權(quán)利要求書： 1.一種增材制造中紅外熱像儀發(fā)射率在線標(biāo)定方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)首先，在基體上熔覆一道熔覆層，采用同軸視覺(jué)圖像采集單元采集加工過(guò)程中的視覺(jué)圖像，采集幀率30fps；其次，激光加工過(guò)程中熔池呈現(xiàn)近橢圓形；通過(guò)gamma變換和對(duì)比度調(diào)整對(duì)采集的圖像進(jìn)行灰度處理；再次，通過(guò)高斯濾波和中值濾波對(duì)圖像進(jìn)行濾波降噪處理；最后，使用閾值分割算法提取熔池視覺(jué)圖像，根據(jù)邊界提取算法對(duì)視覺(jué)圖像內(nèi)的熔池作外接矩形，測(cè)量矩形長(zhǎng)度的像素值作為熔池長(zhǎng)度L1；

(2)采用旁軸紅外熱像儀位于激光頭及基體側(cè)面，對(duì)整個(gè)工件的加工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采集頻率30fps，得到紅外圖像；提取紅外圖像數(shù)據(jù)并建立目標(biāo)矩陣，其中，目標(biāo)矩陣的每個(gè)數(shù)值占一個(gè)像素點(diǎn)；通過(guò)目標(biāo)矩陣識(shí)別是否處于加工狀態(tài)，當(dāng)目標(biāo)矩陣中的數(shù)據(jù)存在大于材料熔點(diǎn)的值時(shí)，表示產(chǎn)生熔池，否則未產(chǎn)生熔池；產(chǎn)生熔池后，根據(jù)目標(biāo)矩陣?yán)L制溫度的二維等溫線圖，找到二維等溫線圖上數(shù)值等于工件材料熔點(diǎn)的溫度值所在的位置，提取出熔點(diǎn)所在的等溫線得到紅外圖像中的熔池輪廓，標(biāo)注出紅外圖像中該熔池長(zhǎng)度的像素值L2，并將L2投射到紅外圖像中x坐標(biāo)軸和y坐標(biāo)軸上，得到x方向的像素值Lx，y方向的像素值Ly；

(3)對(duì)步驟(1)提取的熔池視覺(jué)圖像進(jìn)行尺寸還原；由于采用同軸視覺(jué)圖像采集單元進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)標(biāo)定板標(biāo)定圖像與實(shí)際尺寸的比例，圖像像素值與實(shí)際尺寸的比例為n∶1；熔池視覺(jué)圖像的實(shí)際尺寸根據(jù)公式(1)得到；

L＝L1/n

其中，L為熔池視覺(jué)圖像的實(shí)際尺寸；

(4)通過(guò)紅外熱像儀空間尺寸轉(zhuǎn)換模塊對(duì)步驟(2)提取的紅外圖像進(jìn)行尺寸還原；根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)對(duì)尺寸進(jìn)行還原，首先得到聚焦平面的像素點(diǎn)尺寸，然后根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算像素點(diǎn)在x方向和y方向的實(shí)際尺寸，最后由像素值得到紅外圖像實(shí)際熔池長(zhǎng)度；所述的聚焦平面為旁軸紅外熱像儀的拍攝平面，到鏡頭距離為R且垂直于旁軸紅外熱像儀的拍攝方向；所述的標(biāo)定數(shù)據(jù)包括旁軸紅外熱像儀的內(nèi)部參數(shù)、拍攝距離R和拍攝角度α，其中旁軸紅外熱像儀的內(nèi)部參數(shù)包括瞬時(shí)視場(chǎng)角IFO、視場(chǎng)角FO，視場(chǎng)角FO采用垂直視場(chǎng)角；

4.1)紅外圖像中像素點(diǎn)在x方向的實(shí)際尺寸與在聚焦平面上尺寸相同，通過(guò)公式(2)得到：

Δx≈R×IFO(2)

其中，Δx為像素點(diǎn)在x方向的實(shí)際尺寸，R為旁軸紅外熱像儀的鏡頭到測(cè)量工件的實(shí)際距離，IFO為旁軸紅外熱像儀的瞬時(shí)視場(chǎng)角；

4.2)紅外圖像中像素點(diǎn)在y方向的實(shí)際尺寸通過(guò)以下方式得到：首先，通過(guò)公式(3)得到的聚焦平面上像素點(diǎn)在y方向尺寸；

Δy1≈R×IFO(3)其中，Δy1為聚焦平面上像素點(diǎn)在y方向的尺寸，R為旁軸紅外熱像儀到測(cè)量工件的實(shí)際距離，IFO為瞬時(shí)視場(chǎng)角；

其次，像素點(diǎn)在y方向的實(shí)際尺寸要根據(jù)視場(chǎng)角FO以及幾何關(guān)系計(jì)算得到；具體計(jì)算在聚焦平面和基體平面同時(shí)垂直的平面內(nèi)進(jìn)行；通過(guò)以下公式得到各個(gè)角度：γ＝?α?β+180°(5)θ＝FO+γ(6)

其中，α為旁軸紅外熱像儀拍攝方向與垂直方向的夾角，β為聚焦平面與視場(chǎng)角上限的夾角，γ為基體平面與視場(chǎng)角上限的夾角，θ為基體平面與視場(chǎng)角下限的夾角，δ為聚焦平面與視場(chǎng)角下限的夾角；FO為旁軸紅外熱像儀內(nèi)部參數(shù)視場(chǎng)角，此處采用垂直視場(chǎng)角；

最后，計(jì)算像素點(diǎn)在y方向的實(shí)際尺寸，聚焦平面與基體平面相交線上下兩部分算法不同；

所述聚焦平面上半平面的像素點(diǎn)在y方向的實(shí)際尺寸為：其中，Δy為像素點(diǎn)在y方向的實(shí)際尺寸，Δy1為聚焦平面上像素點(diǎn)在y方向的尺寸，β為聚焦平面與視場(chǎng)角上限的夾角，γ為基體平面與視場(chǎng)角上限的夾角；

所述聚焦平面下半平面的像素點(diǎn)在y方向的實(shí)際尺寸為：其中，Δy為像素點(diǎn)在y方向的實(shí)際尺寸，Δy1為聚焦平面上像素點(diǎn)在y方向的尺寸，θ為基體平面與視場(chǎng)角下限的夾角，δ為聚焦平面與視場(chǎng)角下限的夾角；

4.3)根據(jù)步驟4.1)和步驟4.2)得到的像素點(diǎn)實(shí)際尺寸，將步驟2得到的紅外圖像中熔池的尺寸進(jìn)行換算：

x＝Δx×Lx(10)

y＝Δy×Ly(11)

其中，x為x方向的實(shí)際投影長(zhǎng)度，y為y方向的實(shí)際投影長(zhǎng)度，Lx為x方向投影的像素值，Ly為y方向投影的像素值，Δx為像素點(diǎn)在x方向的實(shí)際長(zhǎng)度，Δy為像素點(diǎn)在y方向的實(shí)際長(zhǎng)度；

熔池實(shí)際尺寸為：

其中，l為紅外圖像實(shí)際熔池長(zhǎng)度；

(5)對(duì)旁軸紅外熱像儀的發(fā)射率進(jìn)行在線標(biāo)定將步驟(3)得到的視覺(jué)圖像實(shí)際熔池長(zhǎng)度L與步驟(4)紅外圖像實(shí)際熔池長(zhǎng)度l進(jìn)行比較，同時(shí)調(diào)節(jié)旁軸紅外熱像儀的發(fā)射率的數(shù)值，使二者的熔池長(zhǎng)度相等，此時(shí)的發(fā)射率即是加工過(guò)程中的實(shí)際發(fā)射率。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增材制造中紅外熱像儀發(fā)射率在線標(biāo)定方法，其特征在于，所述圖像同軸采集單元包含視覺(jué)相機(jī)、濾光片和鏡頭，鏡頭和視覺(jué)相機(jī)能夠清晰地捕獲每一個(gè)時(shí)刻的熔池圖像，濾光片用來(lái)對(duì)強(qiáng)光和干擾進(jìn)行過(guò)濾。

說(shuō)明書： 一種增材制造中紅外熱像儀發(fā)射率在線標(biāo)定方法技術(shù)領(lǐng)域[0001] 本發(fā)明屬于增材制造在線監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種增材制造中紅外熱像儀發(fā)射率在線標(biāo)定方法，同時(shí)也適用于其他可基于圖像的溫度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

背景技術(shù)[0002] 增材制造技術(shù)是一種先進(jìn)的制造技術(shù)，主要應(yīng)用于零部件直接成形、表面改性、高端零部件修復(fù)等領(lǐng)域。目前，金屬、合金和金屬基復(fù)合材料的增材制造技術(shù)面臨著質(zhì)量可靠

性差與生產(chǎn)重復(fù)性低等挑戰(zhàn)，其尺寸精度、內(nèi)部缺陷等問(wèn)題影響著該技術(shù)的普及和應(yīng)用。增

材制造是一個(gè)多物理場(chǎng)耦合的過(guò)程，其中溫度場(chǎng)是對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響的物理場(chǎng)。

[0003] 加工過(guò)程中熱源?粉末?基體相互作用使得加工零件經(jīng)歷高度非均勻溫度場(chǎng)和快速熱循環(huán)，熱場(chǎng)分析是其制造工藝路徑與工件質(zhì)量之間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有必要對(duì)增材制造溫

度場(chǎng)進(jìn)行深入分析，由于金屬增材制造溫度較高，因此常用非接觸式測(cè)量手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如

紅外熱像儀廣泛用于增材制造的溫度監(jiān)測(cè)。紅外熱像儀可對(duì)物體身上發(fā)射的紅外線輻射進(jìn)

行測(cè)量和成像。根據(jù)輻射與物體表面溫度成一函數(shù)的原理，紅外熱像儀可計(jì)算并顯示出該

溫度。但是，紅外熱像儀所測(cè)量的輻射值不僅取決于物體的溫度，還會(huì)隨發(fā)射率變化。使用

紅外熱像儀監(jiān)測(cè)溫度要正確設(shè)定的最重要的一個(gè)物體參數(shù)是發(fā)射率，簡(jiǎn)而言之，發(fā)射率是

通過(guò)與相同溫度的絕對(duì)黑體相比較，來(lái)衡量物體輻射量的一個(gè)指標(biāo)。然而周圍環(huán)境也會(huì)產(chǎn)

生輻射，并在物體中進(jìn)行反射，物體的輻射以及被反射的輻射還會(huì)受到空氣吸收作用的影

響。增材制造過(guò)程的復(fù)雜加工環(huán)境使得紅外熱像儀設(shè)置的發(fā)射率難以確定，直接使用已有

的參考數(shù)據(jù)往往會(huì)導(dǎo)致較大的誤差，采用熱電偶等接觸式測(cè)量方法又無(wú)法直接測(cè)量熔池區(qū)

域的高溫。

[0004] 因此，為了提高過(guò)程溫度監(jiān)測(cè)的精度，有必要尋找一種能夠準(zhǔn)確標(biāo)定發(fā)射率的方法。本發(fā)明基于視覺(jué)檢測(cè)進(jìn)行發(fā)射率標(biāo)定，在原有增材制造和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將視覺(jué)相

機(jī)與紅外熱像儀得到的圖像進(jìn)行融合，通過(guò)調(diào)節(jié)紅外熱像儀設(shè)置的發(fā)射率，保證視覺(jué)圖像

中的熔池長(zhǎng)度與紅外圖像熔池長(zhǎng)度相等，此時(shí)的發(fā)射率即是加工過(guò)程的實(shí)際發(fā)射率。

發(fā)明內(nèi)容[0005] 針對(duì)現(xiàn)有方法的不足，本發(fā)明提供一種增材制造過(guò)程中紅外熱像儀發(fā)射率在線標(biāo)定方法，該方法基于圖像檢測(cè)技術(shù)，具有實(shí)時(shí)性好，視覺(jué)信號(hào)處理速度快，準(zhǔn)確性好，不受加

工材料、環(huán)境的影響等優(yōu)勢(shì)，切實(shí)解決了增材制造中工件發(fā)射率隨環(huán)境變化并難以標(biāo)定的

問(wèn)題，從而有效的提高過(guò)程溫度監(jiān)測(cè)的精度，為增材制造的過(guò)程監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性、最終產(chǎn)品的

質(zhì)量提供了保障。

[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：[0007] 一種增材制造中紅外熱像儀發(fā)射率在線標(biāo)定方法，該方法在原有的增材制造及其在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加旁軸紅外熱像儀7和在線圖像處理單元。原有增材制造及其在

線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含激光器1、激光頭3、材料進(jìn)給裝置4、同軸視覺(jué)圖像采集單元5。所述的在線

圖像處理單元包括灰度處理模塊、圖像濾波降噪模塊、圖像提取模塊、紅外熱像儀空間尺寸

轉(zhuǎn)換模塊。所述的旁軸紅外熱像儀7位于激光頭3及基體側(cè)面，用于對(duì)熔池溫度場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

[0008] 步驟如下：[0009] (1)在基體上熔覆一道熔覆層，采用同軸視覺(jué)圖像采集單元5采集加工過(guò)程中的視覺(jué)圖像，采集幀率30fps。激光加工過(guò)程中熔池呈現(xiàn)近橢圓形；灰度處理模塊通過(guò)gamma變換

和對(duì)比度調(diào)整對(duì)采集的圖像進(jìn)行灰度處理；圖像濾波降噪模塊通過(guò)高斯濾波和中值濾波對(duì)

圖像進(jìn)行濾波降噪處理；圖像提取模塊使用閾值分割算法提取熔池視覺(jué)圖像，根據(jù)邊界提

取算法對(duì)視覺(jué)圖像內(nèi)的熔池作外接矩形，測(cè)量矩形長(zhǎng)度的像素值作為熔池長(zhǎng)度L1。

[0010] (2)采用旁軸紅外熱像儀7對(duì)整個(gè)工件的加工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采集頻率30fps，得到紅外圖像。提取紅外圖像數(shù)據(jù)并建立目標(biāo)矩陣，其中，目標(biāo)矩陣的每個(gè)數(shù)值占一個(gè)像素點(diǎn)。

通過(guò)目標(biāo)矩陣識(shí)別是否處于加工狀態(tài)，當(dāng)目標(biāo)矩陣中的數(shù)據(jù)存在大于材料熔點(diǎn)的值時(shí)，表

示產(chǎn)生熔池，否則未產(chǎn)生熔池。產(chǎn)生熔池后，根據(jù)目標(biāo)矩陣?yán)L制溫度的二維等溫線圖，找到

二維等溫線圖上數(shù)值等于工件材料熔點(diǎn)的溫度值所在的位置，提取出熔點(diǎn)所在的等溫線得

到紅外圖像中的熔池輪廓，標(biāo)注出紅外圖像中該熔池長(zhǎng)度的像素值L2，由于熔池長(zhǎng)度可能

并不平行、垂直于紅外圖像的x，y坐標(biāo)軸，所以將L2投射到紅外圖像中x坐標(biāo)軸和y坐標(biāo)軸

上，得到x方向的像素值Lx，y方向的像素值Ly。

[0011] (3)對(duì)步驟(1)提取的熔池視覺(jué)圖像進(jìn)行尺寸還原。由于采用同軸視覺(jué)圖像采集單元5進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以通過(guò)標(biāo)定板標(biāo)定圖像與實(shí)際尺寸的比例，圖像像素值與實(shí)際尺寸的比例

為n:1；熔池視覺(jué)圖像的實(shí)際尺寸根據(jù)公式(1)得到。

[0012] L＝L1/n[0013] 其中，L為熔池視覺(jué)圖像的實(shí)際尺寸。[0014] (4)通過(guò)紅外熱像儀空間尺寸轉(zhuǎn)換模塊對(duì)步驟(2)提取的紅外圖像進(jìn)行尺寸還原。由于采用旁軸紅外熱像儀7進(jìn)行監(jiān)測(cè)，工件尺寸在紅外熱像儀中會(huì)發(fā)生畸變，所以根據(jù)標(biāo)定

數(shù)據(jù)對(duì)尺寸進(jìn)行還原，首先得到聚焦平面的像素點(diǎn)尺寸，然后根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算像素點(diǎn)在x

方向和y方向的實(shí)際尺寸，最后由像素值得到紅外圖像實(shí)際熔池長(zhǎng)度。所述的聚焦平面為紅

外熱像儀7的拍攝平面，到鏡頭距離為R且垂直于紅外熱像儀7的拍攝方向；所述的標(biāo)定數(shù)據(jù)

包括紅外熱像儀7的內(nèi)部參數(shù)、拍攝距離R和拍攝角度α，其中紅外熱像儀7的內(nèi)部參數(shù)包括

瞬時(shí)視場(chǎng)角IFO、視場(chǎng)角FO。

[0015] 4.1)紅外圖像中像素點(diǎn)在x方向的實(shí)際尺寸與在聚焦平面上尺寸相同，通過(guò)公式(2)得到：

[0016] Δx≈R×IFO(2)[0017] 其中，Δx為像素點(diǎn)在x方向的實(shí)際尺寸，R為紅外熱像儀7的鏡頭到測(cè)量工件的實(shí)際距離，IFO為紅外熱像儀7的瞬時(shí)視場(chǎng)角。

[0018] 4.2)紅外圖像中像素點(diǎn)在y方向的實(shí)際尺寸通過(guò)以下方式得到：[0019] 首先，通過(guò)公式(3)得到的聚焦平面上像素點(diǎn)在y方向尺寸。[0020] Δy1≈R×IFO(3)[0021] 其中，Δy1為聚焦平面上像素點(diǎn)在y方向的尺寸，R為紅外熱像儀7到測(cè)量工件的實(shí)際距離，IFO為瞬時(shí)視場(chǎng)角。

[0022] 其次，由于拍攝角度的存在，像素點(diǎn)在y方向的實(shí)際尺寸要根據(jù)視場(chǎng)角(FO)以及幾何關(guān)系計(jì)算得到。具體計(jì)算在聚焦平面和基體平面同時(shí)垂直的平面內(nèi)進(jìn)行。

[0023] 首先得到各個(gè)角度，[0024][0025] γ＝?α?β+180°(5)[0026] θ＝FO+γ(6)[0027][0028] 其中，α為紅外熱像儀7拍攝方向與垂直方向的夾角，β為聚焦平面與視場(chǎng)角上限的夾角，γ為基體平面與視場(chǎng)角上限的夾角，θ為基體平面與視場(chǎng)角下限的夾角，δ為聚焦平面

與視場(chǎng)角下限的夾角。FO為紅外熱像儀7內(nèi)部參數(shù)視場(chǎng)角，此處采用垂直視場(chǎng)角。

[0029] 其次，計(jì)算像素點(diǎn)在y方向的實(shí)際尺寸，聚焦平面與基體平面相交線上下兩部分算法不同。

[0030] 聚焦平面上半平面的像素點(diǎn)在y方向的實(shí)際尺寸為[0031][0032] 其中，Δy為像素點(diǎn)在y方向的實(shí)際尺寸，Δy1為聚焦平面上像素點(diǎn)在y方向的尺寸，β為聚焦平面與視場(chǎng)角上限的夾角，γ為基體平面與視場(chǎng)角上限的夾角。

[0033] 聚焦平面下半平面的像素點(diǎn)在y方向的實(shí)際尺寸為[0034][0035] 其中，Δy為像素點(diǎn)在y方向的實(shí)際尺寸，Δy1為聚焦平面上像素點(diǎn)在y方向的尺寸，θ為基體平面與視場(chǎng)角下限的夾角，δ為聚焦平面與視場(chǎng)角下限的夾角。

[0036] 4.3)根據(jù)步驟4.1和步驟4.2得到的像素點(diǎn)實(shí)際尺寸，將步驟2得到的紅外圖像中熔池的尺寸進(jìn)行換算，

[0037] x＝Δx×Lx(10)[0038] y＝Δy×Ly(11)[0039] 其中，x為x方向的實(shí)際投影長(zhǎng)度，y為y方向的實(shí)際投影長(zhǎng)度，Lx為x方向投影的像素值，Ly為y方向投影的像素值，Δx為像素點(diǎn)在x方向的實(shí)際長(zhǎng)度，Δy為像素點(diǎn)在y方向的

實(shí)際長(zhǎng)度。

[0040] 熔池實(shí)際尺寸為：[0041] 其中，l為紅外圖像實(shí)際熔池長(zhǎng)度。[0042] (5)對(duì)紅外熱像儀7的發(fā)射率進(jìn)行在線標(biāo)定[0043] 將步驟(3)得到的視覺(jué)圖像實(shí)際熔池長(zhǎng)度L與步驟(4)紅外圖像實(shí)際熔池長(zhǎng)度l進(jìn)行比較，同時(shí)調(diào)節(jié)紅外熱像儀7的發(fā)射率的數(shù)值，使二者的熔池長(zhǎng)度相等，此時(shí)的發(fā)射率即

是加工過(guò)程中的實(shí)際發(fā)射率。上述技術(shù)方案中，所述激光器包括半導(dǎo)體激光器或Nd:YAG激

光器，激光器與激光頭的連接方式為光纖連接。

[0044] 所述材料進(jìn)給裝置為金屬粉末供給裝置。[0045] 所述位移裝置包括數(shù)控機(jī)床或機(jī)器人。[0046] 所述圖像同軸采集單元包含視覺(jué)相機(jī)、濾光片和鏡頭，鏡頭和相機(jī)可以清晰地捕獲每一個(gè)時(shí)刻的熔池圖像，濾光片用來(lái)對(duì)強(qiáng)光和干擾進(jìn)行過(guò)濾。

[0047] 本發(fā)明的有益效果：[0048] (1)本發(fā)明能夠?qū)υ霾闹圃爝^(guò)程中紅外熱像儀發(fā)射率進(jìn)行在線標(biāo)定，通過(guò)對(duì)比融合熔池的視覺(jué)圖像和紅外圖像，可以實(shí)時(shí)獲取實(shí)際發(fā)射率，處理速度快，方法穩(wěn)定可靠，受

環(huán)境影響少，能夠有效降低發(fā)射率變化對(duì)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，對(duì)于類似增材制造熔池的

高溫區(qū)域紅外發(fā)射率標(biāo)定非常適用，能夠提高溫度監(jiān)測(cè)的精確度。

[0049] (2)本發(fā)明集成化程度高，可以直接嵌入現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不需要額外的硬件設(shè)備，同時(shí)經(jīng)過(guò)圖像信息融合可以得到更多的熔池特征信息，如熔池凝固速率、冷卻速率等。

[0050] (3)本發(fā)明適用性強(qiáng)，對(duì)于不同進(jìn)給金屬材料和基體材料均適用，不受材料屬性、尺寸、表面狀態(tài)的影響。同時(shí)本發(fā)明也適用于其他同時(shí)進(jìn)行視覺(jué)監(jiān)測(cè)和紅外監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，

附圖說(shuō)明[0051] 圖1為紅外熱像儀空間尺寸標(biāo)定示意圖。(a)為x方向尺寸標(biāo)定示意圖；(b)為y方向尺寸標(biāo)定示意圖；

[0052] 圖2為激光增材制造在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。[0053] 圖3為紅外熱像儀發(fā)射率在線標(biāo)定流程示意圖。[0054] 圖4為實(shí)驗(yàn)標(biāo)定結(jié)果。(a)為視覺(jué)圖像中熔池長(zhǎng)度示意圖；(b)為紅外圖像中熔池長(zhǎng)度示意圖；

[0055] 圖中：1激光器；2位移裝置；3激光頭；4材料進(jìn)給裝置；5同軸視覺(jué)圖像采集單元；6計(jì)算機(jī)；7紅外熱像儀。

具體實(shí)施方式[0056] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清晰，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)該理解，此處所描述的具體實(shí)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(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之

間未構(gòu)成沖突就可以互相組合。

[0057] 增材制造實(shí)驗(yàn)中，溫度場(chǎng)是一個(gè)重要的物理場(chǎng)，其對(duì)加工產(chǎn)品的質(zhì)量性能有很大影響，準(zhǔn)確地提取溫度信息對(duì)于增材制造生產(chǎn)制造高質(zhì)量零部件至關(guān)重要。由于加工過(guò)程

中熔池的溫度極高，非接觸的紅外測(cè)溫法廣泛應(yīng)用于增材制造的過(guò)程溫度監(jiān)測(cè)，而發(fā)射率

的標(biāo)定往往決定監(jiān)測(cè)溫度的準(zhǔn)確性，傳統(tǒng)的熱電偶標(biāo)定法并不適用高溫的熔池，已有的參

考數(shù)據(jù)又不能精確適用于各種環(huán)境。因此，本發(fā)明充分利用現(xiàn)有的增材制造監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和先

進(jìn)技術(shù)及算法，基于視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，提出一種增材制造中熱像儀發(fā)射率在線標(biāo)定方法，該方

法在文件CN108931535A中原有的增材制造及其在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加旁軸紅外熱像

儀7和在線圖像處理單元。原有增材制造及其在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含激光器1、激光頭3、材料進(jìn)

給裝置4、同軸視覺(jué)圖像采集單元5。所述的在線圖像處理單元包括灰度處理模塊、圖像濾波

降噪模塊、圖像提取模塊、紅外熱像儀空間尺寸轉(zhuǎn)換模塊。所述的旁軸紅外熱像儀7位于激

光頭3及基體側(cè)面，用于對(duì)熔池溫度場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

[0058] 參照?qǐng)D2，本實(shí)施例硬件平臺(tái)包括：[0059] 激光器1：所述激光器1在本實(shí)施例中為半導(dǎo)體激光器；[0060] 位移裝置2：所述位移裝置2在本實(shí)施例中為六軸機(jī)器人；[0061] 激光頭3：所述激光頭3在本實(shí)施例中為激光熔覆頭；[0062] 材料進(jìn)給裝置4：所述材料進(jìn)給裝置4在本實(shí)施例中為送粉器；[0063] 同軸視覺(jué)圖像采集單元5：所述同軸視覺(jué)圖像采集單元5中的視覺(jué)圖像采集設(shè)備在本實(shí)施例中為CMOS相機(jī)；

[0064] 紅外熱像儀7：所述紅外熱像儀7在本實(shí)施例中紅外分辨率為320×240。[0065] 計(jì)算機(jī)6：所述計(jì)算機(jī)6在本實(shí)施例中包含在線圖像處理單元。[0066] 本實(shí)施例所采用的粉末與基體材料均為316L粉末，熔點(diǎn)為1375℃，粉末直徑為40～120μm。

[0067] 由圖3，實(shí)施例步驟為：[0068] (1)在基體上熔覆一道熔覆層，采用同軸視覺(jué)圖像采集單元5采集加工過(guò)程中的視覺(jué)圖像，采集幀率30fps。激光加工過(guò)程中熔池呈現(xiàn)近橢圓形；灰度處理模塊通過(guò)gamma變換

和對(duì)比度調(diào)整對(duì)采集的圖像進(jìn)行灰度處理；圖像濾波降噪模塊通過(guò)高斯濾波和中值濾波對(duì)

圖像進(jìn)行濾波降噪處理；圖像提取模塊使用閾值分割算法提取熔池視覺(jué)圖像，根據(jù)邊界提

取算法對(duì)視覺(jué)圖像內(nèi)的熔池作外接矩形，測(cè)量矩形長(zhǎng)度的像素值作為熔池長(zhǎng)度L1。

[0069] (2)采用旁軸紅外熱像儀7對(duì)整個(gè)工件的加工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采集頻率30fps，得到紅外圖像。提取紅外圖像數(shù)據(jù)并建立目標(biāo)矩陣，其中，目標(biāo)矩陣的每個(gè)數(shù)值占一個(gè)像素點(diǎn)。

通過(guò)目標(biāo)矩陣識(shí)別是否處于加工狀態(tài)，當(dāng)目標(biāo)矩陣中的數(shù)據(jù)存在大于材料熔點(diǎn)的值時(shí)，表

示產(chǎn)生熔池，否則未產(chǎn)生熔池。產(chǎn)生熔池后，根據(jù)目標(biāo)矩陣?yán)L制溫度的二維等溫線圖，找到

二維等溫線圖上數(shù)值等于工件材料熔點(diǎn)的溫度值所在的位置，提取出熔點(diǎn)所在的等溫線得

到紅外圖像中的熔池輪廓，提取出熔點(diǎn)所在的等溫線得到紅外圖像中的熔池輪廓，標(biāo)注出

紅外圖像中該熔池長(zhǎng)度的像素值L2，由于熔池長(zhǎng)度可能并不平行、垂直于紅外圖像的x，y坐

標(biāo)軸，所以將L2投射到紅外圖像中x坐標(biāo)軸和y坐標(biāo)軸上，得到x方向的像素值Lx，y方向的像

素值Ly。

[0070] (3)對(duì)步驟(1)提取的熔池視覺(jué)圖像進(jìn)行尺寸還原。由于采用同軸視覺(jué)圖像采集單元5進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以通過(guò)標(biāo)定板標(biāo)定圖像與實(shí)際尺寸的比例，圖像像素值與實(shí)際尺寸的比例

為130:1；熔池視覺(jué)圖像的實(shí)際尺寸根據(jù)公式(1)得到。

[0071] L＝L1/n[0072] 其中，L為熔池視覺(jué)圖像的實(shí)際尺寸。[0073] (4)通過(guò)紅外熱像儀空間尺寸轉(zhuǎn)換模塊對(duì)步驟(2)提取的紅外圖像進(jìn)行尺寸還原。由于采用旁軸紅外熱像儀7進(jìn)行監(jiān)測(cè)，工件尺寸在紅外熱像儀中會(huì)發(fā)生畸變，所以根據(jù)標(biāo)定

數(shù)據(jù)對(duì)尺寸進(jìn)行還原，首先得到聚焦平面的像素點(diǎn)尺寸，然后根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算像素點(diǎn)在x

方向和y方向的實(shí)際尺寸，最后由像素值得到紅外圖像實(shí)際熔池長(zhǎng)度。所述的聚焦平面為紅

外熱像儀7的拍攝平面，到鏡頭距離為R且垂直于紅外熱像儀7的拍攝方向；所述的標(biāo)定數(shù)據(jù)

包括紅外紅外熱像儀7的內(nèi)部參數(shù)、拍攝距離R和拍攝角度α，其中紅外熱像儀7的內(nèi)部參數(shù)

包括瞬時(shí)視場(chǎng)角IFO、視場(chǎng)角FO。

[0074] 4.1)紅外圖像中像素點(diǎn)在x方向的實(shí)際尺寸與在聚焦平面上尺寸相同，通過(guò)公式(1)得到：

[0075] Δx≈R×IFO(1)[0076] 其中，Δx為像素點(diǎn)在x方向的實(shí)際尺寸，R為紅外熱像儀7的鏡頭到測(cè)量工件的實(shí)際距離，實(shí)施例中R＝420mm，IFO為紅外熱像儀7的瞬時(shí)視場(chǎng)角，實(shí)施例中IFO＝1.36mrad。

[0077] 4.2)紅外圖像中像素點(diǎn)在y方向的實(shí)際尺寸通過(guò)以下方式得到：[0078] 首先，通過(guò)公式(2)得到的聚焦平面上像素點(diǎn)在y方向尺寸。[0079] Δy1≈R×IFO(2)[0080] 其中，Δy1為聚焦平面上像素點(diǎn)在y方向的尺寸，R為紅外熱像儀7到測(cè)量工件的實(shí)際距離，實(shí)施例中R＝420mm，IFO為瞬時(shí)視場(chǎng)角，實(shí)施例中IFO＝1.36mrad。

[0081] 其次，由于拍攝角度的存在，像素點(diǎn)在y方向的實(shí)際尺寸要根據(jù)視場(chǎng)角(FO)以及幾何關(guān)系計(jì)算得到，實(shí)施例中視場(chǎng)角為25°×19°，此處采用垂直視場(chǎng)角FO＝19°。具體計(jì)算

在聚焦平面和基體平面同時(shí)垂直的平面內(nèi)進(jìn)行。

[0082] 首先得到各個(gè)角度，[0083][0084] γ＝?α?β+180°(4)[0085] θ＝FO+γ(5)[0086][0087] 其中，α為紅外熱像儀7拍攝方向與垂直方向的夾角，β為聚焦平面與視場(chǎng)角上限的夾角，γ為基體平面與視場(chǎng)角上限的夾角，θ為基體平面與視場(chǎng)角下限的夾角，δ為聚焦平面

與視場(chǎng)角下限的夾角。FO為紅外熱像儀7內(nèi)部參數(shù)視場(chǎng)角，此處采用垂直視場(chǎng)角。

[0088] 其次，計(jì)算像素點(diǎn)在y方向的實(shí)際尺寸，聚焦平面與基體平面相交線上下兩部分算法不同，本實(shí)施例的紅外熱像儀7的紅外分辨率為320×240。

[0089] 聚焦平面上半平面的第1?120行像素點(diǎn)在y方向的實(shí)際尺寸為[0090][0091] 其中，Δy為像素點(diǎn)在y方向的實(shí)際尺寸，Δy1為聚焦平面上像素點(diǎn)在y方向的尺寸，β為聚焦平面與視場(chǎng)角上限的夾角，γ為基體平面與視場(chǎng)角上限的夾角。

[0092] 聚焦平面下半平面的第121?240行像素點(diǎn)在y方向的實(shí)際尺寸為[0093][0094] 其中，Δy為像素點(diǎn)在y方向的實(shí)際尺寸，Δy1為聚焦平面上像素點(diǎn)在y方向的尺寸，θ為基體平面與視場(chǎng)角下限的夾角，δ為聚焦平面與視場(chǎng)角下限的夾角。

[0095] 本實(shí)例計(jì)算基體平面像素點(diǎn)尺寸如下表所示：[0096][0097] 4.3)根據(jù)步驟4.1和步驟4.2得到的像素點(diǎn)實(shí)際尺寸，將步驟2得到的紅外圖像中熔池的尺寸進(jìn)行換算，

[0098] x＝Δx×Lx(10)[0099] y＝Δy×Ly(11)[0100] 其中，x為x方向的實(shí)際投影長(zhǎng)度，y為y方向的實(shí)際投影長(zhǎng)度，Lx為x方向投影的像素值，Ly為y方向投影的像素值，Δx為像素點(diǎn)在x方向的實(shí)際長(zhǎng)度，Δy為像素點(diǎn)在y方向的

實(shí)際長(zhǎng)度。

[0101] 熔池實(shí)際尺寸為：[0102] 其中，l為紅外圖像實(shí)際熔池長(zhǎng)度。[0103] (4)對(duì)比視覺(jué)圖像的熔池長(zhǎng)度和紅外圖像的熔池長(zhǎng)度l，并調(diào)節(jié)發(fā)射率，當(dāng)二者長(zhǎng)度相等時(shí)的發(fā)射率即是實(shí)際發(fā)射率。圖4是兩種圖像中熔池長(zhǎng)度對(duì)比示意圖，該實(shí)施例中實(shí)

際發(fā)射率確定為0.61。

[0104] 實(shí)施例獲得了增材制造加工過(guò)程中、復(fù)雜環(huán)境下的紅外熱像儀實(shí)際發(fā)射率，保證溫度監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。該實(shí)施例可適用于不同材料的基體與金屬粉末，并不僅限于該例中的

材料，對(duì)于其他可同時(shí)進(jìn)行視覺(jué)監(jiān)測(cè)和紅外監(jiān)測(cè)的加工過(guò)程同樣適用。

[0105] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)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(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在

本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。