電子束選區(qū)熔化過程基于背散射電子成像的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制

孔令其，劉方軍，陳世業(yè)，許海鷹，張偉，黃俊媛，王壯，石毅磊，蔣布輝

1.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191

2.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076

3.中國航空制造技術(shù)研究院 高能束流加工技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024

0 引言

電子束選區(qū)熔化（Electron beam selective melting，EBSM）是以高能電子束流為熱源，在高真空環(huán)境中對(duì)金屬粉末床選擇性熔覆成形，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零部件成形的增材制造技術(shù)，具有能量集中、成形效率高、真空環(huán)境無污染、能夠熔化難熔及脆性材料等優(yōu)勢(shì)，在航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域獲得廣泛研究和應(yīng)用［1-4］。目前關(guān)于EBSM技術(shù)的研究主要集中在調(diào)整工藝參數(shù)，測(cè)試加工產(chǎn)品性能。EBSM過程涉及的工藝參數(shù)主要包括：束流大小、聚焦值、偏轉(zhuǎn)掃描策略、偏轉(zhuǎn)掃描速度、預(yù)熱溫度、工藝步驟、各工藝步驟時(shí)間等［5-11］，不同的參數(shù)會(huì)導(dǎo)致不同的加工結(jié)果，甚至微小的參數(shù)變化就有可能導(dǎo)致加工的失敗。對(duì)于不同的加工材料，各工藝參數(shù)的調(diào)整也不相同，這就需要一個(gè)有效的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)EBSM過程進(jìn)行跟蹤，及時(shí)掌握加工情況，調(diào)整工藝參數(shù)，減少廢品率，提高加工質(zhì)量。

目前對(duì)于EBSM過程的監(jiān)測(cè)思路主要有光學(xué)觀察和電子成像觀察。普通的光學(xué)觀察使用工業(yè)相機(jī)拍攝加工表面，但在實(shí)際EBSM過程中，高能電子束流沖擊金屬粉末表面會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)光及金屬蒸氣，使拍攝畫面過曝而模糊，金屬蒸氣還會(huì)沉積在鏡頭表面，影響觀測(cè)?；诒成⑸潆娮映上竦挠^察通過采集EBSM過程中電子束入射加工表面反射回來的背散射電子信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理，還原背散射信號(hào)攜帶的加工表面形貌信息，從而監(jiān)測(cè)整個(gè)加工過程中工件加工質(zhì)量，這種觀察方式不受強(qiáng)光影響，可適應(yīng)高金屬蒸氣環(huán)境，通過高頻信號(hào)采集及處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀察［12-15］。國外關(guān)于背散射電子成像在電子束加工中的研究較早，瑞典Arcam公司成功地將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在自家電子束設(shè)備，并進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)［16-17］。英國學(xué)者Hay Wong［12］等人針對(duì)電子束選區(qū)熔化過程，設(shè)計(jì)了基于單極板背散射電子接收傳感器的背散射電子成像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，成像范圍180 mm×180 mm，對(duì)室溫和約320 ℃下生成的電子圖像進(jìn)行比較，結(jié)果表明二者并無明顯差異，一方面驗(yàn)證了基于背散射電子成像在電子束選區(qū)熔化過程中的應(yīng)用潛力，另一方面也初步驗(yàn)證了基于背散射電子成像的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)高溫的不敏感性。但單極板背散射電子接收傳感器對(duì)于背散射電子信息的采集不完整，監(jiān)測(cè)范圍也不能滿足大尺寸零部件電子束選區(qū)成形制造要求。國內(nèi)針對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究起步較晚，相關(guān)成果也還沒有得到推廣應(yīng)用，研究較多的包括清華大學(xué)，中國航空制造技術(shù)研究院等。清華大學(xué)趙德陳等人［14］針對(duì)單極板背散射電子傳感器的不足，設(shè)計(jì)了基于雙探測(cè)極板的電子光學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，成像范圍60 mm×60 mm，利用極板之間采集得到的背散射電子信號(hào)的差值與和值完成形貌信息的增強(qiáng)，但雙極板探測(cè)器只對(duì)極板相對(duì)方面背散射電子信號(hào)敏感，未布置探測(cè)極板位置背散射電子信號(hào)丟失。中國航空制造技術(shù)研究院張紅玉等人［15］設(shè)計(jì)的電子束加工過程基于背散射電子成像的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用四極板背散射電子接收傳感器，相比單極板和雙極板設(shè)計(jì)，其對(duì)背散射電子信號(hào)的接收能力更強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)100 mm×100 mm范圍監(jiān)測(cè)，但其設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)和布局并不適合電子束選區(qū)熔化過程，成像范圍也不能滿足大尺寸零部件電子束選區(qū)成形制造要求。

針對(duì)電子束選區(qū)加工過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求，本文設(shè)計(jì)了一套包括高頻偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)、背散射電子接收傳感器、背散射電子信號(hào)處理系統(tǒng)以及圖像處理軟件的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)150 mm×150 mm范圍高速成像，分辨率可達(dá)1 000像素×1 000像素，成像速度可達(dá)1幀/s。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的EBSM過程中基于背散射電子成像的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。工控機(jī)用于控制系統(tǒng)整體邏輯、配置函數(shù)發(fā)生卡和數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)、生成及處理監(jiān)測(cè)圖像；函數(shù)發(fā)生卡輸出高頻偏轉(zhuǎn)掃描電路驅(qū)動(dòng)波形及同步采集信號(hào)，用于掃描控制及同步采樣控制；背散射電子接收傳感器用于收集采樣點(diǎn)背散射電子信號(hào)；背散射電子信號(hào)采樣及放大電路將采集到的背散射電子信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻電壓信號(hào)，放大到合適的倍數(shù)后傳輸給數(shù)據(jù)采集卡；數(shù)據(jù)采集卡經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換將放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸給工控計(jì)算機(jī)。

圖1 EBSM過程中基于背散射電子成像的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.1 On line monitoring system based on backscattered electron imaging in EBSM process

系統(tǒng)工作時(shí)，根據(jù)加工范圍大小、束斑直徑確定掃描范圍及掃描點(diǎn)個(gè)數(shù)，在工控機(jī)人機(jī)交互界面上配置好函數(shù)發(fā)生卡和數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)，通過高頻偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)控制電子束流逐點(diǎn)掃描加工范圍，通過同步時(shí)鐘控制背散射信號(hào)同步同點(diǎn)采集。由于表面形貌的差異，電子束流打到加工表面的入射角度會(huì)有差異，反射出的背散射電子信號(hào)會(huì)有不同，通過對(duì)采集到的背散射電子信號(hào)處理分析，可以還原出加工表面形貌信息。

1.1 高頻偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)

高頻偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)包括函數(shù)發(fā)生卡、高頻偏轉(zhuǎn)掃描驅(qū)動(dòng)電路以及偏轉(zhuǎn)掃描線圈。函數(shù)發(fā)生卡用于存儲(chǔ)、輸出掃描波形以及輸出同步采集信號(hào)。掃描波形由掃描方式及掃描策略確定，掃描策略主要包括S型掃描及Z型掃描。Z型掃描即前一行掃描完成，電子束快速偏轉(zhuǎn)到第二行起始位置繼續(xù)掃描，反映在掃描波形上表現(xiàn)為鋸齒波，這種掃描策略每行掃描完成都需要空程回到下一行起始位置，掃描效率較低；S型掃描策略每行掃描完成，下一行掃描直接從行尾開始，反映在掃描波形上表現(xiàn)為三角波，這種掃描策略避免了空程，掃描效率較高。常見的掃描方式包括線掃描和點(diǎn)掃描兩種，線掃描方式是指行、列方向上的電子束以一定速度穩(wěn)定掃描整個(gè)觀察表面，反映在掃描波形上表現(xiàn)為連續(xù)的直線，基于S型掃描策略的線掃描方式掃描n行、n列加工表面的掃描波形示意如圖2所示。點(diǎn)掃描方式是指通過把加工表面分割成一系列點(diǎn)，電子束逐點(diǎn)掃描這些點(diǎn)，并在掃描點(diǎn)停留合適的時(shí)間直至完成整個(gè)掃描面的掃描，基于S型掃描策略的點(diǎn)掃描波形示意如圖3所示。

圖2 高頻偏轉(zhuǎn)線掃描，S型掃描Fig.2 High frequency deflection line scanning，S-scan

圖3 高頻偏轉(zhuǎn)點(diǎn)掃描，S形掃描Fig.3 High frequency deflection point scanning，S-scan

本文采用基于S型掃描策略的點(diǎn)掃描方式控制偏轉(zhuǎn)掃描過程，與線掃描方式相比，點(diǎn)掃描對(duì)于每一采樣點(diǎn)背散射信號(hào)的采集更充分，得到的形貌信息更完整。

函數(shù)發(fā)生卡輸出的波形信號(hào)經(jīng)過高頻偏轉(zhuǎn)掃描驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)功率放大之后才能驅(qū)動(dòng)掃描線圈，實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)換從而控制束流偏轉(zhuǎn)。本文采用的高頻偏轉(zhuǎn)掃描電路如圖4所示，該電路基于高頻功率運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高頻波形信號(hào)的功率放大。

圖4 高頻偏轉(zhuǎn)掃描驅(qū)動(dòng)電路原理Fig.4 High frequency deflection scanning circuit

偏轉(zhuǎn)掃描線圈采用無磁心結(jié)構(gòu)的Helmholtz線圈結(jié)構(gòu)，磁場均勻度和動(dòng)態(tài)性能比普通線圈結(jié)構(gòu)好［18］。行方向及列方向分別布置，實(shí)現(xiàn)行、列方向磁場的控制，從而實(shí)現(xiàn)控制電子束流在二維加工平面的任意位置駐留。

1.2 背散射電子接收傳感器

背散射電子接收傳感器結(jié)構(gòu)如圖5所示，四瓣梯形“喇叭狀”聯(lián)結(jié)的傳感器極板由銅材料制成，分別接收不同方向的背散射電子信號(hào)。4塊極板通過絕緣連接件相連，保證彼此之間的絕緣性。使用時(shí)安裝在成型艙上方與電子槍同軸。這樣的傳感器結(jié)構(gòu)極大增加了背散射電子的接收面積，使加工表面反射的背散射電子盡可能多地被傳感器極板收集，以提高監(jiān)測(cè)的清晰度。

圖5 背散射電子接收傳感器Fig.5 Backscattered electron receiving sensor

1.3 背散射電子信號(hào)采樣及放大電路

通過傳感器極板接收到的背散射電子信號(hào)往往較小，需要通過采樣電路及放大電路處理后才能輸入采集卡做后續(xù)處理。采樣電路由采樣電阻及限流電阻構(gòu)成，放大電路基于高頻運(yùn)放設(shè)計(jì)。本文采用4路相同的采樣及放大電路，分別處理4塊背散射電子接收極板接收到的背散射電子信號(hào)，設(shè)置兩級(jí)放大，真空室內(nèi)一級(jí)放大電路靠近采樣端，可避免較長同軸電纜寄生電容的影響，同時(shí)真空室外二級(jí)放大電路可以方便調(diào)節(jié)整體放大倍數(shù)，提高電路對(duì)背散射信號(hào)的適應(yīng)能力。其等效電路如圖6所示。

圖6 背散射信號(hào)采樣及放大電路Fig.6 Backscatter signal sampling and amplification circuit

1.4 軟件設(shè)計(jì)

圖像處理軟件包括板卡接口模塊、界面交互模塊以及圖像處理模塊。板卡接口模塊用于控制函數(shù)發(fā)生卡及數(shù)據(jù)采集卡與主機(jī)的連接與釋放、參數(shù)設(shè)置、波形輸出、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸?shù)冗^程，包含使用到的函數(shù)發(fā)生卡和數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序及開發(fā)庫；界面交互模塊包括界面顯示與交互、線程控制等功能，采用基于C++可視化開發(fā)平臺(tái)QT5進(jìn)行開發(fā)。圖像處理模塊包括四極板背散射信號(hào)數(shù)據(jù)處理、形貌圖像生成、形貌圖像增強(qiáng)等，基于開源的計(jì)算機(jī)視覺庫OpenCV4進(jìn)行開發(fā)。

1.4.1 軟件工作邏輯

軟件工作主要流程如圖7所示，包括程序啟動(dòng)、初始化界面、板卡連接及參數(shù)初始化、掃描輸出、數(shù)據(jù)采集、圖像處理及增強(qiáng)、程序結(jié)束等步驟。其中數(shù)據(jù)采集、圖像處理和增強(qiáng)過程占用工控機(jī)CPU較多資源，為避免造成界面卡頓，單獨(dú)設(shè)置一個(gè)線程處理這些流程，主線程主要負(fù)責(zé)界面交互、板卡連接與初始化、函數(shù)發(fā)生卡配置及波形輸出等過程。

圖7 軟件工作流程Fig.7 Software workflow diagram

1.4.2 數(shù)據(jù)處理與圖像生成

背散射電子信號(hào)處理及圖像生成流程如圖8所示，傳感器四極板分別接收4路背散射電子信號(hào)，通過采樣處理將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C(jī)，通過圖像處理軟件還原出單通道圖像。

圖8 數(shù)據(jù)處理及圖像生成Fig.8 Data processing and image generation

1.4.3 圖像增強(qiáng)

對(duì)單極板采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到的單通道圖像只對(duì)相對(duì)背散射電子發(fā)射的空間方位角較大的方向上形貌敏感，為了獲得完整清晰的表面形貌圖像，還需要對(duì)獲得的四幅單通道圖像進(jìn)行擬合、降噪和增強(qiáng)處理。具體流程如圖9所示，圖像1、3，2、4分別為相對(duì)布置兩塊極板收集處理得到的單通道圖像，對(duì)圖像1、3進(jìn)行擬合可以得到具有x方向完整表面形貌信息的圖像X，對(duì)圖像2、4進(jìn)行擬合可以得到具有y方向完整表面形貌信息的圖像Y。再對(duì)圖像X和圖像Y進(jìn)行擬合處理可以得到具有完整表面形貌信息的圖像Z。此時(shí)需要對(duì)圖像Z進(jìn)一步做去噪和圖像增強(qiáng)處理，一方面去除圖像獲取和傳輸過程中難以預(yù)料的噪聲，這里主要包括椒鹽噪聲，本文主要采用中值濾波算法去除椒鹽噪聲提高圖像信噪比，另一方面對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，保證細(xì)節(jié)的同時(shí)，使圖像輪廓更加分明。

圖9 圖像擬合與增強(qiáng)Fig.9 Image fitting and enhancement

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)方案

使用中國航空制造技術(shù)研究院自主研發(fā)的電子束選區(qū)熔化設(shè)備，將背散射電子接收傳感器置于成型艙上方且與電子槍同軸。試驗(yàn)時(shí)選取具有局部特征的立方體試塊為觀察對(duì)象，其形狀及放置方式如圖10所示，掃描范圍設(shè)置為150 mm×50 mm，選擇S型掃描策略和點(diǎn)掃描方式，掃描點(diǎn)間隔設(shè)置為0.15 mm，掃描頻率1 MHz，這樣采集到的像素?cái)?shù)據(jù)為1 000個(gè)×1 000個(gè)，即成像分辨率為1 000像素×1 000像素，高壓設(shè)置為-60 kV，電子束流2 mA，聚焦電流487 mA。

圖10 試件實(shí)物Fig.10 Physical drawing of test piece

2.2 結(jié)果與分析

當(dāng)真空室抽真空到2×10-3Pa時(shí)試驗(yàn)開始，高頻偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)逐點(diǎn)掃描整個(gè)觀察區(qū)域，同時(shí)數(shù)據(jù)采集卡同步采集4路圖像數(shù)據(jù)，當(dāng)觀察區(qū)域掃描完成，數(shù)據(jù)采集卡將采集到的4路圖像數(shù)據(jù)傳輸給工控計(jì)算機(jī)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理生成4幅單通道圖像，如圖11所示，其中圖像1為y方向極板3獲取到的圖像，圖像3為與其相對(duì)極板1獲取到的圖像，由圖可見，圖像1、3分別能獲取A、B邊清晰的輪廓，經(jīng)過第一次圖像擬合，可以得到具有x方向完整形貌信息的圖像X。同理通過圖像2、4的擬合可以得到具有y方向完整形貌信息的圖像Y。對(duì)圖像X及圖像Y經(jīng)過第二次圖像擬合及圖像增強(qiáng)得到清晰的圖像如圖12所示。由圖可見，經(jīng)過處理的圖像相對(duì)比單通道圖像具有完整的試件形貌信息，并且經(jīng)過圖像降噪及增強(qiáng)，最終呈現(xiàn)的圖像更加清晰，同時(shí)該系統(tǒng)可以清楚地觀察到試件的局部信息，分辨率能夠滿足加工過程監(jiān)控及加工缺陷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)要求。

圖11 單通道圖像Fig.11 Single channel image

圖12 四通道擬合增強(qiáng)后的圖像Fig.12 Four channel fitting enhanced image

3 電子束選區(qū)熔化實(shí)時(shí)成像

實(shí)際電子束選區(qū)熔化過程中需要保證較高的粉床溫度以防止吹粉現(xiàn)象，同時(shí)束流掃描過程中還會(huì)產(chǎn)生大量的金屬蒸氣和強(qiáng)光，這些都是傳統(tǒng)光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)難以克服的困難。

將研制的基于背散射電子成像的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)置于實(shí)際電子束選區(qū)熔化制造環(huán)境中，對(duì)試塊成形過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，成形過程中，粉床溫度始終保持在700 ℃以上。成形過程中最后一次監(jiān)測(cè)圖像見圖13，停止成形，待冷卻后取出的成形實(shí)物見圖14。

圖13 監(jiān)測(cè)圖像Fig.13 Monitor image

圖14 實(shí)物圖像Fig.14 Physical image

由監(jiān)測(cè)圖像可見，研制的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠完整監(jiān)測(cè)成形范圍，成像清晰度較高、能還原表面細(xì)節(jié)，滿足實(shí)際成形過程監(jiān)測(cè)需求。

4 結(jié)論

（1）研制了一套EBSM過程中基于背散射電子成像的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可適應(yīng)高強(qiáng)光，高金屬蒸氣的電子束選區(qū)熔化過程，成像范圍150 mm×150 mm，分辨率可達(dá)1 000像素×1 000像素，圖像刷新率可達(dá)1 s/幀。

（2）本系統(tǒng)采用S型點(diǎn)掃描的偏轉(zhuǎn)掃描方式，相較于Z型、線掃描方式而言，掃描效率及信號(hào)采集精度得到明顯提高。

（3）本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了接收面積更大的背散射電子信號(hào)采集傳感器極板，對(duì)背散射電子信號(hào)更加敏感，對(duì)形貌信息的還原能力更強(qiáng)。