CN102825251B - 一种基于ccd视觉定位的复杂零件制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CCD视觉定位的复杂零件制造方法及其设备。该方法包括用机加工方法制造出零件外形较为简单的部分，用视觉定位系统定位好结合面的基准点，之后采用选区激光熔化方法制造出零件外形较为复杂的部分。该装置包括光纤激光器、光束聚焦系统、同轴视觉定位系统、照明装置、密封成型室、成型缸、粉末缸、铺粉刮板和控制系统等组成。本发明能制造出外形复杂的金属零件，效率高，成本低。

Description

一种基于CCD视觉定位的复杂零件制造方法

技术领域

本发明涉及激光加工设备，具体是一种基于CCD视觉定位的复杂零件制造方法及其设备。 

背景技术

目前用于加工金属零件的技术包括车床加工、铣床加工等传统机加工技术和包括激光熔覆、电子束选区激光熔化选择性激光烧结和选区激光熔化等新兴激光快速成型技术。其中选区激光熔化快速成型技术激光聚焦后具有细小的光斑，容易获得高密度、高的尺寸精度(达0.1mm)及良好的表面粗糙度(Ra30-50μm)的金属零件。 

机械加工是一种用加工机械对工件的外形尺寸或性能进行改变的过程。按被加工的工件处于的温度状态，分为冷加工和热加工。一般在常温下加工，并且不引起工件的化学或物相变化，称冷加工。一般在高于常温状态的加工，会引起工件的化学或物相变化，称热加工。冷加工按加工方式的差别可分为切削加工和压力加工。热加工常见有热处理、锻造、铸造和焊接。 

加工所需要的机械包括数显铣床、数显成型磨床、数显车床、电火花机、万能磨床、钻床、冲压机、压铸机等专用机械设备，此类机械擅长金属零件的车、铣、刨、磨等加工，可以加工各种不规则形状零件，加工精度可达2μm。 

选区激光熔化是一种目前较为先进的激光快速成型技术，它的基本原理是先在计算机上设计出零件的三维实体模型，然后通过专用软件对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，将这些数据导入快速成型设备， 设备将按照这些轮廓数据，控制激光束选择性地熔化各层的金属粉末材料，逐步堆叠成三维金属零件。 

选区激光熔化制造个性化零件的优势 

（1）个性化：适合各种复杂形状的零件，尤其适合带有非线性曲面的或者内部有复杂异型结构（如空腔）、用传统方法无法制造的个性化工件； 

（2）快速制造：直接制成终端金属零件，省掉中间过渡环节； 

（3）精度高：使用具有高功率密度的激光器，以光斑很小的激光束照射金属粉末，使得加工出来的个性化金属零件具有很高的尺寸精度（达0.1mm）以及好的表面粗糙度（Ra 30-50μm）； 

（4）致密度高：在选区内熔化金属制造出来的零件具有冶金结合的实体，相对致密度接近100%，力学性能甚至超过铸造件； 

（5）材料种类多：由于激光光斑直径很小，因此能以较低的功率熔化高熔点的金属，使得用单一成分的金属粉末来制造零件成为可能，而且可供选用的金属粉末种类也得到拓展。 

目前，很多尺寸较大的零件都是分为结构复杂的部分和结构简单的部分。 

这样的零件用传统机加工方法加工，外形复杂的部分难于成型，难于满足精度要求。若是用选区激光熔化方法加工的话，成型时间太长，耗材较大，成本很高，体现不出选区激光熔化快速成型的优势。 

发明内容

本发明的目的在于针对机加工和选区激光熔化两种方法各自存在的缺陷和不足，提供一种基于CCD视觉定位的复杂零件制造方法及其设备。 

本发明通过下述技术方案实现： 

一种基于CCD视觉定位的复杂金属零件制造设备，包括光纤激光器、光束聚焦系统、同轴视觉定位系统、粉末铺设系统； 

所述光束聚焦系统，包括扩束镜、扫描振镜和F-θ组合透镜； 

所述同轴视觉定位系统，包括镀膜反射镜片、CCD和照明装置； 

所述粉末铺设系统，包括成型缸、粉末缸、铺粉刮板、控制系统，所述成型缸和粉末缸设有粉末升降机构，铺粉刮板设置于成型缸和粉末缸的上方；所述成型缸、粉末缸和铺粉刮板置于密封成型室内；所述铺粉刮板、粉末升降机构与控制系统相连接； 

所述光纤激光器与光束聚焦系统相连接，并聚焦扫描于成型缸； 

所述照明装置分别安装在成型缸上部的两侧； 

所述同轴视觉定位系统、光纤激光器分别与控制系统相连接。 

所述铺粉刮板和粉末升降机构通过驱动电机与控制系统相连接。 

所述密封成型室内充装有惰性气体，惰性气体采用氩气或氮气中的一种。 

一种基于CCD视觉定位的复杂金属零件制造方法，包括如下步骤： 

首先用机加工方法加工出零件外形的简单部分，将零件固定在成型缸中，接着用CAD三维软件设计出零件外形的复杂部分，然后将三维模型进行切片，并利用软件生成扫描路径； 

然后通过同轴视觉定位系统对零件进行视觉定位，照明装置发射经过扩束后的照明激光，照射到零件外形的简单部分的表面；照明激光依次经过组合透镜、扫描振镜和镀膜反射镜片发射到CCD；CCD获取一帧零件结合面的图像，该零件结合面的图像经过量化处理后变为数字图像发送到控制系统中；接着利用定位软件开始对采集的该零件结合面的图像进行标定、定位数据分析，找出零件结合面的中心点，令待加工零件的第一层图像中心与获取 的零件结合面的图像中心相重合；接着检测并计算出这两个图像间错开的角度，沿着Z轴旋转切片数据，通过闭环控制，不断减小错开角度，获得所需的接合精度； 

用选区激光熔化方法加工零件外形复杂的部分，激光从光纤激光器中输出，经扩束镜扩束后，完全透过镀膜反射镜片，照射在扫描振镜表面，然后经过F-θ组合透镜聚焦，聚焦后的激光与成型缸金属粉末表面相作用，将零件堆叠成型。 

在选区激光熔化方法加工零件外形复杂的部分的过程中，为了增强零件的复杂部分与简单部分的结合面的强度，采用如下方法：（1）对基板进行预热，进行激光空扫描，使基板表层升到所需温度；（2）开始选区激光熔化加工之后，控制铺粉层厚（范围在10～30μm）；（3）对零件的结合面预先沟边、采取XY正交层错扫描策略和低速度扫描，提高结合强度。 

与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

1、使得大尺寸在500×500×300mm范围内的复杂金属零件的高效率制造成为可能，提高了生产效率。假如完全用机加工方法制造，则外形较为复杂零件难于成型；假如完全用选区激光熔化方法制造较大尺寸的零件，则需要花费较多的时间，效率低。 

2、降低了生产成本。完全利用选区激光熔化的方法制造大尺寸的简单形状零件，需要的成本较高。采用本发明的新制造方法可以极大地降低生产成本。 

3、采用临近波长的激光器和照明光源，可以降低CCD图像传感器识别出的加工平面位置和实际激光作用位置的误差，提高CCD同轴定位精度。 

4、本发明基于CCD视觉定位的复杂零件制造设备，结构简单，便于推 广应用。 

附图说明

图1是本发明基于CCD视觉定位的复杂零件制造设备的结构示意图。 

图2是视觉定位过程图。 

图3是零件成型效果图示意图。 

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。 

实施例 

如图1所示，本发明基于CCD视觉定位的复杂金属零件制造设备，包括光纤激光器1、光束聚焦系统、同轴视觉定位系统、粉末铺设系统； 

所述光束聚焦系统，包括扩束镜3、扫描振镜6和F-θ组合透镜7； 

所述同轴视觉定位系统，包括镀膜反射镜片5、CCD 4和照明装置8； 

所述粉末铺设系统，包括成型缸13、粉末缸14、铺粉刮板11、控制系统16，所述成型缸13和粉末缸14设有粉末升降机构15，铺粉刮板11设置于成型缸13和粉末缸14的上方；所述成型缸13、粉末缸14和铺粉刮板11置于密封成型室内（图中未示出）；所述铺粉刮板11、粉末升降机构15与控制系统16相连接； 

所述光纤激光器1与光束聚焦系统相连接，并聚焦扫描于成型缸13； 

所述照明装置8分别安装在成型缸13上部的两侧；照明装置8采用扩束后的激光照明，其出光平面最好斜交于成型缸13加工平面，呈“八字形”，照明激光与光纤激光波长相近。照明激光是人眼不可见激光，但CCD 4感光范围能达到红外波段，故能起到照明作用。 

所述同轴视觉定位系统、光纤激光器1分别与控制系统16相连接。 

所述铺粉刮板11和粉末升降机构15通过驱动电机与控制系统16相连接。 

所述密封成型室内充装有惰性气体，惰性气体为氩气或氮气中的一种。 

光纤激光器1采用输出功率400W，光束质量因子M2<1.1，波长1090nm的光纤激光器，采用连续模式，光束直径内能量呈现高斯分布。 

光纤激光器1的波长1090nm，照明装置8的光波长1070nm，采用临近波长的光纤激光器和照明装置8，可以降低CCD4的图像传感器识别出零件的加工平面位置和实际激光作用位置的误差，提高CCD4的同轴定位精度。 

CCD4选用日本生产的TG2Z1816—FCS型CCD摄像头，其主要优点是体积小、灵敏度高及分辨率高等。主要技术指标如下：镜头焦距为1.8~3.6mm；镜头像面为4.9mm×3.7mm；有效像素为510(水平)×492(垂直)；目标距离为0.2～1m；其中反射镜片45°角摆放，通过镀膜实现照明光45°全反，激光45°全透。 

扫描振镜6采用scanlab公司的Hurryscan20型号，入射光孔径为20mm。F-θ组合透镜7的焦距f＝400mm，扫描范围约300×300mm。 

以下结合图2、图3说明基于CCD视觉定位的复杂金属零件制造方法： 

第一步：首先用机加工方法加工出零件外形的简单部分10，将零件固定在成型缸13中，接着用CAD三维软件设计出零件外形的复杂部分，然后将三维模型进行切片，并利用软件生成扫描路径； 

然后通过同轴视觉定位系统对零件进行视觉定位，照明装置8发射经过扩束后的照明激光9，照射到零件外形的简单部分10的表面；照明激光9依次经过组合透镜7、扫描振镜6和镀膜反射镜片5（角度为45°）发射到CCD4；CCD4获取一帧零件结合面17的图像，该零件结合面17的图像经过量化处理后变为数字图像发送到控制系统16中；接着利用定位软件开始对采集的该零件结合面17的图像进行标定、定位数据分析，找出零件结合面17的中心点19，令待加工零件的第一层图像18中心与获取的零件结合面17的图像中心相重合；接着检测并计算出这两个图像间错开的角度20，沿着Z轴旋转 切片数据，通过闭环控制，不断减小错开角度20，获得所需的接合精度； 

第二步：用选区激光熔化方法加工零件外形复杂的部分24，激光2从光纤激光器1中输出，经扩束镜3扩束后，完全透过镀膜反射镜片5，照射在扫描振镜6表面，然后经过F-θ组合透镜7聚焦，聚焦后的激光与成型缸13金属粉末表面相作用，将零件堆叠成型。 

在选区激光熔化方法加工零件外形复杂的部分的过程中，为了增强零件的复杂部分与简单部分的结合面的强度，采用如下方法：（1）对基板进行预热，进行激光空扫描，使基板表层升到所需温度；（2）开始选区激光熔化加工之后，控制铺粉层厚，控制范围在10～30μm；（3）对零件的结合面预先沟边、采取XY正交层错扫描策略和低速度扫描，提高结合强度。 

上述工艺也适用于不同的材料进行结合，以下的异种金属较容易结合：钢与Al及Al合金，钢与cu及cu合金，Al与cu等。 

金属粉末12可采用不锈钢、钛合金和工具钢的粉末材料，粉末粒子尺寸在5μm－30微米之间。 

如上所述，便可较好地实现本发明。 

上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (2)

1.一种基于CCD视觉定位的复杂金属零件制造方法，其特征在于包括如下步骤：

首先用机加工方法加工出零件外形的简单部分，将零件固定在成型缸中，接着用CAD三维软件设计出零件外形的复杂部分，然后将三维模型进行切片，并利用软件生成扫描路径；

然后通过同轴视觉定位系统对零件进行视觉定位，照明装置发射经过扩束后的照明激光，照射到零件外形的简单部分的表面；照明激光依次经过组合透镜、扫描振镜和镀膜反射镜片发射到CCD；CCD获取一帧零件结合面的图像，该零件结合面的图像经过量化处理后变为数字图像发送到控制系统中；接着利用定位软件开始对采集的该零件结合面的图像进行标定、定位数据分析，找出零件结合面的中心点，令待加工零件的第一层图像中心与获取的零件结合面的图像中心相重合；接着检测并计算出这两个图像间错开的角度，沿着Z轴旋转切片数据，通过闭环控制，不断减小错开角度，获得所需的接合精度；

用选区激光熔化方法加工零件外形复杂的部分，激光从光纤激光器中输出，经扩束镜扩束后，完全透过镀膜反射镜片，照射在扫描振镜表面，然后经过F-θ组合透镜聚焦，聚焦后的激光与成型缸金属粉末表面相作用，将零件堆叠成型。

2.根据权利要求1所述的基于CCD视觉定位的复杂金属零件制造方法，其特征在于，在选区激光熔化方法加工零件外形复杂的部分的过程中，为了增强零件的复杂部分与简单部分的结合面的强度，采用如下方法：（1）对基板进行预热，进行激光空扫描，使基板表层升到所需温度；（2）开始选区激光熔化加工之后，控制铺粉层厚；（3）对零件的结合面预先沟边、采取XY正交层错扫描策略和低速度扫描，提高结合强度。

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