本發(fā)明屬于金屬增材制造，具體涉及一種激光粉末床熔融過程聲學(xué)監(jiān)測信號處理方法及相關(guān)裝置。

背景技術(shù)：

1、激光粉末床熔融(laser?powder?bed?fusion,lpbf)增材制造(additivemanufacturing,am)工藝，又稱選擇性激光熔化(selective?laser?melting,slm)，通過使用高功率激光束實(shí)現(xiàn)金屬粉末材料的選擇性熔化，同時(shí)逐層累積以構(gòu)建計(jì)算機(jī)模型設(shè)計(jì)的金屬構(gòu)件。在過去的幾年中，該項(xiàng)工藝為復(fù)雜精密金屬零件的設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供了創(chuàng)造性范例，由于其在制造靈活性、材料節(jié)約、研制周期、復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形和組織性能等方面的獨(dú)特優(yōu)勢，該技術(shù)在航空航天、軍事國防、汽車工業(yè)、生物醫(yī)療等行業(yè)獲得了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。盡管該技術(shù)優(yōu)勢顯著，但其在質(zhì)量一致性和過程可重復(fù)性方面仍面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，該過程中激光與粉末劇烈的相互作用中的快速熔化和凝固過程會發(fā)生極其復(fù)雜的熔池動力學(xué)過程，不適合的工藝參數(shù)會使熔池的流動性不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致缺陷的形成。特別是該過程極易產(chǎn)生難以預(yù)測的孔隙缺陷，這嚴(yán)重限制了其應(yīng)用范圍并阻礙了其更廣泛的工業(yè)應(yīng)用?，F(xiàn)場過程實(shí)時(shí)監(jiān)控是一種很有前途的解決方案，也是確保增材制造成功的關(guān)鍵。因此，對該過程進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控很有必要。

2、聲學(xué)監(jiān)測技術(shù)已被證明是一種可行的方案，并因其傳感器的高靈敏度、低成本和優(yōu)越的設(shè)備兼容性受到了廣泛的關(guān)注。該技術(shù)不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測激光粉末床熔融過程熔池動力學(xué)及其體積動態(tài)相關(guān)的信息，而且能夠獲得有關(guān)熔化、凝固、裂紋擴(kuò)展和孔隙產(chǎn)生等復(fù)雜的物理過程信息，已被廣泛應(yīng)用于激光焊接過程的質(zhì)量監(jiān)測。現(xiàn)階段，聲學(xué)監(jiān)測方法在激光增材制造領(lǐng)域的研究有限，由于激光增材過程是一個(gè)遠(yuǎn)復(fù)雜于焊接過程的復(fù)雜幾何形狀的逐層累積成形過程，因此，其涉及的工藝過程和缺陷聲學(xué)信號更為復(fù)雜，相關(guān)研究也更具挑戰(zhàn)性。激光粉末床熔融過程聲學(xué)信號產(chǎn)生機(jī)制非常復(fù)雜，通過信號處理方法從信號中提取反應(yīng)目標(biāo)屬性的特征是基于聲學(xué)監(jiān)測技術(shù)的lpbf過程監(jiān)測中最重要的部分。通過有效的聲學(xué)信號處理實(shí)現(xiàn)可靠的特征提取是建立空氣傳播聲發(fā)射和激光粉末床熔融缺陷相關(guān)性的關(guān)鍵和實(shí)現(xiàn)激光粉末床熔融缺陷精準(zhǔn)監(jiān)測的前提。目前，lpbf過程聲學(xué)監(jiān)測仍存在以下問題：一方面，lpbf聲學(xué)監(jiān)測場景非常復(fù)雜，難以通過原始聲學(xué)信號直接獲取高質(zhì)量缺陷特征以實(shí)現(xiàn)缺陷可靠區(qū)分；另一方面，傳統(tǒng)時(shí)頻分析方法無法兼顧信息特征與lpbf工藝-缺陷-信號相關(guān)性機(jī)制，難以實(shí)現(xiàn)缺陷特征信息的可解釋精準(zhǔn)表達(dá)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種激光粉末床熔融過程聲學(xué)監(jiān)測信號處理方法及相關(guān)裝置，能夠使物理合理的激光粉末床熔融聲信號缺陷信息表達(dá)更為豐富和清晰，從而提高缺陷信息表達(dá)的可信度和缺陷特征描述的精準(zhǔn)性，并有助于激光粉末床熔融過程缺陷聲學(xué)監(jiān)測準(zhǔn)確率。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

3、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種激光粉末床熔融過程聲學(xué)監(jiān)測信號處理方法，包括：

4、獲取激光粉末床熔融增材制造過程伴隨產(chǎn)生的空氣傳播聲發(fā)射信號；

5、將所述空氣傳播聲發(fā)射信號通過預(yù)加重濾波器進(jìn)行高頻物理信息數(shù)據(jù)增強(qiáng)；

6、將所述高頻物理信息數(shù)據(jù)增強(qiáng)后的空氣傳播聲發(fā)射信號進(jìn)行離散傅里葉變化，得到空氣傳播聲發(fā)射信號的頻譜序列信號；

7、從所述頻譜序列信號中提取關(guān)鍵低頻序列信號和關(guān)鍵高頻序列信號，并按照原有頻譜序列順序?qū)λ鲫P(guān)鍵低頻序列信號和所述關(guān)鍵高頻序列信號進(jìn)行重構(gòu)，得到一維關(guān)鍵頻譜序列信號；

8、將所述一維關(guān)鍵頻譜序列信號通過改進(jìn)的灰度化映射方法轉(zhuǎn)換為二維關(guān)鍵頻譜序列灰度映射圖像；

9、將所述二維關(guān)鍵頻譜序列灰度映射圖像進(jìn)行灰度映射特征對比增強(qiáng)，得到關(guān)鍵頻譜序列灰度化增強(qiáng)映射圖像。

10、在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述從所述頻譜序列信號中提取關(guān)鍵低頻序列信號和關(guān)鍵高頻序列信號，具體為：

11、

12、所述按照原有頻譜序列順序?qū)λ鲫P(guān)鍵低頻序列信號和所述關(guān)鍵高頻序列信號進(jìn)行重構(gòu)，得到一維關(guān)鍵頻譜序列信號，具體為：

13、

14、式中，kstart和kend分別為關(guān)鍵低頻序列信號或關(guān)鍵高頻序列信號的起始頻率fstart和終止頻率fend對應(yīng)的序列值；l是關(guān)鍵低頻序列信號；h是關(guān)鍵高頻序列信號；fs是采樣頻率；z[n]為時(shí)間窗口長度為n的一維關(guān)鍵頻譜序列信號；q為關(guān)鍵低頻序列信號的數(shù)據(jù)長度；m為關(guān)鍵高頻序列信號的數(shù)據(jù)長度。

15、在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述將所述一維關(guān)鍵頻譜序列信號通過改進(jìn)的灰度化映射方法轉(zhuǎn)換為二維關(guān)鍵頻譜序列灰度映射圖像，包括：

16、將所述一維關(guān)鍵頻譜序列信號通過滑動窗口r和頻譜序列尺度因子δ依次填充轉(zhuǎn)換灰度矩陣的行，通過補(bǔ)零技術(shù)保證矩陣尺寸大小為r×r，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理使其像素值始終保持在0-255，具體為：

17、

18、式中，p(x,y)是二維關(guān)鍵頻譜序列灰度映射圖像坐標(biāo)(x,y)的像素點(diǎn)值；round{·}為舍入函數(shù)。

19、在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述預(yù)加重濾波器為一階數(shù)字高通濾波器，具體為：

20、h[n]＝x[n]-αx[n-1]

21、式中，x[n]為時(shí)間窗口長度為n的空氣傳播聲發(fā)射信號；α為預(yù)加重系數(shù)；h[n]為時(shí)間窗口長度為n的高頻物理信息數(shù)據(jù)增強(qiáng)后的空氣傳播聲發(fā)射信號。

22、在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述將所述高頻物理信息數(shù)據(jù)增強(qiáng)后的空氣傳播聲發(fā)射信號進(jìn)行離散傅里葉變化，具體為：

23、

24、式中，k為高頻物理信息數(shù)據(jù)增強(qiáng)后的空氣傳播聲發(fā)射信號的頻譜序列信號x[k]的序列值；h[n]為時(shí)間窗口長度為n的高頻物理信息數(shù)據(jù)增強(qiáng)后的空氣傳播聲發(fā)射信號；ν為h[n]的長度。

25、在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述關(guān)鍵低頻序列信號對應(yīng)的頻率范圍為5khz～20khz，所述關(guān)鍵高頻序列信號對應(yīng)的頻率范圍為35khz～50khz。

26、在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述將所述二維關(guān)鍵頻譜序列灰度映射圖像進(jìn)行灰度映射特征對比增強(qiáng)，包括：

27、采用gamma算法將所述二維關(guān)鍵頻譜序列灰度映射圖像進(jìn)行灰度映射特征對比增強(qiáng)，具體為：

28、

29、式中，iin是二維關(guān)鍵頻譜序列灰度映射圖像的像素值；iout是經(jīng)過gamma灰度映射后關(guān)鍵頻譜序列灰度化增強(qiáng)映射圖像的灰度像素值；γ是gamma矯正系數(shù)。

30、根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種激光粉末床熔融過程聲學(xué)監(jiān)測信號處理裝置，包括：

31、獲取模塊，用于獲取激光粉末床熔融增材制造過程伴隨產(chǎn)生的空氣傳播聲發(fā)射信號；

32、高頻增強(qiáng)模塊，用于將所述空氣傳播聲發(fā)射信號通過預(yù)加重濾波器進(jìn)行高頻物理信息數(shù)據(jù)增強(qiáng)；

33、變化模塊，用于將所述高頻物理信息數(shù)據(jù)增強(qiáng)后的空氣傳播聲發(fā)射信號進(jìn)行離散傅里葉變化，得到空氣傳播聲發(fā)射信號的頻譜序列信號；

34、重構(gòu)模塊，用于從所述頻譜序列信號中提取關(guān)鍵低頻序列信號和關(guān)鍵高頻序列信號，并按照原有頻譜序列順序?qū)λ鲫P(guān)鍵低頻序列信號和所述關(guān)鍵高頻序列信號進(jìn)行重構(gòu)，得到一維關(guān)鍵頻譜序列信號；

35、轉(zhuǎn)換模塊，用于將所述一維關(guān)鍵頻譜序列信號通過改進(jìn)的灰度化映射方法轉(zhuǎn)換為二維關(guān)鍵頻譜序列灰度映射圖像；

36、對比增強(qiáng)模塊，用于將所述二維關(guān)鍵頻譜序列灰度映射圖像進(jìn)行灰度映射特征對比增強(qiáng)，得到關(guān)鍵頻譜序列灰度化增強(qiáng)映射圖像。

37、根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種設(shè)備，包括存儲器、處理器以及存儲在所述存儲器中并可在所述處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)所述的一種激光粉末床熔融過程聲學(xué)監(jiān)測信號處理方法的步驟。

38、根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)存儲有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)所述的一種激光粉末床熔融過程聲學(xué)監(jiān)測信號處理方法的步驟。

39、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：

40、本發(fā)明提供的一種激光粉末床熔融過程聲學(xué)監(jiān)測信號處理方法，結(jié)合聲學(xué)信息特征與lpbf工藝-缺陷-信號相關(guān)機(jī)制進(jìn)行了高頻物理信息數(shù)據(jù)增強(qiáng)和一維關(guān)鍵頻譜序列信號重構(gòu)，一方面，高頻物理信息數(shù)據(jù)增強(qiáng)避免了lpbf聲學(xué)信號缺陷強(qiáng)相關(guān)的關(guān)鍵高頻信息的缺失和噪聲的影響；另一方面，物理機(jī)理驅(qū)動的一維關(guān)鍵頻譜序列信號重構(gòu)實(shí)現(xiàn)了空氣傳播聲發(fā)射信號頻譜序列的數(shù)據(jù)簡約，在降低信息冗余性的同時(shí)增強(qiáng)了缺陷強(qiáng)相關(guān)信息的可信表征，有助于缺陷特征的可解釋性精準(zhǔn)表達(dá)。同時(shí)，本發(fā)明采用改進(jìn)的灰度化增強(qiáng)映射策略將一維關(guān)鍵頻譜序列信號轉(zhuǎn)換為執(zhí)行高效、具有豐富物理合理缺陷信息表達(dá)和關(guān)鍵缺陷強(qiáng)相關(guān)特征映射的二維關(guān)鍵頻譜序列灰度化增強(qiáng)映射圖像，不僅在物理合理的缺陷特征直觀表達(dá)的基礎(chǔ)上通過灰度圖像實(shí)現(xiàn)了水平和豎直方向上相鄰像素間有價(jià)值關(guān)聯(lián)缺陷信息的突出反饋，而且實(shí)現(xiàn)了灰度映射特征的對比增強(qiáng)，有利于提高聲學(xué)監(jiān)測的準(zhǔn)確率。

41、為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合所附附圖，作詳細(xì)說明如下。