了集成化的测试需求。但该方法也存在一定的不足：通过半透半反镜进行分光，分别由两块窄带滤光片进行滤波，再分别经过两次反射之后由相机接收，一方面测温光路较为复杂，提高了加工难度，精度难以保证，另一方面图像经多次反射，会对图像信息造成一定影响，由于色差和装配误差等原因也会增大测量难度，降低测量精度。
[0005]值得注意的是，结合温度和变形测量是揭示增材制造过程中应力应变生成和演化机理的关键之一，亟需发展针对LENS过程中试件表面温度场和变形场的同步测量技术。在进行温度和变形同步原位监测时，为获得试件表面一点对应的温度和变形信息，需对变形场与温度场进行匹配。G.Z.Zeng等（Experimental Mechanics, 2021, 61(8): 1261
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1270）提出了一种变形场与温度场的空间位置匹配方法：将红外热像仪获得的图像转换为灰度图像，作为参考图像1。在三维变形测量系统中，将参考摄像机获得的图像用作参考图像2；应
用一阶相关函数根据相关算法进行位置匹配即可实现变形场与温度场空间点的位置匹配。但是其测量对象为打印过程中基体的底面，变形场和温度场分别由双相机3D
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DIC和红外热像仪获得，无法测量包括基体和打印体在内的打印全过程温度场和变形场信息。此外，如何结合基于单相机的温度场和变形场测量方法的优点，并优化和简化测量系统光路，仍有待进一步研究。

技术实现思路

[0006]针对上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种激光近净成型过程中变形场
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温度场同步在线监测方法，以解决激光近净成型（LENS）过程中，极端制造环境导致测量难的问题。
[0007]实现本专利技术目的采用的技术方案如下：本专利技术提供的激光近净成型过程中变形场
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温度场同步在线监测方法，包括以下步骤：步骤一，在用于激光打印制作试件的基板上预先用高温漆制备一层耐高温的第一高温散斑。
[0008]步骤二，利用半透半反镜将被测物体基板和试件表面发射出的光分成两束不同方向的透射光路和反射光路，将基板的第一高温散斑的一面和试件的被观测表面对准透射光路方向；利用第一双棱镜的两个前表面，用以将透射光路中的图像分成两个带有视差的左右图像；利用第二双棱镜的两个前表面上的不同中心波长的窄带通滤光膜，用以将反射光路中的图像分成两个不同波段的左右图像。
[0009]步骤三，利用激光3D打印设备在基板上逐层打印形成试件，控制第一相机从所述透射光路与第二相机从所述反射光路分别同步频率同步采集同时包含有第一高温散斑的基板图像和试件被观测表面的图像。
[0010]步骤四，在打印一定层数形成试件后，暂停激光打印，在试件的被观测表面用高温漆制备一层第二高温散斑。
[0011]步骤五，重复步骤三和步骤四直到打印结束，其中步骤三分别同步频率同步采集同时包含有第一高温散斑的基板图像和包含有第二高温散斑的试件图像。
[0012]步骤六，利用第一计算机对第一相机通过第一双棱镜所采集的两个带有视差的左右图像进行处理，使用三维数字图像相关（3D
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DIC）方法计算出基体和试件的三维变形场。
[0013]步骤七，利用第二计算机对第二相机所采集的图像进行处理，使用二维数字图像相关（2D
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DIC）方法，将通过第二双棱镜采集到的两个不同波段的左右图像中对应实际观测表面的同一点进行匹配，获得两个图像中对应像素单元的灰度值，根据对应像素单元的灰度值使用双波段比色测温方法测量全场的温度，获得基体和试件的温度场。
[0014]步骤八，使用变形场和温度场空间位置匹配方法，将同一时刻第一相机所采集图像的左图像或者右图像作为参考图像1和第二相机所采集图像的左图像或者右图像作为参考图像2，结合二维数字图像相关算法对参考图像1和参考图像2进行图像匹配，实现基体和试件的变形场和温度场空间点的一一对应。
[0015]所述步骤一是在对基板进行无水乙醇超声清洗、干燥后再在所述基板上制备第一高温散斑。
[0016]还包括采用蓝光补光光源，用于对所述基板上的第一高温散斑图像和试件被测物体表面进行照射。
[0017]还包括在所述透射光路上采用截止片，以解决激光对所述第一相机带来的光晕和局部过曝光的影响。
[0018]还包括在所述透射光路上采用窄带通蓝光滤波片，用于过滤蓝光以外的幅射光，保留蓝光，并配合蓝光补光光源用于解决试件“成型”过程中金属熔融热辐射引起的大面积过曝光和数字图像相关（DIC）计算中的“退相关”问题。
[0019]还包括采用UV保护镜，用于防护激光在打印试件过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光近净成型过程中变形场
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温度场同步在线监测方法，其特征是包括以下步骤：步骤一，在用于激光打印制作试件的基板上预先用高温漆制备一层耐高温的第一高温散斑；步骤二，利用半透半反镜将被测物体基板和试件表面发射出的光分成两束不同方向的透射光路和反射光路，将基板的第一高温散斑的一面和试件的被观测表面对准透射光路方向；利用第一双棱镜的两个前表面，用以将透射光路中的图像分成两个带有视差的左右图像；利用第二双棱镜的两个前表面上的不同中心波长的窄带通滤光膜，用以将反射光路中的图像分成两个不同波段的左右图像；步骤三，利用激光3D打印设备在基板上逐层打印形成试件，控制第一相机从所述透射光路与第二相机从所述反射光路分别同步频率同步采集同时包含有第一高温散斑的基板图像和试件被观测表面的图像；步骤四，在打印一定层数形成试件后，暂停激光打印，在试件的被观测表面用高温漆制备一层第二高温散斑；步骤五，重复步骤三和步骤四直到打印结束，其中步骤三分别同步频率同步采集同时包含有第一高温散斑的基板图像和包含有第二高温散斑的试件图像；步骤六，利用第一计算机对第一相机通过第一双棱镜所采集的两个带有视差的左右图像进行处理，使用三维数字图像相关方法计算出基体和试件的三维变形场；步骤七，利用第二计算机对第二相机所采集的图像进行处理，使用二维数字图像相关方法，将通过第二双棱镜采集到的两个不同波段的左右图像中对应实际观测表面的同一点进行匹配，获得两个图像中对应像素单元的灰度值，根据对应像素单元的灰度值使用双波段比色测温方法测量全场的温度，获得基体和试件的温度场；步骤八，使用变形场和温度场空间位置匹配方法，将同一时刻第一相机所采集图像的左图像或者右图像作为参考图像1和第二相机所采集图像的左图像...

【专利技术属性】
技术研发人员：何巍，吴伟邦，谢惠民，刘战伟，
申请(专利权)人：清华大学北京理工大学，
类型：发明
国别省市：