CN106984813A - 一种激光选区熔化加工过程同轴监测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光选区熔化加工过程同轴监测方法及装置；包括光路模块、光电二极管模块、二极管控制器、激光头、COMS高速摄像机、摄像机控制器、计算机。光路模块的扫描振镜控制激光束选择性地熔化工作台基板上金属粉末，在激光选区熔化过程中将熔池辐射反射入COMS高速摄像机3和光电二极管；COMS高速摄像机和光电二极管模用于处理熔池辐射数据，转化为图像信息传至对应控制器；摄像机控制器用于处理图像数据，转化为反馈信息控制激光器；二极管控制器对光信号进行处理，免受外界电磁场干扰,适合于采集；在激光选区熔化过程中结合使用COMS高速摄像机和光电二极管的同轴监测方法有利于获得高的局部分辨率和快速扫描率。

Description

一种激光选区熔化加工过程同轴监测方法及装置
技术领域
本发明涉及激光选区熔化实时监控，尤其涉及一种激光选区熔化加工过程同轴监测方法及装置。
背景技术
激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术是一种能直接成型高致密、高精属零件的3D打印技术，其工作原理为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。激光束开始扫描前，铺粉装置先把金属粉末平推到加工室的基板上，然后激光束将按当前层的轮廓信息选择性地熔化基板上的粉末，加工出当前层的轮廓,如此层层加工,直到整个零件成型完毕。
在整个激光选区熔化成型过程中，零件的成型质量受到扫描速度、扫描间距、加工层厚、扫描路径、光斑补偿、激光功率与密度等多重因素的影响。因此，在如此复杂的工艺下，要想获得高质量的成型件，必须对激光选区熔化成型过程中的一系列关键参数进行监控。质量保证和过程监控便成为3D打印技术从模型加工水平提升到一流车间制造水平的必要手段。激光选区熔化的熔池包含有丰富的质量信息,直接决定了零件的成型质量，因此对熔池进行质量监控，着重于熔池形态、熔池亮度等特征。质量监控解决的主要问题是3D打印设备或激光与材料的相互作用所具有的多变性，因为后者会反过来扰乱金属的微观结构或宏观力学性能。
20世纪80年代末以来，研究人员针对侧向送粉激光熔覆的熔池进行了检测，采用侧向安装的单个光电二极管将整个熔池的辐射光强转化为电压信号来检测熔池；也有的国内学者采用侧装的双色波长红外测温计，对侧向送粉整个熔池的温度进行了检测。这类传统的轴外检验有一个较低的分辨率和检出率，且无法将熔池描述的更精细。
鉴于现有技术存在的不足，本发明提出一种在激光选区熔化过程中结合高速摄像机和光电二极管的同轴监测方法，逐层监控3D金属的熔融过程。同轴实时监控装置基于在同一平面上分布的高速摄像机和光电二极管两个探测器，二者与激光器共用同一套光学系统，通过激光光学与精确定位实现同轴监测，这种方式有利于获得高的局部分辨率和快速扫描率。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，本发明提出一种激光选区熔化加工过程同轴监测方法及装置，即在激光选区熔化过程中结合高速摄像机和光电二极管的同轴监测，逐层监控3D金属的熔融过程。本发明同轴监测是基于在同一平面上分布的高速摄像机和光电二极管两个探测器，二者与激光器共用同一套光学系统，通过激光光学与精确定位实现同轴监测，这种方式有利于获得高的局部分辨率和快速扫描率。
本发明通过下述技术方案实现：
一种激光选区熔化加工过程同轴监测装置，包括光路模块1、光电二极管模块5、二极管控制器6、激光头2、COMS高速摄像机3、摄像机控制器4、计算机7；
所述光电二极管模块5包括聚焦透镜9和光电二极管8；光电二极管8通过二极管控制器6电讯连接计算机7；COMS高速摄像机3通过摄像机控制器4电讯连接计算机7；
所述光路模块1包括扫描振镜11、半透半反镜12、第一滤光片13、第二滤光片14、分束镜15；所述扫描振镜11、半透半反镜12、分束镜15、第二滤光片14、聚焦透镜9、光电二极管8依次光路连接；COMS高速摄像机3通过第一滤光片13与分束镜15光路连接；激光头2与半透半反镜12光路连接。
所述摄像机控制器4包括图像采集模块41、图像转换模块42、图像滤波模块43、阈值分割模块44、数据传输模块45；
图像采集模块41，用于控制所述COMS高速摄像机3采集所述熔池的实时图像数据，并保存于内存中；
图像转换模块42，将反馈至COMS高速摄像机3的彩色图像显示成灰度图像，并建立其坐标系；
图像滤波模块43，利用中值滤波器模板对灰度图像进行滤波以平滑图像、去除噪音；
阈值分割模块44，利用灰度直方图，选取直方图的阈值作为最小值，根据阈值对图像进行二值化处理，分割为熔池像素点和非熔池像素点；
数据传输模块45，将处理得到的图像输出至计算机7并保存。
所述二极管控制器6光采集模块61、程控放大器62、低通滤波器63、AD采集卡64、数据传输模块65；
光采集模块61，用于控制光电二极管8采集熔池的可见光信号；
程控放大器62，程控放大器62根据输入信号的大小，自动改变其增益，使其输出电压始终保持在满量程值的范围之内；
低通滤波器63，由于输出信号中含有高频噪声，利用低通滤波器63抑制高频噪声；
AD采集卡64，用来采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能够识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要进行相应的计算和处理，得出所需的数据；
数据传输模块65，将处理得到的数据输出至计算机7并保存。
所述COMS高速摄像机3像素分辨率不低于1024×1024，在全分辨率的条件下可达到75帧/秒；整体快门最短曝光时间为1us；120dB的大动态范围；光谱范围400-950nm，8位采样分辨率。熔池形态特征通过CMOS高速摄像机3来监控测量。熔池亮度特征通过光电二极管模块5监控测量。
所述光电二极管8为Si光电二极管，其具有9×9mm有效面积，单个Si光电二极管感光面积为3×3mm，具有190-1100nm的光谱范围，聚焦透镜9将整个熔池发射的辐射聚焦在Si光电二极管平面上。
所述第一滤光片13和第二滤光片14用于滤出所需的熔池采集波段；其中，第一滤光片13位于COMS高速摄像机3和分束镜15之间，采用了中心波长处于600～650nm范围内的窄带滤光片，以保证COMS高速摄像机3的光谱灵敏度；第二滤光片14位于光电二极管8和分束镜15之间，采用具有截至波长为950nm的低通滤光片和具有截至波长为780nm的高通滤光片的组合，以避免传感器暴露于可能的反射激光辐射，并且排除周围光线的影响。
一种激光选区熔化加工过程同轴监测方法，其包括如下步骤：
S1：开始进行激光选区熔化零件成型；激光从激光头2射出，经半透半反镜12反射进入扫描振镜11，再投射到工作台10基板表面金属粉末上，实现金属粉末的激光选区熔化作业；
S2：在激光选区熔化作业过程中，熔池辐射经过扫描振镜11投射到半透半反镜12，半透半反镜12将100％反射1064nm激光波长，而让可见光和近红外光100％透射至分束镜15；分束镜15将30％的发射辐射偏转到光电二极管模块5，70％偏转到COMS高速摄像机3；
S3：将第一滤光片13安放在COMS摄像机3和分束镜15之间的光传输路径上，以提高COMS高速摄像机3的光谱灵敏度；将第二滤光片14安方在光电二极管8和分束镜15之间的光传输路径上，避免光电二极管8暴露于可能的反射激光辐射，以排除周围光线的影响；
S4：COMS高速摄像机3将熔池辐射信息转化为图像信息并传输至摄像机控制器4；
光电二极管模块5将熔池亮度反馈至二极管控制器6；
摄像机控制器4根据图像信息得到熔池轮廓，并传输至计算机7保存；
二极管控制器6向计算机7实时传输光强的数字信号；
S5：通过计算机7对激光参数进行修改，进而提升激光选区熔化设备成型的稳定性和加工件质量，实现激光选区熔化过程的闭环控制。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
(1)本发明在激光选区熔化加工过程，同轴监测通过比较熔池面积和熔池亮度，这样的信号比较直观并且打印过程完成后在三维模型上立即进行评估，用户可以根据位置追溯每个零件的打印过程。在打印过程中零件内部产生的影响可以更好的检测并分析。
(2)本发明同轴监测是基于在同一平面上分布的高速摄像机和光电二极管两个探测器，二者与激光器共用同一套光学系统，通过激光光学与精确定位实现同轴监测，这种方式有利于获得高的局部分辨率和快速扫描率。传统的轴外监测有一个较低的分辨率和检出率，不能够把熔池描述的更精细。同轴监测装置具有高的局部分辨率和快速扫描速率，监控识别熔池的面积和熔池的亮度，可用于识别对应的过程控制。
附图说明
图1为本发明激光选区熔化加工过程同轴监测装置结构示意图；
图中，光路上的线条表示：实线表示激光辐射路径，虚线表示熔池辐射路径，箭头方向为辐射方向路径。
图2为本发明激光选区熔化加工过程同轴监测装置电气方框示意图。
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、2所示。本发明公开了一种激光选区熔化加工过程同轴监测装置，包括光路模块1、光电二极管模块5、二极管控制器6、激光头2、COMS高速摄像机3、摄像机控制器4、计算机7；
所述光电二极管模块5包括聚焦透镜9和光电二极管8；光电二极管8通过二极管控制器6电讯连接计算机7；COMS高速摄像机3通过摄像机控制器4电讯连接计算机7；
所述光路模块1包括扫描振镜11、半透半反镜12、第一滤光片13、第二滤光片14、分束镜15；所述扫描振镜11、半透半反镜12、分束镜15、第二滤光片14、聚焦透镜9、光电二极管8依次光路连接；COMS高速摄像机3通过第一滤光片13与分束镜15光路连接；激光头2与半透半反镜12光路连接。
所述摄像机控制器4包括图像采集模块41、图像转换模块42、图像滤波模块43、阈值分割模块44、数据传输模块45；
图像采集模块41，使用触发采集系统来确保两个控制器同时采样，使用逻辑“与”将产生采样频率的连续方波的外部振荡器信号和控制激光功率的开关信号组合，用于控制所述COMS高速摄像机3采集所述熔池的实时图像数据，并保存于内存中；
图像转换模块42，将反馈至COMS高速摄像机3的彩色图像显示成灰度图像，并建立其坐标系；
图像滤波模块43，利用中值滤波器模板对灰度图像进行滤波以平滑图像、去除噪音；
阈值分割模块44，利用灰度直方图，选取直方图的阈值作为最小值，根据阈值对图像进行二值化处理，分割为熔池像素点和非熔池像素点；
数据传输模块45，将处理得到的图像输出至计算机7并保存。
所述二极管控制器6光采集模块61、程控放大器62、低通滤波器63、AD采集卡64、数据传输模块65；
光采集模块61，使用触发采集系统来确保两个控制器同时采样，使用逻辑“与”将产生采样频率的连续方波的外部振荡器信号和控制激光功率的开关信号组合，用于控制光电二极管8采集熔池的可见光信号；
程控放大器62，程控放大器62根据输入信号的大小，自动改变其增益，使其输出电压始终保持在(接近)满量程值的范围之内；
低通滤波器63，由于输出信号中含有高频噪声，利用低通滤波器63抑制高频噪声；
AD采集卡64，用来采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能够识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要进行相应的计算和处理，得出所需的数据；
数据传输模块65，将处理得到的数据输出至计算机7并保存。
所述COMS高速摄像机3像素分辨率不低于1024×1024，在全分辨率的条件下可达到75帧/秒；整体快门最短曝光时间为1us；120dB的大动态范围；光谱范围400-950nm，8位采样分辨率。
所述光电二极管8为Si光电二极管，其具有9×9mm有效面积，单个Si光电二极管感光面积为3×3mm，具有190-1100nm的光谱范围，聚焦透镜9将整个熔池发射的辐射聚焦在Si光电二极管平面上。
所述第一滤光片13和第二滤光片14用于滤出所需的熔池采集波段；其中，第一滤光片13位于COMS高速摄像机3和分束镜15之间，采用了中心波长处于600～650nm范围内的窄带滤光片，以保证COMS高速摄像机3(较高)的光谱灵敏度；第二滤光片14位于光电二极管8和分束镜15之间，采用具有截至波长为950nm的低通滤光片和具有截至波长为780nm的高通滤光片的组合，以避免传感器暴露于可能的反射激光辐射，并且排除周围光线的影响。
本发明激光选区熔化加工过程同轴监测方法，可通过如下步骤实现：
S1：开始进行激光选区熔化零件成型；激光从激光头2射出，经半透半反镜12反射进入扫描振镜11，再投射到工作台10基板表面金属粉末上，实现金属粉末的激光选区熔化作业；
S2：在激光选区熔化作业过程中，熔池辐射经过扫描振镜11投射到半透半反镜12，半透半反镜12将100％反射1064nm激光波长，而让可见光和近红外光100％透射至分束镜15；分束镜15将30％的发射辐射偏转到光电二极管模块5，70％偏转到COMS高速摄像机3；
S3：将第一滤光片13安放在COMS摄像机3和分束镜15之间的光传输路径上，以提高COMS高速摄像机3的光谱灵敏度；将第二滤光片14安方在光电二极管8和分束镜15之间的光传输路径上，避免光电二极管8暴露于可能的反射激光辐射，以排除周围光线的影响；
S4：COMS高速摄像机3将熔池辐射信息转化为图像信息并传输至摄像机控制器4；
光电二极管模块5将熔池亮度反馈至二极管控制器6；
摄像机控制器4根据图像信息得到熔池轮廓，并传输至计算机7保存；
二极管控制器6向计算机7实时传输光强的数字信号；
S5：通过计算机7对激光参数进行修改，进而提升激光选区熔化设备成型的稳定性和加工件质量，实现激光选区熔化过程的闭环控制。
如上所述，便可较好地实现本发明。
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 (7)

1.一种激光选区熔化加工过程同轴监测装置，其特征在于：包括光路模块(1)、光电二极管模块(5)、二极管控制器(6)、激光头(2)、COMS高速摄像机(3)、摄像机控制器(4)、计算机(7)；
所述光电二极管模块(5)包括聚焦透镜(9)和光电二极管(8)；光电二极管(8)通过二极管控制器(6)电讯连接计算机(7)；COMS高速摄像机(3)通过摄像机控制器(4)电讯连接计算机(7)；
所述光路模块(1)包括扫描振镜(11)、半透半反镜(12)、第一滤光片(13)、第二滤光片(14)、分束镜(15)；所述扫描振镜(11)、半透半反镜(12)、分束镜(15)、第二滤光片(14)、聚焦透镜(9)、光电二极管(8)依次光路连接；COMS高速摄像机(3)通过第一滤光片(13)与分束镜(15)光路连接；激光头(2)与半透半反镜(12)光路连接。
2.根据权利要求1所述激光选区熔化加工过程同轴监测装置，其特征在于：所述摄像机控制器(4)包括图像采集模块(41)、图像转换模块(42)、图像滤波模块(43)、阈值分割模块(44)、数据传输模块(45)；
图像采集模块(41)，用于控制所述COMS高速摄像机(3)采集所述熔池的实时图像数据，并保存于内存中；
图像转换模块(42)，将反馈至COMS高速摄像机(3)的彩色图像显示成灰度图像，并建立其坐标系；
图像滤波模块(43)，利用中值滤波器模板对灰度图像进行滤波以平滑图像、去除噪音；
阈值分割模块(44)，利用灰度直方图，选取直方图的阈值作为最小值，根据阈值对图像进行二值化处理，分割为熔池像素点和非熔池像素点；
数据传输模块(45)，将处理得到的图像输出至计算机(7)并保存。
3.根据权利要求1所述激光选区熔化加工过程同轴监测装置，其特征在于：所述二极管控制器(6)光采集模块(61)、程控放大器(62)、低通滤波器(63)、AD采集卡(64)、数据传输模块(65)；
光采集模块(61)，用于控制光电二极管(8)采集熔池的可见光信号；
程控放大器(62)，程控放大器(62)根据输入信号的大小，自动改变其增益，使其输出电压始终保持在满量程值的范围之内；
低通滤波器(63)，由于输出信号中含有高频噪声，利用低通滤波器(63)抑制高频噪声；
AD采集卡(64)，用来采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能够识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要进行相应的计算和处理，得出所需的数据；
数据传输模块(65)，将处理得到的数据输出至计算机(7)并保存。
4.根据权利要求1至3中任一项所述激光选区熔化加工过程同轴监测装置，其特征在于：所述COMS高速摄像机(3)像素分辨率不低于1024×1024，在全分辨率的条件下可达到75帧/秒；整体快门最短曝光时间为1us；120dB的大动态范围；光谱范围400-950nm，8位采样分辨率。
5.根据权利要求4所述激光选区熔化加工过程同轴监测装置，其特征在于：所述光电二极管(8)为Si光电二极管，其具有9×9mm有效面积，单个Si光电二极管感光面积为3×3mm，具有190-1100nm的光谱范围，聚焦透镜(9)将整个熔池发射的辐射聚焦在Si光电二极管平面上。
6.根据权利要求4所述激光选区熔化加工过程同轴监测装置，其特征在于：所述第一滤光片(13)和第二滤光片(14)用于滤出所需的熔池采集波段；其中，第一滤光片(13)位于COMS高速摄像机(3)和分束镜(15)之间，采用了中心波长处于600～650nm范围内的窄带滤光片，以保证COMS高速摄像机(3)的光谱灵敏度；第二滤光片(14)位于光电二极管(8)和分束镜(15)之间，采用具有截至波长为950nm的低通滤光片和具有截至波长为780nm的高通滤光片的组合，以避免传感器暴露于可能的反射激光辐射，并且排除周围光线的影响。
7.一种激光选区熔化加工过程同轴监测方法，其特征在于采用权利要求1至6中任一项所述激光选区熔化加工过程同轴监测装置实现，其包括如下步骤：
S1：开始进行激光选区熔化零件成型；激光从激光头(2)射出，经半透半反镜(12)反射进入扫描振镜(11)，再投射到工作台10基板表面金属粉末上，实现金属粉末的激光选区熔化作业；
S2：在激光选区熔化作业过程中，熔池辐射经过扫描振镜(11)投射到半透半反镜(12)，半透半反镜(12)将100％反射1064nm激光波长，而让可见光和近红外光100％透射至分束镜(15)；分束镜(15)将30％的发射辐射偏转到光电二极管模块(5)，70％偏转到COMS高速摄像机(3)；
S3：将第一滤光片(13)安放在COMS摄像机3和分束镜(15)之间的光传输路径上，以提高COMS高速摄像机(3)的光谱灵敏度；将第二滤光片(14)安方在光电二极管(8)和分束镜(15)之间的光传输路径上，避免光电二极管(8)暴露于可能的反射激光辐射，以排除周围光线的影响；
S4：COMS高速摄像机(3)将熔池辐射信息转化为图像信息并传输至摄像机控制器(4)；
光电二极管模块(5)将熔池亮度反馈至二极管控制器(6)；
摄像机控制器(4)根据图像信息得到熔池轮廓，并传输至计算机(7)保存；
二极管控制器(6)向计算机(7)实时传输光强的数字信号；
S5：通过计算机(7)对激光参数进行修改，进而提升激光选区熔化设备成型的稳定性和加工件质量，实现激光选区熔化过程的闭环控制。
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