CN109164111A - 基于共享振镜slm在线激光缺陷检测装备及方法 - Google Patents

基于共享振镜slm在线激光缺陷检测装备及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于共享振镜SLM在线激光缺陷检测装备及方法，装备用于对打印设备进行在线缺陷检测，它包括能实现扫描范围全覆盖的激光超声发射系统以及激光超声接收系统，激光超声发射系统包括第一激光器、扩束镜、准直器以及用于保证扫描范围全覆盖增材制造打印层的第一振镜组件和平场聚焦镜，第一振镜组件为打印设备中的振镜组件。本发明振镜采用打印机自带的振镜系统，只需在打印激光器和检测激光器之间设置光路切换开关即可，检测系统可以省去发射系统中的振镜，不仅能有效降低设备的制造成本，还能免去打印机自带的振镜对检测系统需要的振镜造成的安装上的不便，不会带来多组振镜相互干涉的问题。

Description

基于共享振镜SLM在线激光缺陷检测装备及方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，特别涉及一种基于共享振镜SLM在线激光缺陷检测装备及方法。
背景技术
SLM技术以其尺寸精度高、表面粗糙度好和效率高等特点，而成为复杂薄壁结构以及异型空腔结构的金属增材制造的代表性技术。然后由于打印过程存在工艺点位多、工艺参数及环境氛围的长期稳定性难以得到保障，打印过程常出现气孔、裂纹、层间未熔合等各类缺陷。
以红外热像、CCD为代表的图像检测技术已应用于金属增材制造过程的监测，但是这些技术只能够检测表面缺陷，而对埋藏在层下的缺陷难以发现。以激光超声为代表的非接触式高频检测技术可以通过超声波检测材料内部缺陷，是应用到SLM在线检测的潜在手段。但是，如何开发具有高效扫查功能、快速检出层间缺陷的激光超声检测系统，是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以在不影响打印进程的条件下实现金属增材制造过程中打印层及层间缺陷的基于共享振镜SLM在线激光缺陷检测装备。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于共享振镜SLM在线激光缺陷检测装备，其用于对打印设备进行在线缺陷检测，它包括能实现扫描范围全覆盖的激光超声发射系统、激光超声接收系统以及光路切换开关，所述激光超声发射系统包括第一激光器、扩束镜、准直器以及用于保证扫描范围全覆盖增材制造打印层的第一振镜组件和平场聚焦镜，所述第一振镜组件为打印设备中的振镜组件中的一组，所述激光超声接收系统包括第二激光器、将激光分为参考光和信号光的分束镜和波片组件、接收激光信号并对信号进行采集分析的接收分析部。
优化的，所述第二激光器为连续激光器。
优化的，所述接收分析部包括接收组件、光折变晶体、光电转换器、数据采集卡以及与数据采集卡电连接的计算机。
优化的，所述接收组件为用于实现单通道和/或多通道接收的接收光纤部或第二振镜组件，实现单通道接收的所述接受光纤部为单根光纤，用于实现多通道接收的接受光纤部包括多根光纤，第二振镜组件打印设备中的振镜组件中的另一组振镜组件。
优化的，所述分束镜和波片组件包括多个分束镜和波片单元，每个所述分束镜和波片单元依次包括第一分束镜、第二分束镜、二分之一波片、偏转分束镜、四分之一波片，每个所述分束镜和波片单元对应一个接收组件。
进一步地，所述分束镜和波片单元共有n组，并依次为第1、2、3…n分束镜和波片单元，n为正整数，一个光折变晶体和一个光电转换器形成一个转换单元，转换单元有n个，依次为第1、2、3…n转换单元，其中第1分束镜和波片单元的第二分束镜与其偏转分束镜与第1转换单元电连接，以此类推。
优化的，所述计算机具有数据采集模块、动态成像模块、以及数据分析模块。
本发明还提供了一种基于共享振镜SLM在线激光缺陷检测方法，其包括以下步骤：
S1.在增材设备打印过程中，根据打印工件的三维切片软件获取打印层的几何形状；
S2.根据打印层的几何连续性，将打印层分为一个或多个连续区域，确定激光接收点数量，每一个连续区域设置一个接收点和接收通道；
S3.利用质心提取算法提取每个连续区域的质心点坐标；
S4.接收组件光路调整到到各个质心点，准备接收信号；
S5.当打印一层或多层完毕，在铺粉之前或同时，开启激光超声发射系统，对每个连续区域进行二维扫描，以激励超声波；
S6.同步触发接收组件，接收每个质心点的超声信号，并保存；
S7.基于互易原则对超声数据进行动态成像，获得每个连续区域的超声动态传播及与缺陷相互作用图像；
S8.对缺陷进行评定并反馈打印控制软件；
S8.如果未出现超标缺陷，则继续下一层打印。
优化的，质心提取算法包括：1）以0.1mm为间距离散工件切片图，得到x和y两个方向的像素数量分别为m和n；2）对切片图进行二值化处理，得到像素点的灰度值g(i,j)，位于切片边缘轮廓内部g(i,j)=1；位于轮廓外部g(i,j)=0；3）计算质心坐标公式为：
，。
优化的，基于互易原则的动态传播成像的步骤为：1）把每个激励点位置(x,y)发出的一维超声信号按照激励点坐标进行排布，从而构成三维数据矩阵A(x,y,t)；2)将矩阵A(x,y,t)的数据的行序号和列序号去取绘制二维图像，图像颜色对应矩阵数据值；3)指按照以矩阵A(x,y,t)的页序号作为时间变量，从相反方式播放二维图像，即获得点源传播动态图。
本发明的有益效果在于：本发明采用振镜扫描式激励方式，可以实现打印层的快速扫描激励；且振镜采用打印机自带的振镜系统，只需在打印激光器和检测激光器之间设置光路切换开关即可，检测系统可以省去发射系统中的振镜，不仅能有效降低设备的制造成本，还能免去打印机自带的振镜对检测系统需要的振镜造成的安装上的不便，不会带来多组振镜相互干涉的问题。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图（接收组件为多通道接收的接受光纤部）；
图2 为本发明的激光接收点布置示意图；
图3为本发明的激光扫描激励示意图；
图4 为本发明的缺陷分析示意图；
图5为本发明的结构示意图（接收组件为第二振镜组件）。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作以下详细描述：
基于共享振镜SLM在线激光缺陷检测装备用于对3D打印设备进行在线缺陷检测，其包括能实现扫描范围全覆盖的激光超声发射系统、激光超声接收系统以及光路切换开关。
如图1所示，激光超声发射系统包括脉冲激光器1、扩束镜2、准直器3以及用于保证扫描范围全覆盖增材制造打印层13的第一振镜组件4和平场聚焦镜5。调节振镜组件4和平场聚焦镜5的偏转角度和重复频率能保证扫描范围全覆盖打印层并且扫描精度能达到0.1mm。第一振镜组件4即为3D打印设备自带的振镜组件中的一组，脉冲激光器与3D打印设备的打印激光器并联，并通过光路转换器与准直器3相连，实现打印激光和激励激光的切换。
如图1所示，激光超声接收系统包括第二激光器、用于实现单通道和/或多通道接收以及将激光分为参考光和信号光的分束镜和波片组件、接收组件12、用于带动接收组件12动作的运动机构14、光折变晶体15、光电转换器16、数据采集卡17以及与数据采集卡17电连接的计算机18。第二激光器为连续激光器6。运动机构14布置在增材制造装备的气氛腔体内部。接收组件12为用于实现单通道和/或多通道接收的接收光纤部或第二振镜组件，当只需要实现单通道接收时，接受光纤部为单根光纤，当需要实现多通道接收时，接受光纤部包括多根光纤，如图5所示，当接收组件为第二振镜组件时，第二振镜组件为打印设备中的振镜组件中的另一组。
计算机18具有数据采集模块、动态成像模块、以及数据分析模块。
如图1所示，分束镜和波片组件包括多个分束镜和波片单元，每个分束镜和波片单元依次包括第一分束镜7、第二分束镜8、二分之一波片9、偏转分束镜10、四分之一波片11，第一分束镜7、二分之一波片9、偏转分束镜10和四分之一波片11用以实现多通道或单通道接收，第二分束镜8用于将连续激光器6发生的激光分为参考光和信号光，每个分束镜和波片单元分别对应一个接收组件12。分束镜和波片单元共有n组，并依次为第1、2、3…n分束镜和波片单元，n为正整数，一个光折变晶体和一个光电转换器形成一个转换单元，转换单元有n个，依次为第1、2、3…n转换单元，其中第1分束镜和波片单元的第二分束镜与其偏转分束镜与第1转换单元电连接，以此类推。
基于共享振镜SLM在线激光缺陷检测方法，其包括以下步骤：
S1.在增材设备打印过程中，根据打印工件的三维切片软件获取打印层的几何形状；
S2.根据打印层的几何连续性，将打印层分为一个或多个连续区域，确定激光接收点数量，每一个连续区域设置一个接收点和接收通道；
S3.利用质心提取算法提取每个连续区域的质心点坐标；
S4.开启运动机构，将接收组件移动到各个质心点，准备接收信号；
S5.当打印层打印完毕，在铺粉开启的同时，开启激光超声发射系统，对每个连续区域进行二维扫描，以激励超声波；
S6.开启多通道接收系统，接收每个扫描点的超声信号，并保存；
S7.基于互易原则对超声数据进行动态成像，获得每个连续区域的超声动态传播及与缺陷相互作用图像；
S8.对缺陷进行评定并反馈打印控制软件；
S8.如果未出现超标缺陷，则继续下一层打印。
质心提取算法包括：1）以0.1mm为间距离散工件切片图，得到x和y两个方向的像素数量分别为m和n；2）对切片图进行二值化处理，得到像素点的灰度值g(i,j)，位于切片边缘轮廓内部g(i,j)=1；位于轮廓外部g(i,j)=0；3）计算质心坐标公式为：
， 。
基于互易原则的动态传播成像的步骤为：1）把每个激励点位置(x,y)发出的一维超声信号按照激励点坐标进行排布，从而构成三维数据矩阵A(x,y,t)；2)将矩阵A(x,y,t)的数据的行序号和列序号去取绘制二维图像，图像颜色对应矩阵数据值；3)指按照以矩阵A(x,y,t)的页序号作为时间变量，从相反方式播放二维图像，即获得点源传播动态图。
实施例一
对于如图2所示的某打印部件复杂形成的切片，可以分为三个不连续区域，利用质心提取算法，依次获得三个区域的质心点坐标，利用运动机构，将接收组件移动到质心坐标处作为接收点；
激励激光从脉冲激光器发出，经过扩束镜和准直器进入第一振镜组件，经由第一振镜组件实现激光束在打印层表面的二维扫查激励，如图3所示，扫查步进为0.1mm；
激励的超声表面波沿着打印层表面和近表面传播，并在缺陷处产生散射，通过将采集到的超声数据经过数据采集卡导入计算机软件，基于互易原则得到波场动态传播图，当存在缺陷时，即会产生散射波场，如图4所示，通过叠合工件与缺陷源图像，可以快速判定缺陷位置。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于共享振镜SLM在线激光缺陷检测装备，其用于对打印设备进行在线缺陷检测，它包括能实现扫描范围全覆盖的激光超声发射系统、激光超声接收系统以及光路切换开关，其特征在于：所述激光超声发射系统包括第一激光器、扩束镜、准直器以及用于保证扫描范围全覆盖增材制造打印层的第一振镜组件和平场聚焦镜，所述第一振镜组件为打印设备中的振镜组件中的一组，所述激光超声接收系统包括第二激光器、将激光分为参考光和信号光的分束镜和波片组件、接收激光信号并对信号进行采集分析的接收分析部。
2.根据权利要求1所述的基于共享振镜SLM在线激光缺陷检测装备，其特征在于：所述第二激光器为连续激光器。
3.根据权利要求1所述的基于共享振镜SLM在线激光缺陷检测装备，其特征在于：所述接收分析部包括接收组件、光折变晶体、光电转换器、数据采集卡以及与数据采集卡电连接的计算机。
4.根据权利要求3所述的基于共享振镜SLM在线激光缺陷检测装备，其特征在于：所述接收组件为用于实现单通道和/或多通道接收的接收光纤部或第二振镜组件，实现单通道接收的所述接受光纤部为单根光纤，用于实现多通道接收的接受光纤部包括多根光纤，第二振镜组件打印设备中的振镜组件中的另一组振镜组件。
5.根据权利要求1所述的基于共享振镜SLM在线激光缺陷检测装备，其特征在于：所述分束镜和波片组件包括多个分束镜和波片单元，每个所述分束镜和波片单元依次包括第一分束镜、第二分束镜、二分之一波片、偏转分束镜、四分之一波片，每个所述分束镜和波片单元对应一个接收组件。
6.根据权利要求5所述的基于共享振镜SLM在线激光缺陷检测装备，其特征在于：所述分束镜和波片单元共有n组，并依次为第1、2、3…n分束镜和波片单元，n为正整数，一个光折变晶体和一个光电转换器形成一个转换单元，转换单元有n个，依次为第1、2、3…n转换单元，其中第1分束镜和波片单元的第二分束镜与其偏转分束镜与第1转换单元电连接，以此类推。
7.根据权利要求3所述的基于共享振镜SLM在线激光缺陷检测装备，其特征在于：所述计算机具有数据采集模块、动态成像模块、以及数据分析模块。
8.一种基于共享振镜SLM在线激光缺陷检测方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1.在增材设备打印过程中，根据打印工件的三维切片软件获取打印层的几何形状；
S2.根据打印层的几何连续性，将打印层分为一个或多个连续区域，确定激光接收点数量，每一个连续区域设置一个接收点和接收通道；
S3.利用质心提取算法提取每个连续区域的质心点坐标；
S4.接收组件光路调整到到各个质心点，准备接收信号；
S5.当打印一层或多层完毕，在铺粉之前或同时，开启激光超声发射系统，对每个连续区域进行二维扫描，以激励超声波；
S6.同步触发接收组件，接收每个质心点的超声信号，并保存；
S7.基于互易原则对超声数据进行动态成像，获得每个连续区域的超声动态传播及与缺陷相互作用图像；
S8.对缺陷进行评定并反馈打印控制软件；
S8.如果未出现超标缺陷，则继续下一层打印。
9.根据权利要求8所述基于共享振镜SLM在线激光缺陷检测方法，其特征在于，质心提取算法包括：1）以0.1mm为间距离散工件切片图，得到x和y两个方向的像素数量分别为m和n；2）对切片图进行二值化处理，得到像素点的灰度值g(i,j)，位于切片边缘轮廓内部g(i,j)=1；位于轮廓外部g(i,j)=0；3）计算质心坐标公式为：
，。
10.根据权利要求8所述基于共享振镜SLM在线激光缺陷检测方法，其特征在于，基于互易原则的动态传播成像的步骤为：1）把每个激励点位置(x,y)发出的一维超声信号按照激励点坐标进行排布，从而构成三维数据矩阵A(x,y,t)；2)将矩阵A(x,y,t)的数据的行序号和列序号去取绘制二维图像，图像颜色对应矩阵数据值；3)指按照以矩阵A(x,y,t)的页序号作为时间变量，从相反方式播放二维图像，即获得点源传播动态图。
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