CN102517579B - 激光加工装置及监测方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光加工装置,该激光加工装置用于激光快速熔覆成型工艺中,包括监测装置、激光光头、工作台和粉末喷嘴,其中该监测装置包括图像摄取单元、图像处理单元、计算单元和控制单元,通过图像摄取单元连续摄取激光堆积过程中,激光光头和工作台之间的图像,并通过图像处理计算出激光光头和工作台之间的间距,完成在线的实时监测并控制激光光头的工作位置,保证了加工工件的品质。同时本发明还提出一种运用上述监测装置的监测方法。

Description

激光加工装置及监测方法
技术领域
本发明涉及金属零件加工领域,尤其是一种采用激光快速熔覆成型技术中的监测工艺。
背景技术
目前,用于直接制造金属零件的快速原型制造技术主要有两类:(1)选区激光烧结(Selective Laser Sintering;SLS);(2)激光熔覆为基的金属件直接成型技术。
SLS制造金属零件的方法包括采用低熔点金属或有机粘接材料包覆在金属粉末表面,选区激光照射时,在激光作用下低熔点金属或粘接材料熔化,而金属粉末不熔化,形成的三维实体为类似粉末冶金烧结的坯件,实体存在一定比例孔隙,一般为60%左右,远不能达到100%的密度。金属零件成型后,需再经过后处理,一般采用高温烧结或渗金属的方法,使成型件致密化。这种方法的设备配置方面采用50---200W的CO2激光器,光斑尺寸0.1---0.7mm,由于激光的功率密度不高,工业上难应用于金属粉末的烧结,多用于工程塑料或有机材料粉末的烧结。
激光熔覆为基的金属件直接成型技术,美国称之为LENS(LaserEngineered Net Shaping),在德国称之为LG(Laser Generating),在我国也称为“激光熔覆快速成型”、“激光近形制造”或简称“激光快速成型”。该方法采用一种同轴环形粉末喷嘴,大功率Nd:YAG固体激光器或CO2激光器,输送的粉末汇聚点与激光作用点重合,通过工作台或喷嘴移动,获得堆积的熔覆实体,致密度达到近乎100%,组织具有快速凝固特征,性能较常规方法略有提高。
在激光堆积过程中,激光光头和工作台之间的距离由于受到气流、粉流的不稳定以及各种随机因素的影响,经常会出现波动。而这种波动将会导致激光加工功率的不稳定,使得熔覆产品表面出现不平整,严重影响激光加工的品质。因此对激光光头和工作台的间距进行监测成为工艺的关键因素。
在一种现有的监测技术中,采用红外光电传感器对该间距进行监测。但监测效果不好,主要原因是激光堆积过程中高功率强光与工件升温时放出的红外线对检测光信息的干扰。
因此,有必要提出一种新的监测手段,以克服现有技术中激光光强和工件表面温度对监测效果的影响。
发明内容
有鉴于此,本发明提出一种激光加工装置的监测装置,该监测装置能够避开由激光和红外光的干扰,对整个激光堆积过程实施准确的监测,并且还提供了运用该监测装置的监测方法,该监测方法能够实时在线的监测激光堆积过程中激光光头和工作台之间的间距,并在该间距出现波动时对激光光头进行及时调整。
根据本发明的目的提出的一种激光加工装置,包括监测装置、激光光头、工作台和粉末喷嘴,其中监测装置包括:
图像摄取单元,摄取激光光头和工作台之间的图像;
图像处理单元,将所述图像摄取单元摄取到的图像进行像素化处理,并判断得到激光光头和工作台的像素位置;
计算单元,将上述激光光头和工作台的像素位置转换成坐标位置,并得到激光光头和工作台之间的距离;以及
控制单元,根据上述激光光头和工作台之间的距离对激光光头进行调整。
优选的,所述图像摄取单元电荷耦合元件。
优选的,所述图像摄取单元还包括定时器,该定时器控制图像摄取单元摄取图像的时间间隔。
根据本发明的目的提出的一种激光加工装置的监测方法,使用上述的监测装置,包括步骤:
1)摄取激光加工装置处于试堆积时的激光光头和工作台之间的初始图像;
2)对该初始图像进行像素化处理,并依据处理后的图像确定激光光头和工作台的扫描位置参数;
3)摄取激光加工装置处于堆积过程中的激光光头和工作台之间的工作图像;
4)对该工作图像进行像素化处理,并在所述扫描位置参数范围内分别扫描出激光光头和工作台的像素位置;
5)将该像素位置换算成坐标位置,并依据该坐标位置计算得到激光光头和工作台之间的间距;
6)根据该间距调整该激光光头的位置。
优选的,所述步骤2)中对初始图像进行像素化处理后,还包括计算每个像素点的RGB值,根据该RGB值确定所述扫描位置参数。
优选的,所述步骤2)中的扫描位置参数包括激光光头的上边界(Y1)、下边界(Y2);工作台的上边界(Y3)、下边界(Y4);以及左边界(X1)和右边界(X2)。
优选的,所述步骤4)中对工作图像进行像素化处理后,在所述激光光头的上边界(Y1)、下边界(Y2),以及左边界(X1)和右边界(X2)的范围内,计算每个像素点的RGB值,将RGB值最大的点定位为所述激光光头像素位置。
优选的,所述步骤4)中对工作图像进行像素化处理后,在所述工作台的上边界(Y3)、下边界(Y4),以及左边界(X1)和右边界(X2)的范围内,计算每个像素点的RGB值,将RGB值最大的点定位为所述工作台的像素位置。
优选的,还包括设定摄取工作图像的时间间隔,并按该时间间隔在整个堆积过程中对所述工作图像进行连续摄取。
上述的监测装置,通过图像摄取装置代替传统监测工艺中的红外探测器,实现非接触式的监测工艺,从而避免了传统工艺中容易受激光和工件表面高温引起的红外干扰的问题,并且利用计算和控制单元实现在线的实时监测,使得监测的精确度和时效性大大提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的激光加工装置的结构示意图;
图2是本发明的监测方法的步骤流程图。
具体实施方式
请参见图1,图1是本发明的激光加工装置的结构示意图。如图所示,该激光加工装置用于激光快速熔覆成型工艺,包括激光光头11、加工台12、粉末喷嘴(图中未示出)和监测装置。所述激光光头11将由激光器13产生的一束激光束射向工作台12,该激光器13为大功率Nd:YAG固体激光器或CO2激光器。所述工作台12用于放置一加工工件,激光光头在该加工工件上进行激光堆积操作。所述粉末喷嘴集成于激光光头11中,该粉末喷嘴连接在一外部供粉装置14上,通过将供粉装置14上供的金属粉喷洒在激光光头11下方,接收激光的高温熔融操作,从而形成熔覆效果。
所述监测装置包括图像摄取单元21、图像处理单元22、计算单元23和控制单元24。所述图像摄取单元21摄取激光光头和工作台之间的图像,该图像摄取单元21比如是电荷耦合元件(CCD),或者是其它具有摄像功能的器件。通过固定装置将该图像摄取单元21固定于工作台12或其它地方,使得激光光头11和工作台12之间的影像能够进入图像摄取单元21的拍摄范围。进一步地,该图像摄取单元21上具有定时器(图中未示出),该定时器具有控制图像摄取单元开关的功能,从而使得图像摄取单元21具有在指定时间内进行图像摄取的功能。
所述图像处理单元22连接图像摄取单元21,接收图像摄取单元21的摄取的图像,将该图像进行像素化处理,并判断得到激光光头和工作台的像素位置。所述像素化处理是一种对图像的数字处理技术,即将图像视为由多个最小基本点组成,每个点构成该图像的像素。像素点只反映该点上的颜色信息,所谓颜色信息用R、G、B三原色的值来表示,比如在一种表示方法中,将RGB的值赋予0-765个台阶,当RGB的值分别达到765时,表示该点的颜色为白色,而RGB的值分别为0时,该店的颜色为黑色。在图像摄取单元21摄取的图像中,由于激光光头11和工作台12分别是激光发出单位和激光照射单位,所以这两处的光亮最强,反映在图片上就是RGB的值比较大,根据这个特性可以判断,整个图片中RGB集中比较大区域就是激光光头11和工作台12的区域。进一步的,在这区域中RGB值最大的点可以认为是激光光头11发出激光的点和工作台12接收激光的点。如此可以判定激光光头11和工作台12的在图像中的像素位置。
所述计算单元23连接在图像处理单元22上。得到激光光头11和工作台12的在图像中的像素位置后,利用所述计算单元23将这两个像素位置转换成坐标位置,并得到激光光头和工作台之间的距离。具体地,可以在像素化之后的图像上设定坐标,该坐标的原点比如是图像中心位置或者任意一角位置,按照像素的排布定义一个单位长度,从而得出激光光头11和工作台12的坐标位置,然后将坐标的单位长度与实际长度单位(比如是毫米(mm)),进行等比例计算,从而得到激光光头11和工作台12之间的间距大小。
所述控制单元24可以根据上述激光光头11和工作台12之间的间距对激光光头进行调整。这里的调整是指调整激光光头11和工作台12之间的相对位置,比如利用安装在激光光头11上的步进电机和运动控制卡(PMAC),对激光光头11做上下的调整,使得激光光头11和工作台12直接的距离始终保持在激光能够以最佳的工作能量作用于金属粉末上,从而保证产品的形成质量。
下面,在对利用本发明的监测装置对激光加工装置在进行激光堆积过程中监测方法做详细说明。
请参见图2,图2是本发明的监测方法的步骤流程图。如图所示,本发明的监测方法包括步骤:
S11:摄取激光加工装置处于试堆积时的激光光头和工作台之间的初始图像。激光加工装置处于试堆积时,激光光头和工作台之间以额定间距相对静止,利用图像摄取装置摄取此时的初始图像,一方面可以调节图像摄取装置的拍摄位置和焦距,使得图像摄取装置能够清晰的摄取到图像,另一方面可以将该初始图像作为参考依据,设定一些初始参数。
S12:对该初始图像进行像素化处理,并依据处理后的图像确定激光光头和工作台的扫描位置参数。图像处理装置在接收该初始图像的数据后,对该初始图像进行像素化处理,得到该图像的像素信息。然后计算每个像素点的RGB值,根据该RGB值的大小,确定激光光头和工作台的区域像素位置,将这个区域像素位置设定为正式开始监测时的扫描位置参数。具体的,该扫描位置参数包括激光光头的上边界(Y1)、下边界(Y2);工作台的上边界(Y3)、下边界(Y4);以及左边界(X1)和右边界(X2)。由于激光照射和反射形成的光斑,因此在激光光头和工作台处的图像像素RGB值,往往呈现一个区域性,落在该区域的像素点RGB值要比区域外的RGB值大,由该区域判断出激光光头和工作台的大致范围,并将该范围标定为初始扫描范围,这样在正式进行监测时,可以减少像素点的计算量。
S13:摄取激光加工装置处于堆积过程中的激光光头和工作台之间的工作图像。由于激光堆积过程中激光光头和工作台之间存在相对移动,因此图像摄取单元进行图像摄取的过程实质是一个持续拍摄的过程。进一步的,通过安装在图像摄取单元上的定时器,设定拍摄工作图像的时间间隔,这个时间间隔可以选定匹配激光光头位移的步长量,这样在一个步长位移的停顿周期上容易产生的激光光头和工作台之间的间距变化就能被同步的摄取到,从而有利于控制单元及时的对激光光头作出调节。另外在这个时间间隔内,还可以作为后续图像处理单元和计算单元进行图像处理和计算的时间。
S14:对该工作图像进行像素化处理,并在所述扫描位置参数范围内分别扫描出激光光头和工作台的像素位置。这里的图像处理跟第一步试堆积时的图像处理基本相同,区别点在于由于已经设定好扫描的大致范围,因此只要在图像处理时,针对该范围内的像素点进行RGB值的计算即可。比如要确定激光光头的像素位置,只要对上边界(Y1)、下边界(Y2),以及左边界(X1)和右边界(X2)的范围内的每个像素点,进行RGB值的计算即可。然后将RGB值最大的点定位为所述激光光头像素位置。同样对工作台进行确定,则只要计算上边界(Y3)、下边界(Y4),以及左边界(X1)和右边界(X2)的范围内每个像素点的RGB值即可,然后将RGB值最大的点定位为所述工作台的像素位置。
S15:将该像素位置换算成坐标位置,并依据该坐标位置计算得到激光光头和工作台之间的间距。通过计算单元对像素化之后的图像进行换算,比如按像素点为最小单位建立坐标轴,并计算出激光光头和工作台在坐标轴上的位置,然后通过坐标单位与实际尺寸之间的比例关系计算出这两者之间的间距。
S16:根据该间距调整该激光光头的位置。有了该间距之后可以判断当前情况下激光光头是否处于最佳的工作距离,如果不在最佳距离上,则通过控制单元控制安装在激光光头上的驱动电机,对激光光头的位置进行调节。这样一来就能根据图像摄取单元反馈过来的图像信息,实时监测激光光头的工作情况,使激光光头和工作台始终保持在一个恒定的间距上,从而保证加工工件的品质。
综上所述,本发明提出了一种激光加工装置及其监测方法,该激光加工装置中的监测装置利用图像摄取单元连续摄取激光堆积过程中,激光光头和工作台之间的图像,并通过图像处理计算出激光光头和工作台之间的间距,完成在线的实时监测并控制激光光头的工作位置,保证了加工工件的品质。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种激光加工装置,包括监测装置、激光光头、工作台和粉末喷嘴,其特征在于:所述监测装置包括:
图像摄取单元,摄取激光光头和工作台之间的图像;
图像处理单元,将所述图像摄取单元摄取到的图像进行像素化处理,并判断得到激光光头和工作台的像素位置;该像素位置的判断包括
1)摄取激光加工装置处于试堆积时的激光光头和工作台之间的初始图像;
2)对该初始图像进行像素化处理,并依据处理后的图像确定激光光头和工作台的扫描位置参数,该位置参数包括激光光头的上边界(Y1)、下边界(Y2);工作台的上边界(Y3)、下边界(Y4);以及左边界(X1)和右边界(X2);
3)摄取激光加工装置处于堆积过程中的激光光头和工作台之间的工作图像;
4)对该工作图像进行像素化处理,在所述激光光头的上边界(Y1)、下边界(Y2),以及左边界(X1)和右边界(X2)的范围内,计算每个像素点的RGB值,将RGB值最大的点定位为所述激光光头像素位置;在所述工作台的上边界(Y3)、下边界(Y4),以及左边界(X1)和右边界(X2)的范围内,计算每个像素点的RGB值,将RGB值最大的点定位为所述工作台的像素位置,
计算单元,将上述激光光头和工作台的像素位置转换成坐标位置,并得到激光光头和工作台之间的距离;以及
控制单元,根据上述激光光头和工作台之间的距离对激光光头进行调整。
2.如权利要求1所述的激光加工装置,其特征在于:所述图像摄取单元为电荷耦合元件。
3.如权利要求1所述的激光加工装置,其特征在于:所述图像摄取单元还包括定时器,该定时器控制图像摄取单元摄取图像的时间间隔。
4.一种激光加工装置的监测方法,使用如权利要求1所述监测装置,其特征在于包括步骤:
1)摄取激光加工装置处于试堆积时的激光光头和工作台之间的初始图像;
2)对该初始图像进行像素化处理,并依据处理后的图像确定激光光头和工作台的扫描位置参数;
3)摄取激光加工装置处于堆积过程中的激光光头和工作台之间的工作图像;
4)对该工作图像进行像素化处理,并在所述扫描位置参数范围内分别扫描出激光光头和工作台的像素位置;
5)将该像素位置换算成坐标位置,并依据该坐标位置计算得到激光光头和工作台之间的间距;
6)根据该间距调整该激光光头的位置,
所述步骤2)中的扫描位置参数包括激光光头的上边界(Y1)、下边界(Y2);工作台的上边界(Y3)、下边界(Y4);以及左边界(X1)和右边界(X2);
所述步骤4)中对工作图像进行像素化处理后,在所述激光光头的上边界(Y1)、下边界(Y2),以及左边界(X1)和右边界(X2)的范围内,计算每个像素点的RGB值,将RGB值最大的点定位为所述激光光头像素位置;在所述工作台的上边界(Y3)、下边界(Y4),以及左边界(X1)和右边界(X2)的范围内,计算每个像素点的RGB值,将RGB值最大的点定位为所述工作台的像素位置。
5.如权利要求4所述的监测方法,其特征在于:还包括设定摄取工作图像的时间间隔,并按该时间间隔在整个堆积过程中对所述工作图像进行连续摄取。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103741139B (zh) * 2014-01-22 2015-09-30 韶关学院 一种平面类金属零件激光快速熔覆装置及其熔覆方法
CN106068165B (zh) * 2014-03-18 2018-05-04 株式会社东芝 层叠造型装置以及层叠造型物的制造方法
WO2016123549A1 (en) * 2015-01-29 2016-08-04 Alcoa Inc. Systems and methods for modelling additively manufactured bodies
CN107745582B (zh) * 2017-11-06 2023-06-27 浙江工业大学 一种rgb三原色的激光彩色打标系统
CN111060016B (zh) * 2019-12-30 2021-08-13 西安赛隆金属材料有限责任公司 一种检测等离子弧火焰长度的装置及控制方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101694582B (zh) * 2001-11-17 2012-04-18 株式会社Insstek 实时监测和控制淀积高度的方法和系统
CN2535180Y (zh) * 2002-02-07 2003-02-12 武汉楚天激光(集团)股份有限公司 一种用于激光加工的同轴显示与定位测量的光学变倍装置
CN101553339B (zh) * 2006-11-04 2013-01-02 通快机床两合公司 用于在材料加工时监测过程的方法和装置

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