本發(fā)明屬于紅外檢測和金屬增材制造的過程控制領域，更具體地，涉及一種基于紅外信息的金屬增材制造過程控制裝置與方法。

背景技術：

金屬增材制造技術可以加工出一些常規(guī)金屬加工手段難以完成的產品，并且生產周期短、效率高?，F(xiàn)今金屬增材制造領域比較成熟應用于工業(yè)生產的主要是利用激光或者電子束作為熱源來對金屬粉末或金屬絲進行熔融燒結。如選擇性激光燒結(SLS)、直接激光燒結型(DMLS)和激光堆焊型(SLM)及電子束熔煉(EMB)等。此類金屬增材制造技術可快速生產出高質量、高精度的產品，且已開始應用于航空航天、汽車制造、醫(yī)療器械等工業(yè)領域。

然而，激光類增材制造和弧焊增材制造在制造過程中由于材料特性或特征參量的影響不可避免存在如孔隙、裂紋、未熔合、成型偏差等內部和外部缺陷。目前，金屬增材制造產品的質量檢驗還是屬于完工檢驗層面，即制品完成后的質量檢驗。一方面利用尺寸掃描儀對構件外部尺寸進行檢驗來發(fā)現(xiàn)外觀缺陷和尺寸偏差；另一方面利用X射線探傷儀對構件內部探傷來檢測內部缺陷。但完工檢驗具有先天的缺陷——不具有實時性。產品一旦出現(xiàn)缺陷即意味著產品的報廢或者復雜的返工，造成了巨大的成本浪費。尤其是對一些加工尺寸較大的增材制造件，前期增材制造各層之間的缺陷如未熔合、氣孔等若不及時處理會直接影響后期增材制造層間質量，甚至導致整個產品不合格。因此，工業(yè)上亟須一種能夠在金屬增材制造過程中全程監(jiān)控增材制造過程，并根據(jù)增材制造過程實時優(yōu)化參數(shù)的裝置，能實現(xiàn)對缺陷的智能預防和實時檢測，對已產生了缺陷后及時停機或進行參數(shù)調整，從源頭上保證金屬增材制造件的質量，提高生產效率。

目前，對于激光類金屬增材制造的過程監(jiān)控方法尚沒有文獻資料記載。

而對于金屬融焊過程監(jiān)控側重于熔道/熔池紅外傳感法，這是由于熔道/熔池紅外信息中包含了溫度、尺寸、形狀等與質量極其相關的參數(shù)。通過分析耦合這些參數(shù)可以對熔焊質量進行有效的判斷。

專利文獻CN104741802A公開了一種焊接質量監(jiān)測系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)包括焊槍、紅外熱像儀、圖像采集器等，所述方法為用紅外熱像儀采集激光焊接熔池紅外信息并使用計算機分析成像數(shù)據(jù)參數(shù)，實現(xiàn)對焊點質量的評估。但專利文獻CN104741802A公開的系統(tǒng)和方法主要針對于激光焊接的過程檢測，使用的采集裝置為高價的熱像儀，且該系統(tǒng)功能主要偏向于監(jiān)測，缺少了焊接參數(shù)反饋環(huán)節(jié)。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供一種基于紅外信息的金屬增材制造過程控制裝置與方法，其目的在于實現(xiàn)金屬增材制造全過程的實時質量監(jiān)測，當缺陷產生后可以及時采取措施，抑制缺陷擴展；當缺陷超過設定標準及時停止操作，便于采取措返工消除層間缺陷，防止產品報廢或完工后的返修。

為了實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供一種基于紅外信息的金屬增材制造過程控制裝置，該裝置包括：

增材制造操作單元，其一端安裝在工作臺上，另一端與焊槍或噴嘴鏈接，用于制造金屬工件；

紅外圖像信息采集單元，其安裝于所述增材制造操作單元靠近焊槍或噴嘴的一端，所述紅外圖像信息采集單元包括紅外采集設備，用于實時采集所述金屬工件的熔池及其周邊的紅外溫度場圖像；

圖像處理單元，其通過數(shù)據(jù)總線與所述紅外圖像信息采集單元連接，用于對所述紅外溫度場圖像進行處理并生成反饋指令；以及

反饋控制單元，其通過數(shù)據(jù)總線一端與所述圖像處理單元連接，另一端與所述增材制造操作單元連接，用于根據(jù)所述反饋指令控制所述增材制造操作單元，從而對參數(shù)進行調整以消除缺陷或者報警停機。

進一步地，所述紅外采集設備為紅外相機、紅外電荷耦合元件、紅外傳感器或紅外熱像儀。

進一步地，所述紅外采集設備的參數(shù)和配置可根據(jù)增材制造所選材料和熔池及周邊區(qū)域溫度場進行相應調節(jié)與更換，以滿足在不同溫度范圍、不同增材制造速度范圍內獲取更精確的紅外圖像。

進一步地，所述紅外圖像信息采集單元還包括散熱器，用于降低由于焊接弧光輻射產生的高溫，保證所述紅外圖像信息采集單元正常運作。

進一步地，所述紅外圖像信息采集單元還包括圖像采集卡，用于將采集的紅外溫度場圖像信息轉化為可視的數(shù)字信號。

進一步地，所述紅外圖像信息采集單元還包括保護殼套，用于將所述紅外采集設備、散熱器及圖像采集卡集成安裝于其中，從而保護所述紅外采集設備、散熱器及圖像采集卡不受熱源工作時飛濺的損傷，同時能夠過濾部分弧光，減少對紅外采集設備成像的干擾。

進一步地，所述圖像處理單元包括專家數(shù)據(jù)庫和處理器，用于將所述紅外溫度場圖像與標準穩(wěn)態(tài)溫度場的紅外圖像進行比對，從而將尺寸缺陷直觀地反映在所述紅外圖像的形狀上，同時用于將內部缺陷間接地表示為所述紅外溫度場的深淺顏色和分布特征，從而對所述尺寸缺陷和內部缺陷進行識別，并生成所述反饋指令。

進一步地，所述內部缺陷包括氣孔、裂紋、過熱或未熔合中的一種或多種。

按照本發(fā)明的另一個方面，提供一種應用所述基于紅外信息的金屬增材制造過程控制裝置的控制方法，該方法包括如下步驟：

S1：將基于紅外信息的金屬增材制造過程控制裝置安裝在工作臺上，調整好其位置；

S2：設置增材制造的參數(shù)，進行金屬工件的增材制造；

S3：基于紅外信息的金屬增材制造過程控制裝置開始工作，所述紅外采集設備實時采集所述金屬工件的熔池及周邊區(qū)域的紅外溫度場圖像，并同時檢測層間溫度差；

S41：所述圖像處理系統(tǒng)根據(jù)所述紅外溫度場圖像，與標準穩(wěn)態(tài)溫度場的紅外圖像進行比對，對可能出現(xiàn)的如焊瘤、未焊透、過熱等缺陷進行檢測識別，所述圖像處理系統(tǒng)識別出所述缺陷后，對缺陷的級別進行評定；

S411：若所述缺陷超過設定的標準值，則立即結束所述增材制造操作，對所述缺陷采取補救措施，待所述缺陷消除后進行下一層制造；

S412：若所述缺陷未超過設定的標準值，則通過所述反饋控制單元對增材制造操作單元的參數(shù)進行調控，對所述缺陷進行修補，從而消除所述缺陷，進行下一層制造；

S42：所述圖像處理系統(tǒng)根據(jù)所述層間溫度差，與設定標注值進行比對；

S421：若所述層間溫度差在合理的范圍內，則通過所述反饋控制單元調整增材制造單元的參數(shù)，從而實現(xiàn)后續(xù)溫度差的穩(wěn)定；

S422：若所述層間溫度差超出了合理的范圍，則結束增材制造操作，采取處理措施。

進一步地，所述紅外溫度場圖像包括金屬工件的表面形貌、成形尺寸、成形缺陷和分層間溫度差。

總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發(fā)明的裝置，能夠實現(xiàn)金屬增材制造全過程的實時質量監(jiān)測，當缺陷產生后可以及時采取措施，抑制缺陷擴展；當缺陷超過設定標準及時停止操作，便于采取措返工消除層間缺陷，防止產品報廢或完工后的返修，形成了一個完整的監(jiān)測、反饋、調節(jié)過程。

(2)本發(fā)明的裝置使得金屬增材制造中機器檢驗代替人工或傳統(tǒng)技術的檢驗成為可能，制造中的整個檢驗過程實時、可追溯。

(3)本發(fā)明的裝置的模塊集成化可以使得系統(tǒng)具有良好的移植型、適應性。進行某些配置和參數(shù)的調整，即可具有將其應用于不同的金屬增材制造設備的可能性，可廣泛應用于金屬增材制造工業(yè)生產。

(4)相比較利用傳感器獲取熔池及周邊溫度等方式，本發(fā)明的裝置利用紅外相機等紅外采集設備拍攝熔池及其周邊紅外溫度場，能夠真實、準確、直觀的反應熔池及其周邊區(qū)域的幾何形貌及溫度場分布狀況。

(5)本發(fā)明的方法采取的通過調控增材制造層間溫度差來減少金屬增材制造件內部應力的方法，科學有效。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的一種基于紅外信息的金屬增材制造過程控制裝置的示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例的一種基于紅外信息的金屬增材制造過程控制方法的邏輯流程圖。

圖1中，相同的附圖標記表示相同的元件，其中：1-紅外采集設備，2-保護殼套，3-散熱器，4-輔助電源，5-圖像采集卡、6-固定機構、7-數(shù)據(jù)總線、8-顯示器、9-圖像處理單元、10-反饋控制單元，11-噴嘴或焊槍，12-工件，13-精密工作臺。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

圖1為本發(fā)明實施例的一種基于紅外信息的金屬增材制造過程控制裝置的示意圖。如圖1所示，該系統(tǒng)包括：紅外采集設備1、保護殼套2、散熱器3、輔助電源4、圖像采集卡5、固定機構6、數(shù)據(jù)總線7、顯示器8、圖像處理單元9、反饋控制單元10、噴嘴或焊槍11、工件12和精密工作臺13。

如圖1所示，紅外采集設備1與散熱系統(tǒng)3、輔助電源4、圖像采集卡5集成安裝在保護殼套2內。紅外采集設備1用于實時采集熔池及其周邊的紅外溫度場圖像；散熱系統(tǒng)3用于降低由于弧光輻射產生的高溫，保證其他部件正常運作；輔助電源4用在特殊條件下保持相機及其他部件正常工作；圖像采集卡5用于將采集的紅外溫度場圖像信息轉化為可視的數(shù)字信號；保護殼套2用于保護相機鏡頭和其他部件不受熱源工作時飛濺的損傷，同時能夠過濾部分弧光，減少對紅外相機成像的干擾。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，所示紅外采集設備1為紅外相機、紅外電荷耦合元件、紅外熱像儀或紅外傳感器等。

如圖1所示，數(shù)據(jù)總線7將采集的紅外溫度場圖像采集卡5和圖像處理單元9連接。數(shù)據(jù)總線7用于傳輸數(shù)字信號；圖像處理單元9用于將采集的紅外溫度場圖像與標準穩(wěn)態(tài)溫度場的紅外圖像進行比對，對于成型偏差等尺寸缺陷可以直觀反映在紅外圖像的形狀上，如溫度場出現(xiàn)彎曲，不連續(xù)等現(xiàn)象；對于氣孔、裂紋、未熔合等內部缺陷可以間接由紅外溫度場的顏色深淺程度和分布特征來加以判別?；趫D像處理系統(tǒng)9對缺陷的識別，做出相應反饋指令，及時報警停機或者對參數(shù)進行調整以消除缺陷。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，所述內部缺陷包括氣孔、裂紋、過熱或未熔合中的一種或多種。

如圖1所示，圖像處理系統(tǒng)9通過數(shù)據(jù)總線7與反饋控制單元11相連接。圖像處理系統(tǒng)9分析缺陷后發(fā)出的指令；所述反饋控制單元11控制操作所述增材制造操作單元，從而對參數(shù)進行調整以消除缺陷或者報警停機。

本發(fā)明基于紅外信息的金屬增材制造過程控制裝置，實現(xiàn)了對增材制造過程進行表面形貌、成形尺寸、成形缺陷的實時監(jiān)測，分層間溫度差的實時檢測和調整，實時識別增材制造缺陷并警報，并可全程記錄增材制造工程用于產品追溯。此外，本發(fā)明的裝置可應用于各種激光類的金屬增材制造和熔池可見的熔化極和非熔化極的金屬增材制造的質量控制過程中，解決了現(xiàn)有增材制造中不能對金屬增材制造全過程進行控制的問題。

本發(fā)明一種基于紅外信息的金屬增材制造過程控制方法的一個實施例，通過上述一種基于紅外信息的金屬增材制造過程控制裝置進行。圖2為本發(fā)明實施例的一種基于紅外信息的金屬增材制造過程控制方法的邏輯流程圖。如圖2所示，該方法包括如下步驟：

(1)增材制造之前的準備工作，包括本裝置的安裝固定等。

(2)準備完畢后，設置增材制造的參數(shù)，進行增材制造。

(3)同時，基于紅外信息的金屬增材制造過程控制裝置開始工作。此時，紅外相機1實時采集熔池及周邊區(qū)域的形貌和紅外溫度場信息。

(4)監(jiān)測分為熔池及其周邊區(qū)域的檢測和層間溫度差檢測兩個并行的進程。

(41)熔池檢測進程負責判斷熔池及周邊區(qū)域溫度場分布是否正常，主要根據(jù)形貌特征分析、溫度場檢測、標準溫度場比對等方式對可能出現(xiàn)的如焊瘤、未焊透、過熱等缺陷進行檢測識別；系統(tǒng)檢測出缺陷后，系統(tǒng)會對缺陷的級別進行評定，若缺陷超標則立即結束制造過程，對缺陷采取措施，保證缺陷消除后進行下一層制造；若缺陷未超標，則會根據(jù)缺陷出現(xiàn)的原因對增材制造設備參數(shù)進行調控；

(42)層間溫度差進程負責檢測相鄰增材制造層間的溫度差是否正常。若不正常，同樣會根據(jù)標準判斷是否合理；若層間溫度差在合理的范圍類，則調整增材制造參數(shù)以達到后續(xù)溫度差的穩(wěn)定；若溫度差超出標準范圍，則結束增材制造，采取處理措施。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，所述增材制造的參數(shù)包括電流、電壓、速度、噴粉/送絲量或保護氣中的一種或多種。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，所述紅外溫度場圖像包括金屬工件的表面形貌、成形尺寸、成形缺陷以和分層間溫度差。

本發(fā)明的技術方案中，實施例中給出了效果較優(yōu)的紅外采集設備，但本發(fā)明不限于實施例中給出的紅外相機，紅外采集設備包括紅外相機、紅外電荷耦合元件、紅外傳感器或紅外熱像儀，具體的紅外采集設備根據(jù)實際情況確定。

本發(fā)明基于紅外信息的金屬增材制造過程控制方法，提出了金屬增材制造實時參數(shù)調整的控制方法，減少了增材制造產品的殘次品率以及后期加工處理的工作量，提高了生產效率。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。