CN109099836A - 一种扫描精度在线监控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种扫描精度在线监控方法，其包括以下步骤：S1、采集烧结所产生的可见光信号形成光斑原始图像，并对光斑图像进行处理获得激光光斑可计算图像信息；S2、计算出光斑所在位置的极坐标值A(ρ,θ)；S3、将光斑的极坐标值A(ρ,θ)转化为2维笛卡尔坐标系坐标A(x,y)；S4、将计算得到坐标值A(x,y)与当前扫描设定位置A’(x’,y’)做比较，实时得到当前光路系统几何偏差△A(△x,△y)，并通过控制单元实时矫正光路部件，以保证加工零件的几何精度；S5、再次利用系统进行检测，证实几何精度偏差得到纠正，形成闭环控制。本发明可以实时在线准确的矫正光路系统的几何精度。

Description

一种扫描精度在线监控系统及方法

技术领域

本发明专利涉及金属3D打印、SLM工艺及设备，具体涉及一种扫描精度在线监控系统及方法。

背景技术

SLM(激光选区熔化)是一种利用光学透镜和光学反射镜把激光光束调整、汇聚到粉末床预定位置，将金属粉末熔化成实体，逐层堆积，并最终形成零件的加工办法。在加工过程中，光学透镜和光学反射镜将不可避免的受到激光光束的加热，并产生变形。

变形后，激光光束的折射及反射路径也会发生变化，最终汇聚到粉平面时，位置与设想就会产生偏差，加工成型的零件的尺寸就会发生相应的改变。这对于以加工精度高、零件形状复杂为最大优势的SLM工艺，是巨大的影响。

光学镜片的受热变形，受到加工时间、零件尺寸、激光功率、设备其他部件状态、环境温度等诸多不可控因素共同制约，无法做到提前预测及矫正。

目前SLM工艺中使用到的几何精度矫正方法，包括以下几种：

离线几何精度矫正：在设备非加工时间，使用扫描标准图形的方法，测量误差，并矫正光学部件的几何精度。

旁轴在线几何精度在线矫正：在设备的其他部位加装高速相机，逐层拍摄零件截面，并进行几何矫正。

现有的SLM工艺几何精度矫正方法中，离线几何精度矫正只能确保设备在非工作状态下，即光路系统在室温条件下时的几何精度，对于因设备运行，光学部件受热变形引起的几何误差没有矫正手段。旁轴在线几何精度在线矫正，需要在设备内加装多个相机，且每加工一层后对零件截面进行拍照，图像信息精度受到材料种类、零件形状复杂程度的影响，矫正效果有限。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种扫描精度在线监控系统及方法，针对现存矫正手段的缺陷，设计了同轴光路几何在线矫正的方法，可以实时在线准确的矫正光路系统的几何精度。

具体地，本发明提供一种扫描精度在线监控方法，其包括以下步骤：

S1、采集烧结所产生的可见光信号形成光斑原始图像，并对光斑图像进行处理获得激光光斑可计算图像信息；

S2、计算出光斑所在位置的极坐标值A(ρ,θ)；

S3、将光斑的极坐标值A(ρ,θ)转化为2维笛卡尔坐标系坐标A(x,y)；

x＝ρ·cosθ；

y＝ρ·sinθ；

S4、将计算得到坐标值A(x,y)与当前扫描设定位置A’(x’,y’)做比较，实时得到当前光路系统几何偏差△A(△x,△y)，并通过控制单元实时矫正光路部件，以保证加工零件的几何精度；

其中△x＝x’-x；

△y＝y’-y；

S5、再次利用系统进行检测，重复步骤S1-S4，证实几何精度偏差得到纠正，形成闭环控制。

优选地，步骤S1的图像处理包括降噪、调整亮度、清除激光输出功率的影响、清除扫描方向的影响以及清除保护气流的影响。

优选地，图像处理具体包括以下步骤：

①在加工区域的中心及四角位置，使用不同功率、不同扫描方向的标准试块进行加工实验，并记录标准光斑图样，对比分析不同功率时光斑扩大尺寸、不同扫描角度时光斑拉伸方向和拉伸长度、以及气流方向对光斑形状的拉伸；

②在实际检测过程中，消除以上影响。

优选地，S2中当激光光斑照射在粉平面不同的位置时，红绿两个色斑将沿相应的方向被拉长，从红绿色斑拉长的方向和变形的长度，能够计算出光斑所在位置的极坐标值A(ρ,θ)，

其中：

ρ＝a+b·(ρ_绿-ρ_红)；

θ＝c+d·θ_绿；

式中，a、b、c、d为与设备相关的常数，ρ_绿、ρ_红、θ_绿为红绿色斑在图像信息中的测量极坐标值。

本发明提供一种扫描精度在线监控系统，其包括同轴光斑观测系统、图像分析系统、光斑位置计算单元以及控制单元；

所述同轴光斑观测系统包括分光装置和高速相机，所述分光装置和高速相机安装在SLM设备原有的光路系统中，所述高速相机能够采集烧结所产生的可见光信号形成光斑图像，所述图像分析系统用于对高速相机采集的光斑图像进行处理获得激光光斑，

所述控制单元将光斑的极坐标值A(ρ,θ)转化为2维笛卡尔坐标系坐标A(x,y)，并与当前扫描设定位置A’(x’,y’)做比较，实时得到当前光路系统几何偏差△A(△x,△y)，并通过控制单元实时矫正光路部件，以保证加工零件的几何精度。

优选地，处理后激光光斑的图像主要由红、绿两个色斑组成，当激光光斑照射在粉平面不同的位置时，红绿两个色斑将沿相应的方向被拉长，从红绿色斑拉长的方向和变形的长度，光斑位置计算单元能够计算出光斑所在位置的极坐标值A(ρ,θ)。

优选地，ρ＝a+b·(ρ_绿-ρ_红)；

θ＝c+d·θ_绿；

式中，a、b、c、d为与设备相关的常数，ρ_绿、ρ_红、θ_绿为红绿色斑在图像信息中的测量极坐标值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明与现有的SLM工艺几何精度矫正方法相比，本发明的优点是可以实时调整设备激光光斑位置偏差，矫正精度高，不受其他条件影响。

本发明的控制单元将光斑的极坐标值转化为2维笛卡尔坐标系坐标，并与当前扫描设定位置做比较，实时得到当前光路系统几何偏差，并通过控制单元实时矫正光路部件，以保证加工零件的几何精度。整个监控系统形成一个闭环控制，控制单元能够实时矫正光路部件，避免光路系统出现偏差，提高了打印加工零件的精度。

附图说明

图1为本发明的工作流程示意图；

图2为本发明的结构示意框图；

图3为本发明的光路系统的结构示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明提供一种扫描精度在线监控方法，如图1所示，其包括以下步骤：

S1、采集烧结所产生的可见光信号形成光斑原始图像，并对光斑图像进行处理获得激光光斑可计算图像信息；

S2、计算出光斑所在位置的极坐标值A(ρ,θ)；

S3、将光斑的极坐标值A(ρ,θ)转化为2维笛卡尔坐标系坐标A(x,y)；

x＝ρ·cosθ；

y＝ρ·sinθ；

S4、将计算得到坐标值A(x,y)与当前扫描设定位置A’(x’,y’)做比较，实时得到当前光路系统几何偏差△A(△x,△y)，并通过控制单元实时矫正光路部件，以保证加工零件的几何精度；

其中△x＝x’-x；

△y＝y’-y；

S5、再次利用系统进行检测，重复步骤S1-S4，证实几何精度偏差得到纠正，形成闭环控制。

优选地，步骤S1的图像处理包括降噪、调整亮度、清除激光输出功率的影响、清除扫描方向的影响以及清除保护气流的影响。

优选地，图像处理具体包括以下步骤：

①在加工区域的中心及四角位置，使用不同功率、不同扫描方向的标准试块进行加工实验，并记录标准光斑图样，对比分析不同功率时光斑扩大尺寸、不同扫描角度时光斑拉伸方向和拉伸长度、以及气流方向对光斑形状的拉伸；

②在实际检测过程中，消除以上影响。

优选地，S2中当激光光斑照射在粉平面不同的位置时，红绿两个色斑将沿相应的方向被拉长，从红绿色斑拉长的方向和变形的长度，能够计算出光斑所在位置的极坐标值A(ρ,θ)，

其中：

ρ＝a+b·(ρ_绿-ρ_红)；

θ＝c+d·θ_绿；

式中，a、b、c、d为与设备相关的常数，ρ_绿、ρ_红、θ_绿为红绿色斑在图像信息中的测量极坐标值。

本发明提供一种扫描精度在线监控系统，如图2所示，其包括同轴光斑观测系统10、图像分析系统20、光斑位置计算单元30以及控制单元40。

所述同轴光斑观测系统包括分光装置8和高速相机5，分光装置8和高速相机5安装在SLM设备原有的光路系统中，高速相机5能够采集烧结所产生的可见光信号形成光斑图像，所述图像分析系统用于对高速相机采集的光斑图像进行处理获得激光光斑。

本发明中选用的分光装置可以透过一定波长的激光光束，不影响激光加工的正常过程。并反射其他波长的光线，使得返回的光信号没有回到激光器，而是从分光器反射至高速相机。高速相机在加工过程中全程进行高速拍摄，将返回的光信号数据化，传给计算机。

如图3所示，SLM设备原有的光路系统包括激光器6、准直镜7、粉平面3、设置在粉平面3上的场镜2以及扫描器1，激光器6产生的激光光束9经过准直镜7、扫描器1、场镜2后，射向粉平面3，并返回光信号4。

控制单元40将光斑的极坐标值A(ρ,θ)转化为2维笛卡尔坐标系坐标A(x,y)，其中

x＝ρ·cosθ；

y＝ρ·sinθ；

并与当前扫描设定位置A’(x’,y’)做比较，实时得到当前光路系统几何偏差△A(△x,△y)，并通过控制单元实时矫正光路部件，以保证加工零件的几何精度，

其中△x＝x’-x；

△y＝y’-y；

基于上述监测与控制，整个监控系统形成一个闭环控制，控制单元能够实时矫正光路部件，避免光路系统出现偏差，提高了打印加工零件的精度。

其可以实时调整设备激光光斑位置偏差，矫正精度高，不受其他条件影响，分光装置8和高速相机5安装在SLM设备原有的光路系统中，不需要单独进行安装，结构简单，不增加额外的经济成本，同时也不增加光路系统的控制难度，只需要控制单元对原有光路系统进行控制即可，根据监测结果自动形成闭环控制，矫正精度非常高，打破了本领域的行业壁垒，取得了非常良好的效果，增加了三维打印的精度以及成品率，从而间接节约了人力物力及经济成本，对环境的保护也大有裨益。

优选地，处理后激光光斑的图像主要由红、绿两个色斑组成，当激光光斑照射在粉平面不同的位置时，红绿两个色斑将沿相应的方向被拉长，从红绿色斑拉长的方向和变形的长度，光斑位置计算单元能够计算出光斑所在位置的极坐标值A(ρ,θ)。

具体实施例

打印加工零件XX，加工时间长，最终加工零件尺寸精度下降，某一尺寸公差为120mm±0.10mm，加工零件测量尺寸为120mm±0.15mm，最终成品率只有50％。

经过检查，发现零件变形的原因是长时间加工后，光路元器件受热变形，定位精度发生下降。加工过程中不能停机检修，而且加工周期有限，不能够大量加工后选择合格产品交货。

使用扫描精度在线监控系统后，设备精度实时监测并控制，零件尺寸精度得到保障，加工零件测量尺寸为120mm±0.07mm，零件整体成品率上升到95％。按时完成加工，并交货。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

与现有的SLM工艺几何精度矫正方法相比，本发明的优点是可以实时调整设备激光光斑位置偏差，矫正精度高，不受其他条件影响。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种扫描精度在线监控方法，其特征在于：其包括以下步骤：

S1、采集烧结所产生的可见光信号形成光斑原始图像，并对光斑图像进行处理获得激光光斑可计算图像信息；

S2、计算出光斑所在位置的极坐标值A(ρ,θ)；

S3、将光斑的极坐标值A(ρ,θ)转化为2维笛卡尔坐标系坐标A(x,y)；

x＝ρ·cosθ；

y＝ρ·sinθ；

S4、将计算得到坐标值A(x,y)与当前扫描设定位置A’(x’,y’)做比较，实时得到当前光路系统几何偏差△A(△x,△y)，并通过控制单元实时矫正光路部件，以保证加工零件的几何精度；

其中△x＝x’-x；

△y＝y’-y；

S5、再次利用监控系统进行检测，重复步骤S1-S4，直到几何精度偏差得到纠正，形成闭环控制。

2.根据权利要求1所述的扫描精度在线监控方法，其特征在于：步骤S1的图像处理包括降噪、调整亮度、清除激光输出功率的影响、清除扫描方向的影响以及清除保护气流的影响。

3.根据权利要求2所述的扫描精度在线监控方法，其特征在于：图像处理具体包括以下步骤：

①在加工区域的中心及四角位置，使用不同功率、不同扫描方向的标准试块进行加工实验，并记录标准光斑图样，对比分析不同功率时光斑扩大尺寸、不同扫描角度时光斑拉伸方向和拉伸长度以及气流方向对光斑形状的拉伸；

②在实际检测过程中，在相同的方向以相同的比例压缩光斑图像，使之回到实际形状，消除步骤①的影响。

4.根据权利要求1所述的扫描精度在线监控方法，其特征在于：S2中当激光光斑照射在粉平面不同的位置时，红绿两个色斑将沿相应的方向被拉长，从红绿色斑拉长的方向和变形的长度，能够计算出光斑所在位置的极坐标值A(ρ,θ)，

其中：

ρ＝a+b·(ρ_绿-ρ_红)；

θ＝c+d·θ_绿；

式中，a、b、c、d为与设备相关的常数，ρ_绿、ρ_红、θ_绿为红绿色斑在图像信息中的测量极坐标值。

5.一种扫描精度在线监控系统，其特征在于：其包括同轴光斑观测系统、图像分析系统、光斑位置计算单元以及控制单元；

所述同轴光斑观测系统包括分光装置和高速相机，所述分光装置和高速相机安装在SLM设备原有的光路系统中，所述高速相机能够采集烧结所产生的可见光信号形成光斑图像，所述图像分析系统用于对高速相机采集的光斑图像进行处理获得激光光斑，

所述控制单元将光斑的极坐标值A(ρ,θ)转化为2维笛卡尔坐标系坐标A(x,y)，并与当前扫描设定位置A’(x’,y’)做比较，实时得到当前光路系统几何偏差△A(△x,△y)，并通过控制单元实时矫正光路部件，以保证加工零件的几何精度。

6.根据权利要求5所述的扫描精度在线监控系统，其特征在于：处理后激光光斑的图像主要由红、绿两个色斑组成，当激光光斑照射在粉平面不同的位置时，红绿两个色斑将沿相应的方向被拉长，从红绿色斑拉长的方向和变形的长度，光斑位置计算单元能够计算出光斑所在位置的极坐标值A(ρ,θ)。

7.根据权利要求5所述的扫描精度在线监控系统，其特征在于：其中

ρ＝a+b·(ρ_绿-ρ_红)；

θ＝c+d·θ_绿；

式中，a、b、c、d为与设备相关的常数，ρ_绿、ρ_红、θ_绿为红绿色斑在图像信息中的测量极坐标值。