(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211019292.4 (22)申请日 2022.08.24 (71)申请人 上海交通大 学 地址 200240 上海市徐汇区华 山路1954 号 申请人 上海交通大 学安徽 （淮北） 陶铝新材 料研究院 (72)发明人 唐梓珏　王洪泽　万乐　魏强龙　 吴一　王浩伟　 (74)专利代理 机构 上海容慧专利代理事务所 (普通合伙) 31287 专利代理师 于晓菁 (51)Int.Cl. G01N 21/94(2006.01) G01N 21/84(2006.01) G01B 11/24(2006.01)C23C 24/10(2006.01) B23K 26/70(2014.01) G06V 10/44(2022.01) (54)发明名称 激光熔覆头加工 状态实时监测系统及方法 (57)摘要 本发明公开了一种激光熔覆头加工状态实 时监测系统及方法， 系统包括： 激光头单元， 采用 送粉或送丝的形式进行激光熔覆加工； 同轴监测 单元， 传输熔池发出的图像信号； 工业相机 单元， 采集熔池图像； 图像在线处理单元， 去除工业相 机单元所采集熔池图像中的噪声干扰， 并提取关 键图像特征； 保护镜片状态识别单元， 对激光头 保护镜片的污损程度进行识别判断； 送粉状态识 别单元， 对激光头送粉喷嘴状态进行识别， 判断 送粉状态及是否存在堵粉问题。 本发 明能够对激 光熔覆头保护镜片和送粉喷嘴状态进行实时监 测， 准确识别长期加工及意外所导致的镜片污损 和喷嘴堵粉情况， 进而及时进行调整， 避免影响 加工质量， 适用性强， 集成化程度高， 实现成本较 低。 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 CN 115508376 A 2022.12.23 CN 115508376 A 1.一种激光熔覆头加工状态实时监测系统， 其特 征在于， 包括： 激光头单元， 包括激光头， 采用送粉或送丝的形式进行激光熔覆加工， 生成液态金属熔 池； 同轴监测单 元， 传输液态金属熔池发出的图像信号； 工业相机单 元， 采集所述同轴监测单 元所传输的熔池图像； 图像在线处理单元， 去 除所述工业相机单元所采集熔池图像中的噪声干扰， 并提取所 需的关键图像特 征； 保护镜片状态识别单元， 根据 所述图像在线处理单元处理后的图像数据对激光头保护 镜片的污损程度进行识别判断； 以及， 送粉状态识别单元， 根据所述图像在线处理单元的数据对激光头送粉喷嘴状态进行识 别， 判断送粉状态及是否存在堵粉问题。 2.如权利要求1所述激光熔覆头加工状态实时监测系统， 其特征在于， 所述激光头单元 采用同轴或旁轴方法进行送粉或送丝加工， 加工方法包括表面熔覆或直接成形。 3.如权利要求2所述激光熔覆头加工状态实时监测系统， 其特征在于， 所述同轴监测单 元包括拐臂结构、 45 °分光镜、 45 °反射镜和拐臂集成镜头， 所述45 °分光镜位于所述激光头 内， 所述45 °分光镜支持正向通过激光束 所在波段的光以及反向通过非激光束波段的光， 所 述拐臂结构用于传输光路进行同轴 监测， 所述45 °反射镜位于所述拐臂结构内， 所述45 °反 射镜反射 非激光束波段光至所述激光头的出光口， 所述拐臂 集成镜头集成于所述拐臂结构 上， 将图像放大以便 于所述工业相机单 元采集。 4.如权利要求3所述激光熔覆头加工状态实时监测系统， 其特征在于， 所述工业相机单 元包括普通工业相机、 高动态工业相机、 红外 工业相机 。 5.如权利要求3所述激光熔覆头加工状态实时监测系统， 其特征在于， 所述图像在线处 理单元包括灰度 处理模块、 图像滤波降噪模块和视觉特征提取模块， 所述灰度 处理模块使 原图像灰度直方图中的灰度分布范围至少 压缩至原图像的1/2， 所述图像滤波降噪模块去 除激光束与粉末之间因散射作用所造成的干扰， 同时去除粉末飞溅中像素值小于3的粉末 飞溅， 所述视 觉特征提取模块 提取出图像清晰度特 征以及激光出光口轮廓特 征。 6.如权利要求5所述激光熔覆头加工状态实时监测系统， 其特征在于， 所述图像清晰度 特征利用空域的灰度梯度算法或者频域的灰度梯度算法计算。 7.如权利要求5所述激光熔覆头加工状态实时监测系统， 其特征在于， 所述激光出光口 轮廓特征利用边 缘检测算法进行提取与计算。 8.一种激光熔覆头加工状态实时监测方法， 其特征在于， 基于如权利要求3至7中任意 一项所述激光熔覆头加工状态实时监测系统实现， 包括： a、 将工业相机放置于同轴监测单元的拐臂结构上， 调 整同轴监测单元内的拐臂集成镜 头进行对焦， 对焦时激光头与基板之间的距离为实际加工距离， 对焦后标定图像与实际尺 寸的比例， 综合得到图像 像素值与实际尺寸的比例为 n:1； b、 激光熔覆头加工时， 工业相机实时采集加工过程中的图像， 采集帧率范围为5～ 200fps； c、 图像在线处理单元对采集到的图像进行预处理， 包括灰度处理、 图像滤波降噪、 清晰 度特征提取、 激光出光口轮廓特 征提取， 处 理速度为5～ 200ms；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115508376 A 2清晰度特 征提取获得采集图像实时的清晰度特 征值， 即平均灰度梯度值t； 激光出光口轮廓特 征提取获得激光出光口 的轮廓长度像素值 l； d、 根据步骤a中的标定比例n:1 以及步骤c图像在线处理单元对特征图像的处理， 采集 激光加工时图像清晰度特征值t， 并以连续m个点进 行一次函数拟合y＝ax+b， 采集激光加工 时实际轮廓长度L＝l/n， 计算实际轮廓长度变化比值β ＝L/L1， 其中L1为激光出光口实际轮 廓长度； e、 根据步骤d函数y＝ax+b中的a值， 确定激光头镜片污损时的拟合函数斜率a变化情 况， 给定镜片正常时a值范围(a1,a2)， 进而实现保护镜片状态 识别； f、 根据步骤d激光加工时轮廓长度变化比值β ＝L/L1， 确定激光头送粉喷嘴堵塞时的轮 廓长度变化比值β 变化情况， 给定正常出粉时β 值范围( β1, β2)， 进而实现送粉状态 识别。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115508376 A 3