激光熔覆头加工状态实时监测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种激光熔覆头加工状态实时监测系统及方法，系统包括：激光头单元，采用送粉或送丝的形式进行激光熔覆加工；同轴监测单元，传输熔池发出的图像信号；工业相机单元，采集熔池图像；图像在线处理单元，去除工业相机单元所采集熔池图像中的噪声干扰，并提取关键图像特征；保护镜片状态识别单元，对激光头保护镜片的污损程度进行识别判断；送粉状态识别单元，对激光头送粉喷嘴状态进行识别，判断送粉状态及是否存在堵粉问题。本发明专利技术能够对激光熔覆头保护镜片和送粉喷嘴状态进行实时监测，准确识别长期加工及意外所导致的镜片污损和喷嘴堵粉情况，进而及时进行调整，避免影响加工质量，适用性强，集成化程度高，实现成本较低。低。低。

【技术实现步骤摘要】
激光熔覆头加工状态实时监测系统及方法


[0001]本专利技术属于激光加工在线监测
，具体地，是一种用于表面熔覆、沉积成形等加工
的针对激光熔覆头加工状态的实时监测系统与识别方法。

技术介绍

[0002]激光熔覆本质上是一种基于激光束的定向能量沉积技术，是一种重要的增材制造技术，主要应用于金属材料的直接成形、功能涂层熔覆和高端零部件修复等领域。在目前工业应用中，激光熔覆往往是长时间多周期高循环次数下的逐层逐道加工，这使得激光熔覆头状态的实时监测非常必要。如能在激光头出现故障时及时进行调整，则可以避免资源浪费、提高生产效率、提升加工可靠性。
[0003]在使用激光熔覆头加工时，保护镜片状态和送粉喷嘴状态是影响激光头使用效果、导致加工质量下降乃至失败的两项重要因素。因素一，保护镜片放置于激光聚焦镜片与加工熔池之间，用于防止加工时的粉末飞溅及蒸汽污染聚焦镜片，属于损耗件，需要根据镜片状态进行更换。当激光头保护镜片污损时，一方面会干扰激光束的能量传递，使得实际用于加工的激光功率有所偏差，干扰加工质量，另一方面则是会导致能量聚集于保护镜片中，导致镜片升温碎裂，甚至可能会损伤到聚焦镜片等重要光学元器件。因素二，送粉喷嘴状态直接关乎喷嘴出粉与粉末汇聚情况，特别是在加工铜合金、铝合金等高反材料时，喷嘴堵塞情况更加普遍，且常常发生于加工过程中。当喷嘴堵塞导致粉末无法汇聚时，会使得熔覆层出现坍塌，加工质量显著下降，如果长时间没有进行疏通处理，会导致激光头外喷嘴的整体磨损乃至报废。
[0004]虽然目前有一些方法可以用于监测激光头保护镜片的状态，但这些方法大多需要额外配置专用模块来实现，成本较高，系统冗余。而送粉喷嘴状态还较难实现实时监测。因此，在激光头同轴监测技术快速发展的背景下，亟需一种可以将激光熔覆头状态监测融合到同轴监测中的新方法。
[0005]综上，针对激光熔覆时熔覆头状态会影响加工质量，甚至导致加工失败造成资源浪费，以及目前激光熔覆头状态在线监测成本较高、系统冗余的问题，有必要提出可利用激光头同轴监测技术的成本低、速度快、适用性广的激光熔覆头加工状态实时监测系统及方法，以此来可视化连续加工时的熔覆头状态，及时调整工艺路径参数及排除故障。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种激光熔覆头加工状态实时监测系统及方法，不需要额外的专用模块，可与目前的同轴监测技术相结合，成本较低，系统简单，处理速度快，适用性更广，可保障加工质量，避免资源浪费，以解决现有技术中的不足。而且，其中的保护镜片状态识别单元不仅适用于激光熔覆，同样可用于激光打标、激光焊接、激光切割等激光束加工技术中，适用性更广；送粉状态识别单元特别适合铝合金与铜合金等高反材料的激光加工，准确监测送粉口是否产生堵塞，保障加工质量，避免资源的浪费。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：
[0008]一方面，提供一种激光熔覆头加工状态实时监测系统，包括：
[0009]激光头单元，包括激光头，采用送粉或送丝的形式进行激光熔覆加工，生成液态金属熔池；
[0010]同轴监测单元，传输液态金属熔池发出的图像信号；
[0011]工业相机单元，采集所述同轴监测单元所传输的熔池图像；
[0012]图像在线处理单元，去除所述工业相机单元所采集熔池图像中的噪声干扰，并提取所需的关键图像特征；
[0013]保护镜片状态识别单元，根据所述图像在线处理单元处理后的图像数据对激光头保护镜片的污损程度进行识别判断；以及，
[0014]送粉状态识别单元，根据所述图像在线处理单元的数据对激光头送粉喷嘴状态进行识别，判断送粉状态及是否存在堵粉问题。
[0015]如所述激光熔覆头加工状态实时监测系统，所述激光头单元采用同轴或旁轴方法进行送粉或送丝加工，加工方法包括表面熔覆或直接成形。
[0016]如所述激光熔覆头加工状态实时监测系统，所述同轴监测单元包括拐臂结构、45
°
分光镜、45
°
反射镜和拐臂集成镜头，所述45
°
分光镜位于所述激光头内，所述45
°
分光镜支持正向通过激光束所在波段的光以及反向通过非激光束波段的光，所述拐臂结构用于传输光路进行同轴监测，所述45
°
反射镜位于所述拐臂结构内，所述45
°
反射镜反射非激光束波段光至所述激光头的出光口，所述拐臂集成镜头集成于所述拐臂结构上，将图像放大以便于所述工业相机单元采集。
[0017]如所述激光熔覆头加工状态实时监测系统，所述工业相机单元可采用普通工业相机、高动态工业相机或红外工业相机等。
[0018]如所述激光熔覆头加工状态实时监测系统，所述图像在线处理单元包括灰度处理模块、图像滤波降噪模块和视觉特征提取模块，所述灰度处理模块使原图像灰度直方图中的灰度分布范围至少压缩至原图像的1/2，所述图像滤波降噪模块去除激光束与粉末之间因散射作用所造成的干扰，同时去除粉末飞溅中像素值小于3的粉末飞溅，所述视觉特征提取模块提取出图像清晰度特征以及激光出光口轮廓特征。
[0019]如所述激光熔覆头加工状态实时监测系统，所述图像清晰度特征利用空域的灰度梯度算法或者频域的灰度梯度算法计算。
[0020]如所述激光熔覆头加工状态实时监测系统，所述激光出光口轮廓特征利用边缘检测算法进行提取与计算。
[0021]另一方面，提供一种激光熔覆头加工状态实时监测方法，基于如上述激光熔覆头加工状态实时监测系统实现，包括：
[0022]a、将工业相机放置于同轴监测单元的拐臂结构上，调整同轴监测单元内的拐臂集成镜头进行对焦，对焦时激光头与基板之间的距离为实际加工距离，对焦后标定图像与实际尺寸的比例，综合得到图像像素值与实际尺寸的比例为n:1；
[0023]b、激光熔覆头加工时，工业相机实时采集加工过程中的图像，采集帧率范围为5～200fps；
[0024]c、图像在线处理单元对采集到的图像进行预处理，包括灰度处理、图像滤波降噪、
清晰度特征提取、激光出光口轮廓特征提取，处理速度为5～200ms；
[0025]清晰度特征提取获得采集图像实时的清晰度特征值，即平均灰度梯度值t；
[0026]激光出光口轮廓特征提取获得激光出光口的轮廓长度像素值l；
[0027]d、根据步骤a中的标定比例n:1以及步骤c图像在线处理单元对特征图像的处理，采集激光加工时图像清晰度特征值t，并以连续m个点进行一次函数拟合y＝ax+b，采集激光加工时实际轮廓长度L＝l/n，计算实际轮廓长度变化比值β＝L/L1，其中L1为激光出光口实际轮廓长度；
[0028]e、根据步骤d函数y＝ax+b中的a值，确定激光头镜片污损时的拟合函数曲率a变化情况，给定镜片正常时a值范围(a1,a2)，进而实现保护镜片状态识别；
[0029]f、根据步骤d激光加工时轮廓长度变化比值β＝L/L本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光熔覆头加工状态实时监测系统，其特征在于，包括：激光头单元，包括激光头，采用送粉或送丝的形式进行激光熔覆加工，生成液态金属熔池；同轴监测单元，传输液态金属熔池发出的图像信号；工业相机单元，采集所述同轴监测单元所传输的熔池图像；图像在线处理单元，去除所述工业相机单元所采集熔池图像中的噪声干扰，并提取所需的关键图像特征；保护镜片状态识别单元，根据所述图像在线处理单元处理后的图像数据对激光头保护镜片的污损程度进行识别判断；以及，送粉状态识别单元，根据所述图像在线处理单元的数据对激光头送粉喷嘴状态进行识别，判断送粉状态及是否存在堵粉问题。2.如权利要求1所述激光熔覆头加工状态实时监测系统，其特征在于，所述激光头单元采用同轴或旁轴方法进行送粉或送丝加工，加工方法包括表面熔覆或直接成形。3.如权利要求2所述激光熔覆头加工状态实时监测系统，其特征在于，所述同轴监测单元包括拐臂结构、45
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分光镜、45
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反射镜和拐臂集成镜头，所述45
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分光镜位于所述激光头内，所述45
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分光镜支持正向通过激光束所在波段的光以及反向通过非激光束波段的光，所述拐臂结构用于传输光路进行同轴监测，所述45
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反射镜位于所述拐臂结构内，所述45
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反射镜反射非激光束波段光至所述激光头的出光口，所述拐臂集成镜头集成于所述拐臂结构上，将图像放大以便于所述工业相机单元采集。4.如权利要求3所述激光熔覆头加工状态实时监测系统，其特征在于，所述工业相机单元包括普通工业相机、高动态工业相机、红外工业相机。5.如权利要求3所述激光熔覆头加工状态实时监测系统，其特征在于，所述图像在线处理单元包括灰度处理模块、图像滤波降噪模块和视觉特征提取模块，所述灰度处理模块使原图像灰度直方图中的灰度分布范围至少压缩至原图像的1/2，所述图像滤波降噪模块去除激光束与粉末之间因散...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐梓珏，王洪泽，万乐，魏强龙，吴一，王浩伟，
申请(专利权)人：上海交通大学安徽淮北陶铝新材料研究院，
类型：发明
国别省市：