[发明专利]金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器及检测方法

说明书

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器及检测方法。

背景技术

金属增材制造是一种以激光、电弧或电子束为热源，根据金属构件的三维模型，逐层熔化金属材料的方式制造三维实体金属构件的技术。与传统的减法制造不同，金属增材制造技术有效克服了复杂金属构件制造周期长、材料利用率低等缺点。同时，在成形钛、镍合金等昂贵金属材料时，具有显著的低成本优势。因此，目前该技术得到了广泛的研究和应用。

金属增材制造是单热源多层成形过程，存在众多扰动因素，如：成形层层间温度、层间停留时间、基板材质与散热条件、保护气体流量等都将影响金属增材制造熔池成形的稳定性。由于熔池成形的稳定性与成形尺寸直接决定凝固后成形层的质量。当前熔池成形的稳定性还将直接影响后续成形层的质量。因此，有必要对金属增材制造熔池进行实时检测以评估成形层质量。

众所周知，视觉传感技术有着直观、信息量丰富等诸多优点。然而，在现有的研究技术与文献中，对金属增材制造熔池的检测主要基于单目视觉检测，该方法仅能获得金属增材制造熔池在宽度或高度上的二维平面信息，无法获取成形熔池的三维形貌信息；另一方面，由于扰动因素的干扰，金属增材制造过程堆积层的高度与工作台下降的设定高度难以保持一致，在熔池宽度检测时，将导致单目视觉传感器到当前成形层表面距离发生变化，检测过程失效。因此，有必要探索一种基于三维视觉的金属增材制造熔池形貌传感装置与检测方法，从而可以检测熔池多角度的信息，且不受传感器到成形层表面距离的影响，进一步为后续金属增材制造熔池尺寸控制提供技术支撑。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于解决金属增材制造熔池检测难题，提供一种金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器及检测方法。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器，包括由顶板、底板、前侧板、后侧板、左侧板围成的传感器外壳，顶板上设有摄像机通孔槽，摄像机和顶板之间设有垫块，所述摄像机和垫块通过螺栓连接在顶板的摄像机通孔槽中，摄像机前方通过螺纹连接光学镜头，所述光学镜头前方通过螺纹连接圆形套筒，复合滤光系统安装在圆形套筒内部，用于过滤金属增材制造热源辐射的杂光，所述复合滤光系统包括滤光片、减光片以及透光玻璃片，与左侧板相对的一侧设有光学三棱镜带槽固定板，光学三棱镜带槽固定板上设有三角形槽，三角形槽内安装光学三棱镜，光学三棱镜的顶角棱正对金属增材制造熔池平面，光学三棱镜的底面与摄像机光轴垂直相交，光学三棱镜的顶角棱与摄像机光轴垂直相交于顶角棱的中点，光学三棱镜的上侧面与顶板的上表面平行，金属增材制造熔池反射光线透过光学三棱镜时，分别经光学三棱镜第一侧面、底面的折射，以及第二侧面、底面的折射，形成两束相交光线，由此构造出关于摄像机光轴对称的上下虚拟摄像机，使得摄像机获得上下金属增材制造熔池图像；

所述光学三棱镜带槽固定板顶面通过螺栓和顶板连接，顶板上设有使光学三棱镜带槽固定板横向滑动的光学三棱镜通孔槽；光学三棱镜带槽固定板靠近摄像机的一侧设有光学三棱镜穿孔固定板，所述光学三棱镜穿孔固定板将光学三棱镜压在所述光学三棱镜通孔槽中。

作为优选方式，光学三棱镜的边角α为6-10°。如果光学三棱镜边角过小，则光学三棱镜加工精度差；如果光学三棱镜边角过大，则上下图像遮挡区域过大。

作为优选方式，光学镜头的焦点与光学三棱镜底面的距离为40-60mm。如果光学镜头焦点与光学三棱镜底面间隔距离过小，则上下图像出现重叠；光学镜头焦点与光学三棱镜底面间隔距离过小，则上下图像超出摄像机成像平面。

作为优选方式，光学镜头的焦点与金属增材制造熔池表面沿摄像机光轴方向距离为150-300mm。光学镜头焦点与金属增材制造熔池表面沿摄像机光轴方向距离过小，则金属增材制造高温辐射将影响摄像机正常工作；光学镜头焦点与金属增材制造熔池表面沿摄像机光轴方向距离过大，则金属增材制造熔池图像放大倍数过小。

作为优选方式，摄像机光轴与金属增材制造熔池平面的夹角为45°-85°。摄像机光轴与金属增材制造熔池平面夹角过大，则获取的液态熔池信息过少；摄像机光轴与金属增材制造熔池平面夹角过小，则金属增材制造热源散发出的强光对熔池影响过大。

为实现上述发明目的，本发明还供一种金属增材制造熔池形貌三维视觉传感器的检测方法，包括如下步骤：