CN107817047B - 一种多检测头分区检测的熔池光强检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多检测头分区检测的熔池光强检测装置，包括激光光源、工作平台、检测模块，所述激光光源位于工作平台正上方，所述工作平台用于承载待检测金属，工作平台表面待检测区域划分为若干面积相等且带有不同编号的正方形子区域，检测模块与正方形子区域数量相同且检测模块包括检测头，每一检测头位于工作平台上方且与其对应的一正方形子区域的中心连线平行于检测头轴线，每一检测头与其对应的正方形子区域的中心间的距离相等且连线与工作平台夹角相同；所述检测头接收熔池光并转化为数字信号后传输至外部运算系统。本发明可以实现实时精确的检测激光加工过程中的熔池光信号。
Description
技术领域
本发明设计一种激光加工制造监测技术，特别是一种多检测头分区检测的熔池光强检测装置。
背景技术
熔池光强检测是熔池监测的一种方法，通过检测材料熔化过程中的熔池光强可以实时反映出当前熔池的面积、温度等信息。但目前的光强检测装置无论是同轴设置还是离轴设置，光源与检测装置的相对距离和光线入射检测装置的角度都会影响检测结果，特别是熔池光源在高速移动且熔池面积很小时，在不同位置因为光源与检测装置的相对距离和入射角度的不同而引起的误差对检测结果影响很大。专利申请号为201310654910.7的发明专利“用于激光加工过程的熔池检测装置”用分光镜、透镜模块和采集控制系统组成熔池检测装置，熔池光路与激光光路位于同一轴线上，能通过透镜模块和采集控制系统随激光头实时检测熔池信息。国外应用于激光加工过程的商业化设备如EOS、CONCEPT LASER等也集成了熔池检测装置，可以实时检测熔池信息，但这些监测装置在检测不同的熔池位置的光信号时也都存在位置误差。本发明专利针对熔池光强检测误差问题，创新的采用分区检测方法，根据检测区域面积大小及检测精度要求量化计算检测头数量，给出了一种多检测头分区检测的熔池光强检测装置，提高检测精度。
所开发的熔池光强检测装置可用于激光熔化材料的加工环境下，以高能量密度的激光束作为热源，以很小的激光光斑作用于材料，进而形成较小的熔池，例如激光焊接、激光熔覆、选择性激光烧结、选区激光熔化等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多检测头分区检测的熔池光强检测装置，可以实现实时精确的检测激光加工过程中的熔池光信号。
一种多检测头分区检测的熔池光强检测装置，包括激光光源、工作平台、检测模块，所述激光光源位于工作平台正上方，所述工作平台用于承载待检测金属，工作平台表面待检测区域划分为若干面积相等且带有不同编号的正方形子区域，检测模块与正方形子区域数量相同且检测模块包括检测头，每一检测头位于工作平台上方且与其对应的一正方形子区域的中心连线平行于检测头轴线，每一检测头与其对应的正方形子区域的中心间的距离相等且连线与工作平台夹角相同；所述检测头接收熔池光并转化为数字信号后传输至外部运算系统。
采用上述装置，所述检测头通过三个转轴设置于工作平台上方，其中三个转轴间两两相互垂直。所述三个转轴分别为X转轴、Y转轴和Z转轴；其中X转轴与检测头通过检测头固定套连接，X转轴还设置于Y转轴的X转轴通孔内且与Y转轴转动连接，Y转轴与转轴模块转动连接，Z转轴设置于转轴模块的Z转轴通孔内且与转轴模块转动连接，Z转轴端部与外部固定架转动连接。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明采用普通检测装置所不具有的三轴可调的熔池光强检测装置，通过该检测装置可以精确的调整检测头相对工作平台待检测区域的位置和角度，既保证检测头正对工作平台上的待检测区域，又保证每个检测头和待检测区域的距离一致；(2)本发明采用了一种多检测头分区检测方法，保证在每个子区域内的任意位置有光入射到对应检测头时，将入射角度和入射距离产成的误差控制在一定的范围内，提高检测结果的准确度。
下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。
附图说明
图1是本发明总体结构示意图。
图2是本发明检测模块的主视图。
图3是本发明检测头剖面图。
图4是本发明检测电路示意图。
图5是本发明输出信号选择框图。
图6是本发明待检测区域划分图。
具体实施方式
结合图1，本发明提供了一种激光加工过程中的熔池光强检测装置，包括激光光源1、工作平台2、检测模块5。所述激光光源1位于工作平台2正上方，通过激光光束作用于工作平台2。所述工作平台2用于承载待检测金属，工作平台2表面待检测区域划分为若干面积相等且带有不同编号的正方形子区域。检测模块5与正方形子区域数量相同且检测模块5包括检测头A-1，可以接受来自工作平台2中待检测区域熔池的光辐射，每一检测头A-1位于工作平台2上方且与其对应的一正方形子区域的中心连线平行于检测头A-1轴线，每一检测头A-1与其对应的正方形子区域的中心间的距离相等且连线与工作平台2夹角相同。所述检测头接收熔池光并转化为数字信号后传输至外部运算系统。
结合图1和图2，所述检测头A-1通过三个转轴设置于工作平台2上方，其中三个转轴间两两相互垂直。所述三个转轴分别为X转轴、Y转轴和Z转轴；其中X转轴A-5与检测头A-1通过检测头固定套A-2连接，X转轴A-5还设置于Y转轴模组A-4的X转轴通孔内且与Y转轴模组A-4转动连接，Y转轴设置于Y转轴模组A-4与Z转轴模块A-8之间，Z转轴4设置于Z转轴模块A-8的Z转轴通孔内且与转轴模块A-8转动连接，Z转轴4端部与外部固定架转动连接。检测模块5的数量按检测区域面积和精度要求设置。所述A轴4安装在压板3的螺纹孔中，轴线与工作平台2上表面平行，所述压板3按需求固定。
Y转轴模组A-4上设置X轴调节旋钮A-3，用于固定转动至一角度后的X转轴A-5；Y转轴模组A-4上设置Y轴调节旋钮A-6，用于固定转动至一角度后的Y转轴A-4；Z转轴模块A-8上设置Z轴调节旋钮A-7，用于固定转动至一角度后的Z转轴4。
其中检测头固定套A-2沿X转轴A-5的旋转角度极限为360°，Y转轴模组A-4沿Y转轴旋转角度极限为180°，Z转轴模块沿Z转轴的旋转角度极限为360°。
结合图2和图3，本发明一种激光加工过程中的熔池光强检测装置的检测头包括检测头套筒B-1、检测电路板B-2、滤光片B-3、垫圈B-4、衰减片B-5。其中衰减片B-5安装在检测头套筒B-1内部底端，通过凸台卡住，所述检测头套筒B-1通过检测头固定套A-2固定；滤光片B-3安装在检测头套筒B-1内部，并通过垫圈B-4设置在衰减片B-5的上方；检测电路板B-2安装在检测头套筒B-1内部，并通过凸台设置在滤光片B-3的上方；上述检测头套筒B-1、检测电路板B-2、滤光片B-3、垫圈B-4、衰减片B-5均为同轴设置。
选择滤光片B-3可以透过熔池光的部分波段并过滤掉可见光和激光光源波段，避免可见光和激光光源影响检测结果；选择衰减片B-5可以将入射到检测头的熔池光强度衰减，衰减片的透过率由入射光的光强和检测电路板B-2的损伤阀值决定，保证检测电路板B-2中接受的熔池光功率不超过损伤阀值。检测前通过调节B轴调节旋钮A-3、转轴模组调节旋钮A-6、A轴调节旋钮A-7，精确的调整每个检测模块5中的检测头A-1相对工作平台2中待检测区域的位置和角度，保证所有检测头正对工作平台的待检测区域。检测过程中熔池光依次透过所述衰减片B-5、滤光片B-3进入检测电路板B-2，进而通过检测电路板B-2将光信号转化为电信号输出。
结合图4和图5，本发明一种激光加工过程中的熔池光强检测装置的光强检测电路，包括检测电路模块和输出选择模块两个部分。检测电路模块由光电二极管和光电二极管放大器组成，通过检测电路模块输出的电压信号与光强信号呈线性关系，在光电二极管放大器的阴极输入端和输出端之间并联一电阻和一电容；输出选择模块的输入信号是多个检测模块的输出电压，输出信号是多个检测模块中输出电压信号的最大值和产生该最大值的检测模块编号。
结合图1和图6，本发明一种激光加工过程中的熔池光强检测装置的多检测头分区检测方法，所述方法将工作平台2的待检测区域划分为若干面积相等的正方形子区域，并将正方形子区域进行编号，每个正方形子区域对应一个检测模块5，该检测模块的编号与对应正方形子区域的编号一致；正方形子区域的中心与对应检测模块中检测头的轴线重合，并且每个正方形子区域与对应检测模块5的距离和角度一致。
所述检测电路模块中的光电二极管为PIN型光电二极管，用于将光信号转化为电信号，在所测光的波长范围内有效；所述检测电路模块中的光电二极管放大器采用运算放大器电流-电压转换器，并根据熔池宽度和激光扫描速度选择合适的带宽，能保证获取充足的信号反映熔池状态。
本发明多检测头分区检测方法的区域划分过程如下：
(1)首先设置工作平台的待检测区域与检测头的距离；
(2)结合光电二极管检测电路对入射光角度的响应度与检测精度要求确定正方形子区域的面积；
(3)根据工作平台中待检测区域的面积得到所需检测模块的数量。
通过多检测头分区检测方法，能保证在每个子区域内的任意位置有光入射到对应检测头中的光电二极管时，因入射角度和入射距离不同在检测电路模块输出端形成的误差控制在一定的范围内；在整个工作平台的待检测区域任意位置有光时，通过输出选择模块可以保证总是当前熔池光位置所在正方形子区域对应的检测头中的光强检测电路的输出有效，并可以通过输出检测模块编号判断当前熔池光所在的位置区域。该多检测头分区检测方法消除了使用单个检测头时在不同位置处引入的入射角度和入射距离误差，提高检测结果的准确度。
Claims (4)
1.一种多检测头分区检测的熔池光强检测装置，包括激光光源（1）、工作平台（2）、检测模块（5），所述激光光源（1）位于工作平台（2）正上方，其特征在于，
所述工作平台（2）用于承载待检测金属，工作平台（2）表面待检测区域划分为若干面积相等且带有不同编号的正方形子区域，
检测模块（5）与正方形子区域数量相同且检测模块（5）包括检测头（A-1），每一检测头（A-1）位于工作平台（2）上方且与其对应的一正方形子区域的中心连线平行于检测头（A-1）轴线，每一检测头（A-1）与其对应的正方形子区域的中心间的距离相等且连线与工作平台（2）夹角相同；
所述检测头接收熔池光并转化为数字信号后传输至外部运算系统；
检测头（A-1）包括检测头套筒（B-1），以及设置于检测头套筒（B-1）中的检测电路板（B-2）、滤光片（B-3）、垫圈（B-4）、衰减片（B-5）；其中
检测电路板（B-2）接收熔池光并传输至外部处理系统，
检测电路板（B-2）前端设置滤光片（B-3），
滤光片（B-3）前端设置衰减片（B-5），
垫圈（B-4）置于光片（B-3）、衰减片（B-5）之间；
检测电路板（B-2）包括检测电路模块和输出选择模块；其中
检测电路模块由光电二极管和光电二极管放大器组成，用于将光信号转化为电信号，
输出选择模块的输入信号是多个检测模块的输出电压，输出信号是多个检测模块中输出电压信号的最大值和产生该最大值的检测模块编号。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测头（A-1）通过三个转轴设置于工作平台（2）上方，其中三个转轴间两两相互垂直。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述三个转轴分别为X转轴、Y转轴和Z转轴；其中
X转轴（A-5）与检测头（A-1）通过检测头固定套（A-2）连接，
X转轴（A-5）还设置于Y转轴模组（A-4）的X转轴通孔内且与Y转轴模组（A-4）转动连接，
Y转轴设置于Y转轴模组（A-4）与Z转轴模块（A-8）之间，
Z转轴（4）设置于Z转轴模块（A-8）的Z转轴通孔内且与转轴模块（A-8）转动连接，
Z转轴（4）端部与外部固定架转动连接。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，Y转轴模组（A-4）上设置X轴调节旋钮（A-3），用于固定转动至一角度后的X转轴（A-5）；
Y转轴模组（A-4）上设置Y轴调节旋钮（A-6），用于固定转动至一角度后的Y转轴（A-4）；
Z转轴模块（A-8）上设置Z轴调节旋钮（A-7），用于固定转动至一角度后的Z转轴（4）。
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