基于圖像反饋的涂覆成形形貌控制方法研究

任傳奇，魏正英，王 鑫，杜 軍

（西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049）

1 引言

3D打印技術(shù)，又稱快速成形技術(shù)或者增材制造技術(shù)，能夠不受零件形狀復(fù)雜度的限制，直接成形三維實(shí)體零件，有著其他傳統(tǒng)工藝不可比擬的優(yōu)勢(shì)[1]。金屬熔融涂覆增材制造（MetalFusedcoating Additive Manufacturing，MFCAM）是一種高效率、低能耗的金屬3D打印技術(shù)。金屬熔融涂覆增材制造過(guò)程監(jiān)測(cè)與電弧焊增材制造過(guò)程檢測(cè)具有極其類似的工況。文獻(xiàn)[2]通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工件溫度控制熔化極氣體保護(hù)電弧增材制造堆積成形，該方法減小了熱量積累，但降低了成形效率而且控制過(guò)程相對(duì)波動(dòng)。文獻(xiàn)[3-5]通過(guò)CCD視覺(jué)傳感對(duì)焊接弧長(zhǎng)進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)控制不同熔敷層的熱輸入，使層間結(jié)合更加緊密。文獻(xiàn)[6]采用CCD對(duì)金屬直接成形過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，設(shè)計(jì)了模糊PID控制器，通過(guò)捕獲熔池圖像信息調(diào)整模糊增益控制器，使堆焊樣件獲得較好加工精度。文獻(xiàn)[7-8]設(shè)計(jì)了一套CCD直接觀測(cè)熔池和結(jié)構(gòu)光檢測(cè)成形高度的系統(tǒng)，建立了調(diào)節(jié)送絲速度控制熔敷寬度和控制激光功率確保熔敷高度穩(wěn)定性的雙輸入雙輸出閉環(huán)控制系統(tǒng)。目前針對(duì)金屬熔融涂覆工藝在線監(jiān)控鮮見(jiàn)報(bào)道，提出一種基于圖像反饋寬度控制方法，成功搭建金屬熔融涂覆監(jiān)控系統(tǒng)，開(kāi)展有效驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，論文最后給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論。

2 成形原理

涂覆成形系統(tǒng)，實(shí)際打印工況下，利用感應(yīng)加熱對(duì)金屬原材料進(jìn)行加熱使其熔化，施加一定氣壓的惰性氣體使熔融金屬液體經(jīng)噴頭流出，按照設(shè)定工藝參數(shù)控制，熔融金屬液體流經(jīng)被預(yù)熱基板逐層凝固堆積，成形出復(fù)雜的幾何形狀，如圖1（a）所示。在微正壓作用下，熔體在熱毛細(xì)效應(yīng)下從噴嘴流出鋪展；高溫熔體遇冷開(kāi)始凝固，凝固組織與基板保持同步移動(dòng)，而凝固相界面對(duì)鄰近凝固相界面處熔體產(chǎn)生剪應(yīng)力，從而形成薄的金屬熔體鋪展層，通過(guò)控制基板的移動(dòng)改變成形位置進(jìn)而實(shí)現(xiàn)金屬材料的累加成形，其成形原理，如圖1（b）所示。

圖1 涂覆成形系統(tǒng)和涂覆成形原理Fig.1 Coating Forming System and Coating Molding Schematic

3 存在問(wèn)題和解決方案

樣件原材料為錫63%、鉛37%配比的錫鉛合金條塊料，按表1工藝參數(shù)成形單層單道樣件，如圖2（a）所示。通過(guò)直接觀察，發(fā)現(xiàn)正常成形情況下部分單層單道合金樣件存在寬度不一致情況，中間段寬度波動(dòng)較小，起停段道寬波動(dòng)較大。針對(duì)上述現(xiàn)象，距離單層單道樣件打印起點(diǎn)5mm處建立首個(gè)采樣點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)成形樣件的模型長(zhǎng)度L＞100mm。為保證有效反映樣件寬度變化，對(duì)單層單道樣件采用前后分段采樣法，建立如下圖所示的采樣點(diǎn)，圖2（b）中L表示單層單道樣件總長(zhǎng)度，ΔL（不同樣件的ΔL為不同值）代表采樣分段間距，（1-20）數(shù)字代表采樣點(diǎn)，圖 2（b）中長(zhǎng)度關(guān)系滿足 L=（ΔL+20*5）mm。按照?qǐng)D2（b）采樣模型，利用游標(biāo)卡尺對(duì)采樣點(diǎn)處寬度進(jìn)行測(cè)量，繪制6組不同單道樣件的道寬變化統(tǒng)計(jì)曲線，如圖2（c）所示。圖例中A、B、C、D、E及F分別代表不同單層樣件，橫坐標(biāo)表示實(shí)際采樣點(diǎn)位置，縱坐標(biāo)表示單層單道樣件寬度。成形工藝參數(shù)，如表1所示。

為量化單道合金樣件道寬度變化，對(duì)上述6組不同樣件的道寬進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得道寬統(tǒng)計(jì)信息（最大道寬、最小道寬、道寬均值及道寬標(biāo)準(zhǔn)差），如表2所示。標(biāo)準(zhǔn)差即方差的算術(shù)平方根，在統(tǒng)計(jì)學(xué)中用來(lái)反映數(shù)據(jù)集的集中狀態(tài)。表2中B和C樣件的標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.30929和1.23926，反映在圖2（c）呈現(xiàn)出道寬的大幅度波動(dòng)；表2中E和F樣件的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.41369和0.36477，反映在圖2（c），呈現(xiàn)出道寬波動(dòng)幅度較小。分析發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)差能夠較好反映道寬變化。用標(biāo)準(zhǔn)差度量樣件道寬的一致性。影響樣件道寬存在諸多因素，如原料本身物理特性，系統(tǒng)壓力和基板速度等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)在這些因素中，基板速度對(duì)樣件道寬影響較大且響應(yīng)迅速。如果能夠?qū)υ诖蛴蛹缹掃M(jìn)行判斷并據(jù)此自動(dòng)調(diào)整基板速度，即可在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)單道樣件的道寬控制，進(jìn)而改善單道樣件形貌，使得樣件道寬均勻復(fù)合期望。為驗(yàn)證這一思路，在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加CCD（MindVision U300（1024*768）30幀/秒 USB2.0接口）進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像采集，根據(jù)圖像處理反饋信息控制基板速度，實(shí)時(shí)調(diào)整成形道寬。

表 1成形工藝參數(shù)Tab.1 Parameters of Forming Process

圖2 單層單道樣件寬度變化和寬度統(tǒng)計(jì)采樣位置分布和 6組不同樣件道寬統(tǒng)計(jì)曲線Fig.2 Width Changes of Single-Layer Single-Pass Sample and Position Distribution of Width Sampling and Statistical Curves of 6 Different Samples in Track Width

表 2單層單道樣件道寬信息統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of Width Information of Single-Layer Single-Pass Samples

4 圖像捕獲裝置及速度控制

工業(yè)相機(jī)CCD被固定在距基板上邊緣160mm處，相機(jī)中軸線與基板上表面夾角為25°，如圖3（a）所示。相機(jī)固定后位置保持不變。圖像采集之前需對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，即通過(guò)一定數(shù)量不同空間位置圖片對(duì)相機(jī)內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行求解。在實(shí)際應(yīng)用中若調(diào)整相機(jī)位置，則需重新標(biāo)定CCD。標(biāo)定在Halcon軟件平臺(tái)下進(jìn)行，采用自制標(biāo)定板（照片紙打?。鐖D3（b）所示。其特征為：標(biāo)志點(diǎn)行列數(shù)（7*7）；標(biāo)志點(diǎn)中心距3mm；標(biāo)志點(diǎn)直徑1.5mm；黑色邊框線寬0.75mm。標(biāo)定過(guò)程使用傳統(tǒng)標(biāo)定方式，采用Polynomial模型校正，標(biāo)定采集圖片為20張。

圖3 相機(jī)－基板相對(duì)位置和相機(jī)標(biāo)定流程圖及標(biāo)定圖片F(xiàn)ig.3 Relative Position between CCD and Substrate and the Flowchart of Camera Calibration and the Images for Calibration

所采用CCD（MindVision）屬面掃描類型，標(biāo)定過(guò)程用Halcon標(biāo)定助手完成，導(dǎo)入包含標(biāo)定板的采集圖片進(jìn)行參數(shù)求解。標(biāo)定過(guò)程首先初始化相機(jī)參數(shù)，具體參數(shù)見(jiàn)下式：

式中：f—焦距；k—畸變系數(shù)，初始化為0；Sx—為兩相鄰像素點(diǎn)的水平距離；Sy—為兩相鄰像素點(diǎn)的垂直距離；Width—圖像寬度；Height—圖像高度。

標(biāo)定全過(guò)程利用Halcon算子完成，詳細(xì)標(biāo)定流程及標(biāo)定圖片，如圖 3（b）所示。

5 基于圖像的道寬自動(dòng)控制算法

針對(duì)涂覆工藝提出基于圖像反饋的道寬自動(dòng)控制算法，主要包括基于圖像樣件道寬特征檢測(cè)、基板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)自動(dòng)判斷及控制模塊。單道樣件道寬自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖，如圖4所示。

圖4 自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖Fig.4 Block Diagram of Automatic Control System

5.1 基于圖像的樣件道寬特征檢測(cè)方法

單道道寬動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的先決條件。成形過(guò)程中，噴頭保持相對(duì)靜止，三維平臺(tái)按預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)，在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，打印樣件長(zhǎng)度不同，獲得增量單道寬度與上個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的寬度進(jìn)行比較。鑒于該系統(tǒng)為基板運(yùn)動(dòng)成形路徑，實(shí)際工況下CCD捕獲的圖像為末端相對(duì)位移，需對(duì)捕獲圖像進(jìn)行定點(diǎn)裁剪處理。為測(cè)量樣件增量長(zhǎng)度，對(duì)原始圖像進(jìn)行定點(diǎn)裁剪、圖像相減、閾值分割、中值濾波、Blob分析及形態(tài)學(xué)處理過(guò)程，來(lái)獲得高質(zhì)量灰度圖像，在上述基礎(chǔ)上通過(guò)邊緣提取獲得長(zhǎng)度增量的寬度?；趫D像反饋的道寬自動(dòng)控制算法流程圖，如圖5（a）所示?；趫D像處理增量道寬測(cè)量過(guò)程，如圖5（b）所示。

圖5 基于圖像反饋的自動(dòng)控制算法和基于圖像處理的道寬增量測(cè)量Fig.5 Automatic Control Algorithm Based on Image Feedback and Measurement of Track Width Increment Based on Image Processing

5.2 噴頭運(yùn)動(dòng)狀態(tài)自動(dòng)判斷及控制算法

在獲得單道寬度基礎(chǔ)上，計(jì)算相鄰兩次寬度相對(duì)異動(dòng)差ΔW，根據(jù)道寬增量ΔW隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化情況來(lái)判斷是否改變當(dāng)前基板速度。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)|ΔW|＜0.05的時(shí)候，不需要改變當(dāng)前基板速度；當(dāng)|ΔW|＞0.05的時(shí)候，需要進(jìn)一步判斷道寬變換趨勢(shì)，即當(dāng)打印樣件道寬寬度增加時(shí)，需要增大基板速度，反之當(dāng)打印樣件道寬減小時(shí)，需要減小基板速度。通過(guò)道寬差別來(lái)獲得速度增量的公式如下。

式中：a—值0.1；ΔW—寬度異動(dòng)差；ΔV—速度增量。

ΔW是計(jì)算速度增量ΔV的依據(jù)，由于速度增量和電機(jī)轉(zhuǎn)速存在關(guān)系，據(jù)此可以轉(zhuǎn)化成電機(jī)的轉(zhuǎn)速增量，轉(zhuǎn)速增量進(jìn)而轉(zhuǎn)化成脈沖增量，最終工控機(jī)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡更新電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)基板速度的有效調(diào)控。實(shí)際工況下，開(kāi)始打印時(shí)壓力不穩(wěn)定會(huì)造成起始端寬度不均勻，因此程序中設(shè)定，打印過(guò)程開(kāi)始20ms后，圖像開(kāi)始采集并執(zhí)行自動(dòng)控制過(guò)程。實(shí)際成形過(guò)程中CCD采集速率為8幀/秒，動(dòng)態(tài)刷新寬度增量，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。.

6 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

根據(jù)上述算法，在Delphi7.0環(huán)境下完成基于圖像反饋的單道道寬實(shí)時(shí)控制軟件的開(kāi)發(fā)，軟件界面集成在打印測(cè)試系統(tǒng)中，如圖6所示?；趫D像反饋?zhàn)詣?dòng)控制道寬程序界面分為操作按鈕區(qū)、參數(shù)顯示區(qū)及圖像實(shí)時(shí)顯示區(qū)。其中參數(shù)顯示區(qū)動(dòng)態(tài)刷新首次道寬、本次道寬、前次道寬及道寬增量。

圖6 基于圖像反饋?zhàn)詣?dòng)控制道寬程序界面Fig.6 The Program Interface of Automatic Control of Track Width Based on Image Feedback

將系統(tǒng)軟硬件投入運(yùn)行，載入單道模型數(shù)據(jù)文件，對(duì)單向成形的單道樣件進(jìn)行成形實(shí)驗(yàn)，成形的單道樣件，如圖7（a）所示。自動(dòng)控制算法目前只針對(duì)單向成形方式。按照?qǐng)D2（b）采樣模型統(tǒng)計(jì)5個(gè)單層單道成形樣件的寬度變化曲線如圖7（b），圖7（a）所示的樣件道寬變化為圖7（b）中E所示曲線。通過(guò)圖7（b）中各單道樣件變化曲線可知，打印樣件在起點(diǎn)處寬度變化趨勢(shì)減弱，且后續(xù)打印寬度數(shù)據(jù)平穩(wěn)，樣件道寬標(biāo)準(zhǔn)差減?。ㄔ斠?jiàn)表3），樣件較之前具有更好寬度一致性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于圖像的單層單道控制系統(tǒng)滿足實(shí)時(shí)響應(yīng)需求，在一定程度上可以提高樣件的打印精度，寬度一致性平均增幅為55.16%。

表 3基于圖像反饋控制單道樣件道寬信息統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of Width Information of Single-Layer Single-Pass Sample Based on the Control of Image Feedback

圖7 道寬控制測(cè)試樣件和5組不同樣件道寬統(tǒng)計(jì)曲線Fig.7 A Test Sample of Control in Track Width and Statistical Curves of 5 Different Samples with Control in Track Width

7 結(jié)論

在涂覆工藝下提出基于圖像反饋實(shí)時(shí)控制單層單道寬度方法，滿足成形實(shí)時(shí)響應(yīng)需求并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。在開(kāi)發(fā)的金屬熔融涂覆增材制造可視化主動(dòng)控制系統(tǒng)下，將成形過(guò)程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與工藝參數(shù)設(shè)定結(jié)合，對(duì)金屬熔融涂覆成形的單層單道樣件形貌有顯著改善，樣件寬度精度實(shí)現(xiàn)較大提升。

［1］韓曼曼，烏日開(kāi)西·艾依提，滕勇．3D打印技術(shù)在足部骨折輔助手術(shù)中的應(yīng)用研究［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016（10）：36-40.（Han Man-man，Wurikaixi-Aiyiiti，Teng Yong.Application of 3D printing technology in the foot fracture-assisted surgery［J］.Machinery Design&Manufacture，2016（10）：36-40.）

［2］Spencer JD，Dickens PM，Wykes CM.Rapid Prototyping of Metal Parts byThree-dimensionalWelding［J］.ProceedingsoftheInstitutionofMechanical Engineers，PartB：Journal of Engineering Manufacture，1998，212（3）：175-182.

［3］Ouyang JH，Wang H，Kovacevic R.Rapid Prototyping of 5356-aluminum Alloy Basedon Variable Polarity Gas Tungsten Arc Welding Process Control and Micro-structure［J］.Materials and Manufacturing Processes，2002，17（1）：103-124.

［4］Wang HJ，Jiang WH，Ouyang JH.Rapid Prototyping of 4043 Al-alloy Partsby VP-GTAW［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004（148）：93-102.

［5］Wang H，Jiang W，Valant M.Microplasma Powder Deposition as a New Solid Freeform Fabrication Process［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part B：Journal of Engineering Manufacture，2003（217）：1641-1650.

［6］胡曉冬，趙萬(wàn)華，許超.基于CCD的金屬直接成型過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)［J］.光子學(xué)報(bào)，2003，32（3）：375-377.（Hu Xiao-dong，ZhaoWan-hua，Xu Chao．Monitoring system of metal direct forming process based on CCD［J］.Acta Photonica Sinica，2003，32（3）：375-377.）

［7］Heralic A，Christiansson AK，Lennartson B．Height Control of Laser Metalwire Deposition based on Iterative Learning Controland 3D Scanning［J］.Optics and Lasers in Engineering，2012，50（9）：1230-1241.

［8］Heralic A，Christiansson AK，Ottosson M.Increased Stability in Laser Metal Wire Deposition through Feedback from Optical Measurements［J］.Opticsand Lasersin Engineering，2010（48）：478-485.