[发明专利]一种金属增材制造熔池成形方向及宽度检测方法

权利要求书

1.一种金属增材制造熔池成形方向及宽度检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：采集激光增材制造熔池图像，对熔池图像进行分割预处理获取到熔池分割图像；

S2：对截取到的图像进行二值化处理，分别提取出熔池的高像素值区域图像和低像素值区域图像；

S3：根据高像素值区域图像，计算出熔池明亮区域中心点A；根据低像素值区域图像，计算出熔池黑暗区域中心点B；

S4：根据中心点A、B计算出熔池的方向角与方向直线；

S5：根据熔池的方向直线计算熔池的方向垂线，结合熔池分割图像，计算出熔池的宽度。

2.根据权利要求1所述的一种金属增材制造熔池成形方向及宽度检测方法，其特征在于，所述步骤S1中激光增材制造熔池图像的采集方法为：

A1：使用工业CCD相机采集激光送粉的熔池视频，相机固定在激光器上与激光器共同运动，激光从激光器的通道中反射进相机镜头中，搭配滤光片与衰减片，调节镜头焦距，使熔池成像清晰；

A2：采集不同激光功率、不同送粉速度以及不同激光器移动速度下的熔池视频，相机的参数保持固定；

A3：拍摄完成后，按视频的帧率，提取视频的每一帧图像。

3.根据权利要求1所述的一种金属增材制造熔池成形方向及宽度检测方法，其特征在于，所述步骤S1中对熔池图像进行分割预处理的方式为：将提取的图像送入基于边缘夹角附加损失函数的熔池形貌检测方法进行分割，获取到熔池的像素区域。

4.根据权利要求1所述的一种金属增材制造熔池成形方向及宽度检测方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

B1：读取熔池原始图像后，使用尺寸为5的滤波器对图像进行滤波，滤除部分噪点和飞溅的粉末；

B2：对处理完成的图像进行二值化处理，首先将像素值处在175到255之间的像素点的像素值全部修改为255，其余的像素点均改为0，这样得到高像素值的图像，即熔池的高像素值区域图像，再将像素值处在20到255之间的像素值全部改为255，其余像素点改为0，得到包含高像素值和低像素值的图像；

B3：将步骤B2得到的包含高像素值和低像素值的图像，与高像素值的图像做差，得到低像素值的图像，即熔池低像素值区域图像。

5.根据权利要求1所述的一种金属增材制造熔池成形方向及宽度检测方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

C1：使用OpenCV的轮廓检测算子对两张熔池不同区域的图像进行处理，得到高像素值区域和低像素值区域的外部轮廓；

C2：使用imutils图形处理工具包的grab_contours函数，计算出步骤C1获得的两张图像，分别计算出明亮区域和黑暗区域中心点A和B，熔池的方向即为B点指向A点。

6.根据权利要求1所述的一种金属增材制造熔池成形方向及宽度检测方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：

D1：熔池的方向角即为A减去B的反正切值，方向角的计算算法如公式(1)所示：

D_{pool_rad}＝arctan((B_y-A_y)/(B_x-A_x)) (1)

式(1)中D_{pool_rad}为熔池方向角的弧度制的值，B_y、A_y为B点和A点的纵坐标，B_x、A_x为B点和A点的横坐标；

再将计算的结果转化为角度表示，公式如式(2)所示：

式(2)中D_pool为熔池的方向角的角度制的值，其余量均与式(1)相同；

D2：根据A点和熔池的方向角计算熔池的方向直线公式，如式(3)所示：

式(3)中，x_image为方向直线上任意的横坐标，y_image为方向直线上与横坐标对应的纵坐标，方向直线用于拟合熔池区域，以计算熔池的宽度。

7.根据权利要求1所述的一种金属增材制造熔池成形方向及宽度检测方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：

E1：根据熔池的方向直线可得垂线的斜率，则熔池的垂线方程为：

式(4)中，C_x、C_y为熔池方向直线上任意一点的横纵坐标，熔池的垂线保持与方向直线垂直，并可在方向直线上平移以拟合熔池；

E2：以明亮区域中心点A为起点，分别将垂线向两侧平移，每次平移时根据熔池分割图像计算垂线上属于熔池区域的像素点个数；

当平移到熔池像素点个数为0时停止，熔池像素点个数的最大值即为熔池的宽度，属于熔池区域的像素点个数W计算公式如式(5)所示：

式(5)中，x_i、y_i为垂线上任意一点的横纵坐标，n是熔池图像的宽度，f_judge判断在熔池分割图像中此坐标区域是否属于熔池，属于则结果为1，否则为0；使用公式(5)分别以熔池分割图像的横坐标和纵坐标为基准计算属于熔池区域的像素个数，再使用勾股定理计算出熔池宽度，至此熔池的宽度计算完成。