【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及丝材电弧增材制造，特别是电弧增材多层熔道形貌在线三维检测装置及方法。
技术介绍
1、丝材电弧增材制造(wirearcadditive manufacturing，waam)技术是一种以电弧为热源加热熔化金属丝，按照规划的路径层层堆积成形的增材制造技术。相对于其他增材制造技术，waam具有设备成本低、成形效率高、材料利用率高、自由度高、成型件尺寸局限小等优点，因此被广泛应用于航空航天和船舶建造等领域中的大型复杂金属构件的快速成形制造。
2、然而，通过丝材电弧增材制造的成形件尺寸精度相对较低，增材成形的构件在冷却至室温后通常需要配合减材工艺进行后续加工，增加了整个制造流程的生产周期、降低了生产的效率[1]。提高增材制造过程的稳定性以及成形构件的精度，是现阶段电弧增材制造构件所面临的主要难题。而电弧增材制造过程中成形控制是保证丝材电弧增材制造过程稳定性以及大尺寸成形构件质量的关键。电弧增材制造过程的精确控形依赖于对增材制造过程沉积层成形机理的深入理解和对增材制造加工状态的实时感知。通过图像视觉三维测量技术对增加制造过程金属沉积层三维形貌进行在线测量，可以帮助获取增材制造金属构件成形状态信息、提高电弧增材制造过程的稳定性、改善电弧增材构件的成形精度。
3、因此，现有文献通过引入视觉传感技术，实现对电弧增材过程的监测。xiong等人[2]提出了基于激光视觉传感器的waam沉积零件表面粗糙度定量计算方法，为不同工艺参数下的表面粗糙度优化提供了依据。郭吉昌等人[3]利用组合激光单目结构光传感器实现了焊接坡
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种电弧增材多层熔道形貌在线三维检测装置及方法，通过搭建单目线激光电弧增材过程熔道形貌在线三维检测装置，采集电弧增材多层熔道形貌数据，结合点云配准算法，实现电弧增材过程多层熔道形貌数据的在线提取。
2、为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：电弧增材多层熔道形貌在线三维检测装置，包括，电弧增材装置以及熔道形貌在线三维检测装置；电弧增材装置包括送丝装置、焊枪以及焊枪固定装置；熔道形貌在线三维检测装置包括线激光器导轨、线激光器、相机导轨、相机、镜头以及滤光镜。
3、在一较佳的实施例中，焊枪安装在焊枪固定装置上，随着焊枪固定装置的移动而移动；送丝装置固定在焊枪上；线激光器与相机分别通过线激光器导轨与相机导轨固定在焊枪固定装置上；镜头连接在相机上，并将滤光镜安装在镜头上。
4、在一较佳的实施例中，所述的线激光器为波长660nm、功率14w的高功率线激光器。
5、本专利技术还提供了电弧增材多层熔道形貌在线三维检测方法，采用了所述的电弧增材多层熔道形貌在线三维检测装置，包括以下步骤：
6、s1：调整相机、线激光器的角度和位置，进行相机与激光的空间标定；
7、s2：启动电弧增材装置按照设定的工艺参数、增材运动轨迹开始增材，并启动熔道形貌在线三维检测装置对熔道形貌数据进行在线采集；
8、s3：在线采集并处理电弧增材成形单熔道的点云数据；
9、s4：对电弧增材不同层熔道点云数据进行拼接和曲面重建；
10、s5：获得多熔道拼接后的电弧增材成形件三维形貌曲面特征。
11、在一较佳的实施例中，步骤s1中，熔道形貌在线三维检测装置包括线线激光器、相机和计算机；其中，调整线激光器的角度，使得激光线位于熔道成形位置2-3cm处；调整相机的角度与焦距，使相机成像界面呈现清晰激光条纹；调整好相机与激光位置后，进行相机标定与激光平面标定；相机标定采用棋盘格标定法，拍摄20-30张棋盘格图片以及带激光条纹的图像，完成对相机内外参数以及激光平面的空间方程的计算，即完成相机标定。
12、在一较佳的实施例中，步骤s2中，设定好增材所需工艺参数以及增材运动轨迹后，熔道形貌在线三维检测装置沿着电弧增材前进方向行走，线激光投射到熔道表面发生变形，由相机采集被调制的激光条纹图像。
13、在一较佳的实施例中，所述步骤3具体包括：
14、s3-1：激光条纹图像预处理；
15、s3-2：提取激光条纹中心线；
16、s3-3：将激光条纹特征转换并拼接为单层熔道形貌点云数据；
17、s3-4：此层增材结束，准备下一层增材和熔道形貌点云数据的采集和处理。
18、在一较佳的实施例中，步骤s3-2中，由于铝合金表面反光特性，激光条纹边缘会变得无规律形，通过使用灰度重心法来提取及光条纹中心线，灰度重心法公式如下：
19、
20、其中，i(u,v)代表图像中坐标(u,v)处的像素灰度值。
21、在一较佳的实施例中，所述步骤4具体包括：
22、s4-1：计算单层熔道点云法向量特征，并分割出单层熔道点云平面；
23、s4-2：将分割出的单层熔道点云平面转换到基平面；
24、s4-3：对处于同一基平面的不同层熔道点云进行精配准；
25、s4-4：对拼接后的多层熔道点云进行隐蔽点消除；
26、s4-5：对消除隐蔽点后的多层熔道点云进行曲面重建、补洞。
27、在一较佳的实施例中，步骤s4-3中，以粗配准获得的结果为初值，通过迭代计算目标点云与待配准点云之间的最小距离，来求得目标点云与待配准点云之间的变换矩阵；对于两层点云p、q，计算旋转矩阵r与平移矩阵t，是目标函数e最小，目标函数如下：
28、
29、其中q∈q，p∈p。
30、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
31、(1)本专利技术方案根据工作环境与图像处理速率要求，采用660nm高功率的激光器配合高动态相机与窄带滤光镜有效地抑制了增材过程中强弧光的干扰，通过灰度重心法提取激光条纹中心线，避免了增材过程熔道反光特性对激光图案特征提取的干扰，有效地实现了电弧增材过程熔道表面形貌特征的采集与点云数据的获取。
32、(2)本专利技术方案利用电弧增材过程三维点云数据只有一个平面的特点，通过分割单层熔道点云平面，将分割出的平面与基平面进行配准来完成点云之间的粗配准，并通过计算目标点云与待配准点云之间最小距离的方式来完成不同层熔道点云的精配准，实现了不同本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.电弧增材多层熔道形貌在线三维检测装置，其特征在于包括，电弧增材装置以及熔道形貌在线三维检测装置；电弧增材装置包括送丝装置、焊枪以及焊枪固定装置；熔道形貌在线三维检测装置包括线激光器导轨、线激光器、相机导轨、相机、镜头以及滤光镜。
2.根据权利要求1所述的电弧增材多层熔道形貌在线三维检测装置，其特征在于，焊枪安装在焊枪固定装置上，随着焊枪固定装置的移动而移动；送丝装置固定在焊枪上；线激光器与相机分别通过线激光器导轨与相机导轨固定在焊枪固定装置上；镜头连接在相机上，并将滤光镜安装在镜头上。
3.根据权利要求1所述的电弧增材多层熔道形貌在线三维检测装置，其特征在于，所述的线激光器为波长660nm、功率14W的高功率线激光器。
4.电弧增材多层熔道形貌在线三维检测方法，其特征在于采用了上述权利要求1-3中任意一项所述的电弧增材多层熔道形貌在线三维检测装置，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的电弧增材多层熔道形貌在线三维检测方法，其特征在于，步骤S1中，熔道形貌在线三维检测装置包括线线激光器、相机和计算机；其中，调整线激光器的角度，使
6.根据权利要求4所述的电弧增材多层熔道形貌在线三维检测方法，其特征在于，步骤S2中，设定好增材所需工艺参数以及增材运动轨迹后，熔道形貌在线三维检测装置沿着电弧增材前进方向行走，线激光投射到熔道表面发生变形，由相机采集被调制的激光条纹图像。
7.根据权利要求4所述的电弧增材多层熔道形貌在线三维检测方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
8.根据权利要求7所述的电弧增材多层熔道形貌在线三维检测方法，其特征在于，步骤S3-2中，由于铝合金表面反光特性，激光条纹边缘会变得无规律形，通过使用灰度重心法来提取及光条纹中心线，灰度重心法公式如下：
9.根据权利要求4所述的电弧增材多层熔道形貌在线三维检测方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：
10.根据权利要求9所述的电弧增材多层熔道形貌在线三维检测方法，其特征在于，步骤S4-3中，以粗配准获得的结果为初值，通过迭代计算目标点云与待配准点云之间的最小距离，来求得目标点云与待配准点云之间的变换矩阵；对于两层点云P、Q，计算旋转矩阵R与平移矩阵T，是目标函数E最小，目标函数如下：
...【技术特征摘要】
1.电弧增材多层熔道形貌在线三维检测装置，其特征在于包括，电弧增材装置以及熔道形貌在线三维检测装置；电弧增材装置包括送丝装置、焊枪以及焊枪固定装置；熔道形貌在线三维检测装置包括线激光器导轨、线激光器、相机导轨、相机、镜头以及滤光镜。
2.根据权利要求1所述的电弧增材多层熔道形貌在线三维检测装置，其特征在于，焊枪安装在焊枪固定装置上，随着焊枪固定装置的移动而移动；送丝装置固定在焊枪上；线激光器与相机分别通过线激光器导轨与相机导轨固定在焊枪固定装置上；镜头连接在相机上，并将滤光镜安装在镜头上。
3.根据权利要求1所述的电弧增材多层熔道形貌在线三维检测装置，其特征在于，所述的线激光器为波长660nm、功率14w的高功率线激光器。
4.电弧增材多层熔道形貌在线三维检测方法，其特征在于采用了上述权利要求1-3中任意一项所述的电弧增材多层熔道形貌在线三维检测装置，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的电弧增材多层熔道形貌在线三维检测方法，其特征在于，步骤s1中，熔道形貌在线三维检测装置包括线线激光器、相机和计算机；其中，调整线激光器的角度，使得激光线位于熔道成形位置2-3cm处；调整相机的角度与焦距，使相机成像界面呈现清晰激光条纹；调整好相机与激光位置后，进行相机标定与激光平面...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄晔，梁启，向红亮，曾祺睿，吴欣蔚，李梓俊，陈鑫，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：
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