一种基于实时三维检测的金属增材制造在线轨迹调整方法

摘要

本发明提出一种基于实时三维检测的金属增材制造在线轨迹调整方法，属于增材制造检测技术领域。本方法首先在增材制造的设备上安装实时三维检测装置并对打印轨迹进行离线规划，然后在开始制造后，通过实时三维检测装置测量过渡熔池、局部新生面和局部基材面的三维形貌信息，通过计算将其转化为当前离线规划轨迹的修正量，叠加补偿至当前离线规划轨迹，不断调整当前离线规划轨迹，直至增材制造完成。本方法基于已经成熟的实时三维检测技术，同时考虑基材面、熔池和新生面的形貌等特征，建立双闭环控制系统在线调整打印轨迹，稳定性好、精度高，可以有效提高金属增材制造成型质量。

权利要求

1.一种基于实时三维检测的金属增材制造在线轨迹调整方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)将实时三维检测装置安装在金属增材制造设备的打印头的传动装置或打印机内固定位置，使得实时三维检测装置检测范围覆盖打印头下方及周边区域，同时避开打印头本身；

2)对待制造的金属构件进行三维建模得到金属构件的三维模型，然后对该三维模型进行分层得到对应的分层结果，设置生长方向、打印参数，规划得到初始离线打印轨迹，将该初始离线打印轨迹作为当前离线规划轨迹Γplan；

3)按照当前离线规划轨迹Γplan对待制造的金属构件进行增材制造，在按照当前离线规划轨迹Γplan进行制造的过程中，打印头区域形成对应的过渡熔池PF，过渡熔池PF周围分别形成局部新生面S1及S1延迟时间τ后形成的局部基材面S2；

4)使用实时三维检测装置采集过渡熔池PF、局部新生面S1和局部基材面S2的三维形貌信息；

5)根据步骤4)采集的过渡熔池PF和局部基材面S2的三维形貌信息，建立计算第一调整量ΔΓ1的模型Model1；具体步骤如下：

5‑1)定义当前离线规划轨迹Γplan在局部基材面S2上的每个点为当前离线规划轨迹点pi，pi的邻域 由点pt构成，pt处的曲面法线为nt，则pi的邻域 的表达式如下：；

其中，||pt‑pi||代表点pt与点pi在局部基材面S2上的距离，δ为点pt与点pi在局部基材面S2上的最大距离；

根据步骤4)采集到的局部基材面S2的三维形貌信息，使用曲面处理算法，计算每个pi对应的pt与nt；

5‑2)根据步骤4)采集到的过渡区熔池PF的三维形貌信息，根据形貌提取算法，提取过渡区熔池PF的形貌参数，包括熔池中心 长轴 短轴 和倾斜角度

5‑3)根据单熔滴结构模型Msb，多熔滴覆盖模型Mmb，步骤5‑1)得到的所有pt对应的曲面法线nt，步骤5‑2)得到的熔池长轴 短轴 和倾斜角度 计算打印头的第一姿态修正量 其中 分别为打印头在x,y,z方向上的第一旋转角度修正量；

5‑4)根据单熔滴结构模型Msb，多熔滴覆盖模型Mmb，步骤5‑2)得到的所有pt和步骤5‑2)T得到的熔池中心 计算打印头的第一位移修正量Δv1＝[Δx1,Δy1,Δz1] ，其中Δx1,Δy1,Δz1分别为打印头在x,y,z方向上的第一位移修正量；

5‑5)根据步骤5‑3)得到的第一姿态修正量Δω1和步骤5‑4)得到的第一位移修正量Δv1，建立计算第一调整量ΔΓ1的模型Model1，并计算得到第一调整量ΔΓ1，其中Model1表达式为：Model1: ；

6)根据步骤4)采集的局部新生面S1的三维形貌信息，建立计算第二调整量ΔΓ2的模型Model2；具体步骤如下：

6‑1)根据步骤4)采集到的局部新生面S1的三维形貌信息，将S1作为当前局部新生面，基于马尔科夫过程，建立根据当前局部新生面估计下一时刻局部新生面的概率模型，得到下一时刻局部新生面 三维形貌信息；

6‑2)根据步骤2)得到的金属构件的三维模型和分层结果，提取得到当前打印头位置下一时刻期望局部新生面 的三维形貌信息；

6‑3)将下一时刻局部新生面 与下一时刻期望局部新生面 做比较，得到差值

6‑4)根据ΔS1、单熔滴结构模型Msb和多熔滴覆盖模型Mmb，计算打印头第二姿态修正量T和第二位移修正量Δv2＝[Δx2,Δy2,Δz2] ，其中 分别为打印头在x,y,z方向上的第二角度修正量，Δx2,Δy2,Δz2分别为打印头在x,y,z方向上的第二位移修正量；

6‑5)根据ΔS1、Δω2和Δv2建立计算第二调整量ΔΓ2的模型Model2，并计算得到第二调整量ΔΓ2，其中Model2表达式为：；

7)对第一调整量ΔΓ1和第二调整量ΔΓ2进行叠加得到轨迹总调整量ΔΓ，然后将ΔΓ补偿至当前离线规划轨迹Γplan，得到在线调整后的轨迹Γonline，具体计算方法为：；

；

其中， 表示叠加补偿运算；

8)将Γonline作为新的Γplan，然后重新返回步骤3)，进行新一轮的离线规划轨迹调整，直至待制造的金属构件整体制造完成。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中三维形貌信息为三维深度图、三维体元体积、三维多边形网格和三维点云中任一种形式。

说明书

一种基于实时三维检测的金属增材制造在线轨迹调整方法

技术领域

[0001] 本发明属于增材制造检测技术领域，特别提出一种基于实时三维检测的金属增材制造在线轨迹调整方法。

背景技术

[0002] 金属增材制造技术是以粉末或丝材为原材料，基于离散/堆积原理，使用激光、电弧或电子束为热源进行熔化/凝固，直接由数字三维模型制造金属实体三维构件的技术。相较于传统的减材制造，该技术有效克服了复杂构件制造周期长、材料利用率低等缺点，更适合航空航天、汽车、医疗器具等大型复杂构件的制造。但是，目前的增材制造技术过程中，工艺十分复杂，尤其是金属熔融工艺中，成型质量对基材面和熔池非常敏感，同时，新生面也是成型精度反馈的重要参考,需要同时考虑这些因素，对送料量、温度，尤其是打印轨迹等重要参数进行在线调整。

[0003] 然而现有研究中，技术最成熟的基于视觉成像技术的在线监测主要集中在对熔池相貌尺寸参数，即宽度和高度进行在线检测，建立反馈控制，调整打印轨迹，提高成型质量。其余形式的在线检测技术，如基于光谱、温度、声音或电信号的在线检测技术，部分技术应用研究尚处于起步阶段，另一部分技术获得的信息较少，仅能用作辅助。

发明内容

[0004] 本发明的目的是克服已有技术的不足之处，提出一种基于实时三维检测的金属增材制造在线轨迹调整方法。本方法基于已经成熟的实时三维检测技术，同时考虑基材面、熔池和新生面的形貌等特征，建立双闭环控制系统在线调整打印轨迹，稳定性好、精度高，可以有效提高金属增材制造成型质量。

[0005] 本发明提出一种基于实时三维检测的金属增材制造在线轨迹调整方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

[0006] 1)将实时三维检测装置安装在金属增材制造设备的打印头的传动装置或打印机内固定位置，使得实时三维检测装置检测范围覆盖打印头下方及周边区域，同时避开打印头本身；

[0007] 2)对待制造的金属构件进行三维建模得到金属构件的三维模型，然后对该三维模型进行分层得到对应的分层结果，设置生长方向、打印参数，规划得到初始离线打印轨迹，将该初始离线打印轨迹作为当前离线规划轨迹Γplan；

[0008] 3)按照当前离线规划轨迹Γplan对待制造的金属构件进行增材制造，在按照当前离线规划轨迹Γplan进行制造的过程中，打印头区域形成对应的过渡熔池PF，过渡熔池PF周围分别形成局部新生面S1及S1延迟时间τ后形成的局部基材面S2；

[0009] 4)使用实时三维检测装置采集过渡熔池PF、局部新生面S1和局部基材面S2的三维形貌信息；

[0010] 5)根据步骤4)采集的过渡熔池PF和局部基材面S2的三维形貌信息，建立计算第一调整量ΔΓ1的模型Model1；具体步骤如下：

[0011] 5‑1)定义当前离线规划轨迹Γplan在局部基材面S2上的每个点为当前离线规划轨迹点 pi，pi的邻域 由点pt构成，pt处的曲面法线为nt，则pi的邻域 的表达式如下：

[0012] ；

[0013] 其中，||pt‑pi||代表点pt与点pi在局部基材面S2上的距离，δ为点pt与点pi在局部基材面S2上的最大距离；

[0014] 根据步骤4)采集到的局部基材面S2的三维形貌信息，使用曲面处理算法，计算每个pi对应的pt与nt；

[0015] 5‑2)根据步骤4)采集到的过渡区熔池PF的三维形貌信息，根据形貌提取算法，提取过渡区熔池PF的形貌参数，包括熔池中心 长轴 短轴 和倾斜角度

[0016] 5‑3)根据单熔滴结构模型Msb，多熔滴覆盖模型Mmb，步骤5‑1)得到的所有pt对应的曲面法线nt，步骤5‑2)得到的熔池长轴 短轴 和倾斜角度 计算打印头的第一姿态修正量 其中 分别为打印头在x,y,z方向上的第一旋转角度修正量；

[0017] 5‑4)根据单熔滴结构模型Msb，多熔滴覆盖模型Mmb，步骤5‑2)得到的所有pt和步骤T5‑2)得到的熔池中心 计算打印头的第一位移修正量Δv1＝[Δx1,Δy1,Δz1] ，其中Δx1,Δy1,Δz1分别为打印头在x,y,z方向上的第一位移修正量；

[0018] 5‑5)根据步骤5‑3)得到的第一姿态修正量Δω1和步骤5‑4)得到的第一位移修正量Δv1，建立计算第一调整量ΔΓ1的模型Model1，并计算得到第一调整量ΔΓ1，其中Model1表达式为：

[0019] ；

[0020] 6)根据步骤4)采集的局部新生面S1的三维形貌信息，建立计算第二调整量ΔΓ2的模型Model2；具体步骤如下：

[0021] 6‑1)根据步骤4)采集到的局部新生面S1的三维形貌信息，将S1作为当前局部新生面，基于马尔科夫过程，建立根据当前局部新生面估计下一时刻局部新生面的概率模型，得到下一时刻局部新生面 三维形貌信息；

[0022] 6‑2)根据步骤2)得到的金属构件的三维模型和分层结果，提取得到当前打印头位置下一时刻期望局部新生面 的三维形貌信息；

[0023] 6‑3)将下一时刻局部新生面 与下一时刻期望局部新生面 做比较，得到差值[0024] 6‑4)根据ΔS1、单熔滴结构模型Msb和多熔滴覆盖模型Mmb，计算打印头第二姿态修T正量 和第二位移修正量Δv2＝[Δx2,Δy2,Δz2] ，其中
分别为打印头在x,y,z方向上的第二角度修正量，Δx2,Δy2,Δz2分别为打印头在x,y,z方向上的第二位移修正量；

[0025] 6‑5)根据ΔS1、Δω2和Δv2建立计算第二调整量ΔΓ2的模型Model2，并计算得到第二调整量ΔΓ2，其中Model2表达式为：

[0026] ；

[0027] 7)对第一调整量ΔΓ1和第二调整量ΔΓ2进行叠加得到轨迹总调整量ΔΓ，然后将ΔΓ补偿至当前离线规划轨迹Γplan，得到在线调整后的轨迹Γonline，具体计算方法为：

[0028] ；

[0029] ；

[0030] 其中，表示叠加补偿运算；

[0031] 8)将Γonline作为新的Γplan，然后重新返回步骤3)，进行新一轮的离线规划轨迹调整，直至待制造的金属构件整体制造完成。

[0032] 本发明的特点及有益效果在于：

[0033] 本发明提出的基于实时三维检测的金属增材制造在线轨迹调整方法，利用成熟的实时三维检测技术，同时考虑基材面、熔池和新生面的形貌等特征，建立双闭环控制系统在线调整打印轨迹，稳定性好、精度高，可以有效提高金属增材制造成型质量。

[0034] 本发明在处理实时三维检测结果时，为了避免因为成型表面的反光及部分区域的遮档而导致的稀疏或奇异等噪声问题，提高在线控制的稳定性，采用张量投票框架处理点云结果。

[0035] 本发明同时考虑新生面、熔池和基材面对增材制造的影响，采用两种模型计算在线轨迹调整量，构成双闭环控制系统，有效提高了打印轨迹的稳定性和精度。

[0036] 本发明可以用于金属增材制造中在线调整打印轨迹，可以作为生产制造过程中的辅助手段，对提升产品质量有着重要作用。

附图说明

[0037] 图1是本发明的一种基于实时三维检测的金属增材制造在线轨迹调整方法的整体流程图。

[0038] 图2是本发明实施例中实时三维检测装置和金属增材制造设备示意图。

[0039] 图3是本发明中计算第一调整量的流程图。

[0040] 图4是本发明中计算第二调整量的流程图。

[0041] 图中，1为投影仪，2为相机，3为打印头，4为操作台，5为刚性框架，6为当前离线规划轨迹Γplan，7为过渡熔池PF，8为局部新生面S1，9为局部基材面S2，10为在线调整后的轨迹Γonline。

具体实施方式

[0042] 本发明提出一种基于实时三维检测的金属增材制造在线轨迹调整方法，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明如下。以下实施例用于说明本发明，但不限于本发明的范围。

[0043] 本发明提出一种基于实时三维检测的金属增材制造在线轨迹调整方法，整体流程如图 1所示该方法包括以下步骤：

[0044] S1：安装实时三维检测装置；

[0045] 将实时三维检测装置安装在金属增材制造设备的打印头的传动装置或打印机内合理位置，确保实时三维检测装置不会干扰正常增材制造过程，且增材制造过程也不会干扰实时三维检测装置的检测，在此基础上，确保实时三维检测装置检测范围覆盖打印头下方及周边区域，同时避开打印头本身；

[0046] 本发明中，所述金属增材制造设备包括但不限于基于已有成熟技术，如激光、电子束、等离子、电弧等，或基于将来可能出现的新技术的各类增材制造设备。所述实时三维检测装置，包括但不限于基于已有成熟技术，如广度立体视觉法、被动立体视觉法、飞行时间法、离焦法和结构光投影法等采用的检测装置，或基于将来可能出现的新技术的各类实时三维检测装置。所述周边区域一般指增材制造设备打印点为中心的矩形区域，其中矩形的长边与打印轨迹平行，短边与打印轨迹垂直，这一矩形的短边长度一般为5～10cm，其余距离也可，长边长度则取决于对精度和速度的平衡，如果长边较长，轨迹调整精度较高，但打印时间会因处理数据较多而变慢，反之则打印时间缩短，但是轨迹调整精度下降，出于对两者的平衡，一般选取15～25cm，其余距离也可。

[0047] 如图2所示，在本实施例中，实时三维检测装置选用基于结构光投影法的检测装置，包括：投影仪1、相机2和计算机，其中投影仪1和相机2分别与计算机连接。金属增材制造设备选用Sciaky公司的电子束熔丝沉积设备EBAM 110系统，包括打印头3、操作台 4及工控机等，其中打印头3和操作台4分别与工控机连接。所述实时三维检测装置的计算机和金属增材制造设备的工控机进行连接，通过计算机分别对实时三维检测装置和金属增材制造设备进行控制。其中，投影仪1和相机2分别安装于打印头3两侧，使用钢材质刚性框架5将投影仪1、相机2和打印头的主轴用螺栓固定连接，检测范围为10cm宽和 20cm长的长方形区域，覆盖打印头下方及附近区域，且长方形长边与打印头3的行进轨迹平行。

[0048] S2：离线规划打印轨迹；

[0049] 对待制造的金属构件进行三维建模得到金属构件的三维模型，然后对该三维模型进行分层得到对应的分层结果，设置生长方向、打印参数，规划得到初始离线打印轨迹，将该初始离线打印轨迹作为当前离线规划轨迹Γplan；

[0050] 在本实施例中，三维建模软件为Solidworks，分层、规划等操作由内置于EBAM 110 系统工控机内的软件执行。当前离线规划轨迹Γplan6如图2中所示，使用虚线描述，箭头指向行进方向。

[0051] S3：按照当前离线规划轨迹Γplan对待制造的金属构件进行增材制造，在按照当前离线规划轨迹Γplan进行制造的过程中，打印头区域形成对应的过渡熔池PF，过渡熔池PF周围分别形成局部新生面S1及S1延迟时间τ后形成的局部基材面S2；

[0052] 如图2中所示，在本实施例中，打印头3按照当前离线规划轨迹Γplan 6行进并执行对应制造流程，在操作台4上形成过渡熔池7(如图2中3下面的圆圈部分所示)、局部新生面5(如图2中的菱形网格部分所示)和局部基材面6(如图2中的正方形网格部分所示)。

[0053] S4：使用实时三维检测装置采集过渡熔池PF、局部新生面S1和局部基材面S2的三维形貌信息；

[0054] 本发明中，三维形貌信息指代能够表征对象在三维空间中信息的一切表述形式，包括但不限于三维深度图、三维体元体积、三维多边形网格和三维点云。

[0055] 本实施例使用结构光四步相移法和三维点云对过渡熔池PF、局部新生面S1和局部基材面S2进行测量和表述，由投影仪1向检测范围投射不同编码图案，相机2采集编码图案后进行处理，得到包含过渡熔池PF7、局部新生面S18和局部基材面S29在内的长方形区域内的三维点云，根据高度和法线方向进一步处理分割点云，得到过渡熔池PF7、局部新生面S18和局部基材面S29独立的三维点云。

[0056] S5：根据S4采集的过渡熔池PF和局部基材面S2的三维形貌信息，建立计算第一调整量ΔΓ1的模型Model1；

[0057] 其中，该步骤整体流程如图3所示，具体步骤如下：

[0058] S51:定义当前离线规划轨迹Γplan在局部基材面S2上的每个点为当前离线规划轨迹点 pi，pi的邻域 由点pt构成，，pt处的曲面法线为nt，则pi的邻域Api的定义为：

[0059] ；

[0060] 其中，||pt‑pi||代表点pt与点pi在局部基材面S2上的距离，δ为设定的点pt与点pi在局部基材面S2上的最大距离，这一最大距离应当小于pt与局部基材面S2边界的最大距离；

[0061] 根据步骤S4采集到的局部基材面S2的三维形貌信息，使用曲面处理算法，根据指定的δ，计算每个pi对应的pt与nt，其中pt与nt为一一对应的关系，且对于重复的pt仅计算一次；S52：根据步骤S4采集到的过渡区熔池PF的三维形貌信息，根据形貌提取算法，提取过渡区熔池PF的形貌参数，包括熔池中心 长轴 短轴 和倾斜角度

[0062] S53：根据单熔滴结构模型Msb，多熔滴覆盖模型Mmb，步骤S51得到的所有pt对应的曲面法线nt，步骤S52得到的熔池长轴 短轴 和倾斜角度 计算打印头的第一姿态修正量 其中 分别为打印头在x,y,z方向上的第一旋转角度修正量；

[0063] S54：根据单熔滴结构模型Msb，多熔滴覆盖模型Mmb，步骤S52得到的所有pt和步骤TS52得到的熔池中心 计算打印头的第一位移修正量Δv1＝[Δx1,Δy1,Δz1] ，其中Δx1,Δy1,Δz1分别为打印头在x,y,z方向上的第一位移修正量。

[0064] S55：根据步骤S53得到的第一姿态修正量Δω1和步骤S54得到的第一位移修正量Δv1建立计算第一调整量ΔΓ1的模型Model1，并计算得到第一调整量ΔΓ1，其中Model1为：

[0065] ；

[0066] 本发明中，曲面处理算法和形貌提取算法指代可以达成提取信息这一目标的算法，这类算法均受前述三维信息表达形式影响，如采取三维深度图表达形貌信息时，可以采用阴影恢复法和立体匹配法，采用三维点云表达形貌信息时可以采用OPA算法，神经网络法等。

[0067] 在本实施例中，定义δ＝0.01m，并使用张量投票框架法配合张量空间曲面法线估计法处理局部基材面S26的点云空间，计算点pt及其曲面法线nt。然后由过渡熔池PF的三维点云，使用轮廓交互绘制算法，计算求取熔池中心 长轴 短轴 和倾斜角度 分别结合nt和pt，依据单熔滴结构模型Msb和多熔滴覆盖模型Mmb计算第一姿态修正量T和第一位移修正量Δv1＝[Δx1,Δy1,Δz1]。最后根据第一姿态修
正量和第一位移修正量根据Model1计算得到第一调整量ΔΓ1。

[0068] S6：根据S4采集的局部新生面S1的三维形貌信息，建立计算第二调整量ΔΓ2的模型 Model2。

[0069] 其中，该步骤整体流程如图4所示，具体步骤如下：

[0070] S61：根据步骤S4采集到的局部新生面S1的三维形貌信息，将S1作为当前局部新生面，基于马尔科夫过程，建立根据当前局部新生面估计下一时刻局部新生面的概率模型，得到下一时刻局部新生面 三维形貌信息；

[0071] S62:根据步骤S2得到的金属构件的三维模型和分层结果，提取得到当前打印头位置下一时刻的期望局部新生面 的三维形貌信息；

[0072] S63：将下一时刻局部新生面 与下一时刻期望局部新生面 做比较，得到差值[0073] S64：根据ΔS1、单熔滴结构模型Msb和多熔滴覆盖模型Mmb，计算打印头第二姿态修T正量 和第二位移修正量Δv2＝[Δx2,Δy2,Δz2] ，其中
分别为打印头在x,y,z方向上的第二角度修正量，Δx2,Δy2,Δz2分别为打印头在x,y,z方向上的第二位移修正量；

[0074] S65：根据ΔS1、Δω2和Δv2建立计算第二调整量ΔΓ2的模型Model2，并计算得到第二调整量ΔΓ2，其中Model2为：

[0075] ；

[0076] 在本实施例中，首先利用马尔科夫过程，根据局部新生面S1的三维点云估计下一时刻局部新生面 的三维点云，并与局部新生面的期望 的三维点云做比较，得到差值点云 依据单熔滴结构模型Msb和多熔滴覆盖模型Mmb，结合ΔS1计算第二姿态修正T量 和第二位移修正量Δv2＝[Δx2,Δy2,Δz2] 。最后根据第二姿态
修正量和第二位移修正量根据Model2计算得到第二调整量ΔΓ2。

[0077] S7：对第一调整量ΔΓ1和第二调整量ΔΓ2进行叠加得到轨迹总调整量ΔΓ，然后将ΔΓ补偿至当前离线规划轨迹Γplan，得到在线调整后的轨迹Γonline，具体计算方法为：

[0078] ；

[0079] ；

[0080] 其中， 表示叠加补偿运算。

[0081] 本实施例中，首先将步骤S5得到的第一调整量ΔΓ1叠加补偿至步骤S6得到的第二调整量ΔΓ2得到轨迹总调整量ΔΓ，然后将轨迹总调整量ΔΓ叠加补偿至离线轨迹Γplan6(用虚线表示，箭头表示打印行进方向)，得到在线调整后的轨迹Γonline10(用点划线表示，箭头表示打印行进方向)，这是一条与离线轨迹Γplan6不同的打印轨迹。

[0082] S8：将Γonline作为新的Γplan，然后重新返回步骤S3，进行新一轮的离线规划轨迹调整，直至待制造的金属构件整体制造完成。