CN109396657B - 用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法 - Google Patents

用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法 Download PDF

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Abstract

本发明的用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法，其具体包括如下步骤：确定单扫描器的扫描范围，以及确定多个扫描器的扫描范围，绘制单扫描器与多扫描器所需要的多特征点图像；将绘制的第一图像导入多激光设备对第一种硬纸板进行蚀刻，通过二维影像装置进行刻蚀后的数据读取，将理论值与测量值对比得到相应矫正表，依次对多扫描器逐个单独进行矫正，最终再将多扫描器进行拼接读取数据矫正，最终得到多扫描器拼接矫正结果。本发明的方法可大大提高多扫描器的拼接矫正的精度，对于多激光设备烧结的零件拼接区性能大大提高。

Description

用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法
技术领域
本发明涉及选择性激光熔化与烧结技术领域，更为具体地涉及一种用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法。
背景技术
随着选择性激光熔化与烧结增材制造设备不断革新，市场对此设备的加工尺寸与加工效率要求不断增高，选择性激光熔化与烧结增材制造设备现在正向着大尺寸、高效率方向发展，而多扫描多激光的设备是保证大尺寸、高效率的必要选择，为了保证多扫描器之间的拼接零件的精度与性能，对于多扫描器的拼接精度要求比较高，因此提高多扫描器之间的拼接精度是多扫描多激光增材设备的主要解决难题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种用于增材料制造设备的多激光矫正与拼接方法，本发明能够大大提高多扫描器的拼接矫正的精度，使多激光设备烧结的零件拼接区对性能得到大幅提高。
本发明的技术方案如下：
一种用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法，其包括如下步骤：
S1：确定单个扫描器的扫描范围，以及确定多个扫描器的扫描范围；
S2：按照第一预设间隔绘制第一图像，所述第一图像中包括多个实心圆，形成第一组实心圆，所述第一组实心圆具有多个圆心，预先设定第一组实心圆中的一个实心圆的圆心作为理论中心坐标原点，将第一图像进行平移，调整第一图像的位置，使所述理论中心坐标原点与单个扫描器的振镜中心重合；
第一组实心圆的排布尺寸在单个扫描器的扫描范围内；
S3：按照第二预设间隔绘制第二图像，所述第二图像中包括多个实心圆，形成第二组实心圆，所述第二组实心圆具有多个圆心；
第二组实心圆的排布尺寸在多个扫描器组合的扫描范围内；
S4：设置单个扫描器扫描范围的第一硬纸板；设置多个扫描器扫描范围的第二硬纸板；
S5：将第一硬纸板设置在多激光设备的第一扫描器的正下方，第一硬纸板的上表面与增材制造设备预先设定的烧结平面重合，以便于粘贴平整；
S6：将第一图像导入校正设备的控制器，通过所述控制器按照第一图像图形对第一硬纸板进行蚀刻；
S7：将蚀刻后的第一硬纸板取出，放置在二维影像装置中读取各个圆的圆心，并设置实际中心坐标原点，所述实际中心坐标原点与理论中心坐标原点重合；
S8：对二维影像装置所读取的数据，与理论数据进行对比，得到了第一扫描器的矫正文件，完成第一扫描器的矫正，若矫正精度大于30μm，则需要重复矫正，直至矫正精度降到30μm以下；
S9：重复S5至S8步骤，分别对第二扫描器、第三扫描器以及第四扫描器进行矫正，分别得到第二扫描器的矫正文件、第三扫描器的矫正文件以及第四扫描器的矫正文件，完成对第二扫描器、第三扫描器和第四扫描器的矫正；
在对第二扫描器、第三扫描器和第四扫描器的矫正过程中，若矫正精度大于30μm，则需要重复矫正，直至矫正精度降到30μm；
S10：按照第二图像对第二硬纸板进行蚀刻，对各个扫描器进行矫正。
优选地，S2中第一组实心圆中的多个实心圆的图像为等比例绘制；且S4中所述第一硬纸板的数量为四个，其分别对应四个扫描器的扫描范围；所述第二硬纸板的数量为一个，其对应多个扫描器的扫描范围。
优选地，将蚀刻后的第一硬纸板取出，放置在二维影像装置的移动板上，移动板沿着相互垂直的第一移动方向和第二移动方向进行移动，带动第一硬纸板移动，通过二维影像装置的读数头进行数据读取。
优选地，S10中的具体步骤如下：
(a)将所得四个扫描器的矫正文件导入多激光设备的控制器内；
(b)将第二图像导入多激光设备的控制器内；
(c)将第二硬纸板放置在多个扫描器的正下方，第二硬纸板的上表面与增材制造设备设定的烧结平面重合，粘贴平整；
(d)通过控制器控制多扫描器对第二硬纸板进行蚀刻；
(e)将蚀刻后的第二硬纸板取出，放置在二维影像装置上进行读取各个实心圆的圆心；
(f)固定第一扫描器，计算得到第二扫描器、第三扫描器和第四扫描器的图像相对于第一扫描器的图像的角度，以及第二扫描器、第三扫描器和第四扫描器的中心与第一扫描器的中心的之间的距离；
(g)按照(f)步骤中得到的角度与距离，控制第二扫描器、第三扫描器和第四扫描器分别进行平移与旋转，使第二扫描器、第三扫描器以及第四扫描器的图像与第一扫描器的图像平行，第二扫描器、第三扫描器以及第四扫描器的图像中心与第一扫描器的图像的中心的实际距离分别与第二扫描器、第三扫描器以及第四扫描器的图像的中心与第一扫描器的图像的中心的理论距离相等，即各扫描器的图像的实际的中心与各扫描器的图像的理论中心重合；
(h)重复(b)～(g)步骤，将得到的坐标数据进行矫正，矫正精度小于60μm则四扫描器矫正完成；矫正精度大于60μm则需继续重复(b)～(g)步骤。
优选地，所述第一图像和/或所述第二图像可以为实心圆、圆环以及十字线。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法，其采用多激光设备平台与二维影像装置、硬纸板；其中多激光设备平台装有多个扫描器，多激光设备平台上还包括控制器，所述控制器与各扫描器以及激光设备相连，绘制扫描器矫正用的图像，将所绘制的图像导入至多激光设备平台的控制器内，对硬纸板进行激光蚀刻，通过二维影像仪读取被测物的物理尺寸，优选地，物理尺寸包括长、宽、高、直径、坐标、测量值与理论值的误差；通过对理论值与测量值对比得到相应的矫正表，依次对多扫描器逐个单独进行矫正，将多扫描器进行拼接，读取数据矫正，得到高精度的多扫描器拼接矫正。本发明的用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法，与传统校正方法相比，本发明采用较多特征点进行矫正、扫描器原点可通过矫正更改、矫正范围可任意选取；高精度二维影像仪为市场标准设备、精度高、自动识别数据、自动生产坐标数据；二维影像仪读取特征点数据、将实际所测得特征点数据与所设定的特征点数据对比矫正，得到的矫正精度更加精准；同时此矫正方法不需要反复进行矫正，即可得到精准的矫正精度。此方法对于软件开发难度低，操作简单，最重要的一点是可对多激光拼接精度矫正大大提高。
附图说明
以下结合附图对本发明进行详细描述。
图1是根据本发明的用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法的第一图像的示意图；
图2是根据本发明的用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法的第二图像的示意图；
图3是根据本发明的用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法中单扫描器扫描范围和多扫描器扫描范围以及拼接区域的示意图；
图4是根据本发明的用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法中第一图像理论中心坐标原点的示意图；
图5是根据本发明的用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法的扫描器与激光器和矫正平面的示意图；
图6是根据本发明的用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法的二维影像装置的结构示意图；
图7是根据本发明的用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法的二维影像装置设定原点的工作原理图；
图8是根据本发明的用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法中第二硬纸板蚀刻的蚀刻图像的示意图；
图9A是根据本发明的用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法中图像为实心圆的示意图；
图9B是根据本发明的用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法中图像为圆环的示意图；
图9C是根据本发明的用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法中图像为十字线的示意图；以及
图10是根据本发明的用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法的流程图。
具体实施方式
本发明以四扫描器控制激光扫描为例，对本发明的用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法进行详细描述，如图1至图9C所示。其中扫描器2包括第一扫描器、第二扫描器、第三扫描器和第四扫描器，如图3所示；激光器3包括第一激光器、第二激光器、第三激光器和第四激光器，得到拼接区域C。
具体地，根据本发明实施例的用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法，其包括如下步骤：
S1：确定单个扫描器的扫描范围A，以及确定多个扫描器的扫描范围B，如图3所示；
S2：按照第一预设间隔绘制第一图像，如图1所示，第一图像中包括多个实心圆，形成第一组实心圆，第一组实心圆具有多个圆心，预先设定第一组实心圆中的一个实心圆的圆心作为理论中心坐标原点1，如图4所示，将第一图像进行平移，调整第一图像的位置，使理论中心坐标原点1与单个扫描器的振镜中心重合；
优选地，第一组实心圆的排布尺寸不得超过单个扫描器的扫描范围。
S3：按照第二预设间隔绘制第二图像，如图2所示，第二图像中包括多个实心圆，形成第二组实心圆，第二组实心圆具有多个圆心；
优选地，第二组实心圆的排布尺寸不得超过多个扫描器组合的扫描范围。
S4：设置单个扫描器扫描范围的第一硬纸板4；设置多个扫描器扫描范围的第二硬纸板；
S5：将第一硬纸板4设置在多激光设备的第一扫描器的正下方，第一硬纸板的上表面与增材制造设备预先设定的烧结平面5重合，以便于粘贴平整，如图5所示；
S6：将第一图像导入校正设备的控制器，通过控制器按照第一图像图形对第一硬纸板4进行蚀刻；
S7：将蚀刻后的第一硬纸板取出，放置在二维影像装置中读取各个圆的圆心，并设置实际中心坐标原点8，实际中心坐标原点8与理论中心坐标原点1重合；
S8：对二维影像装置所读取的数据，例如，坐标数据，与理论数据进行对比，得到了第一扫描器的矫正文件，完成第一扫描器的矫正，若矫正精度大于30μm，则需要重复矫正，直至矫正精度降到30μm以下；
S9：重复S5至S8步骤，分别对第二扫描器、第三扫描器以及第四扫描器进行矫正，分别得到第二扫描器的矫正文件、第三扫描器的矫正文件以及第四扫描器的矫正文件，完成对第二扫描器、第三扫描器和第四扫描器的矫正；
优选地，在对第二扫描器、第三扫描器和第四扫描器的矫正过程中，若矫正精度大于30μm，则需要重复矫正，直至矫正精度降到30μm。
优选地，S2中第一组实心圆中的多个实心圆的图像为等比例绘制。
优选地，S4中第一硬纸板的数量为四个，其分别对应四个扫描器的扫描范围；优选地，第二硬纸板的数量为一个，其对应多个扫描器的扫描范围。
优选地，将蚀刻后的第一硬纸板4取出，放置在二维影像装置的移动板7上，移动板沿着相互垂直的第一移动方向X和第二移动方向Y进行移动，带动第一硬纸板4移动，通过二维影像装置的读数头6进行数据读取，如图6和图7中所示。
S10:按照第二图像对第二硬纸板进行蚀刻，对各个扫描器进行矫正。
优选地，S10中的具体步骤如下：
(a)将所得四个扫描器的矫正文件导入多激光设备的控制器内；
(b)将第二图像导入多激光设备的控制器内；
(c)将第二硬纸板放置在多个扫描器的正下方，第二硬纸板的上表面与设备设定的烧结平面重合，粘贴平整；
(d)通过控制器控制多扫描器多激光器对第二硬纸板进行蚀刻，蚀刻结果如图8所示；
(e)将蚀刻后的第二硬纸板取出，放置在二维影像装置上进行读取各个实心圆的圆心，例如，圆心的坐标数据；
(f)固定第一扫描器，计算得到第二扫描器、第三扫描器和第四扫描器的图像相对于第一扫描器的图像的角度，以及第二扫描器、第三扫描器和第四扫描器的中心与第一扫描器的中心的之间的距离；
(g)按照(f)步骤中得到的角度与距离，控制第二扫描器、第三扫描器和第四扫描器分别进行平移与旋转，使第二扫描器、第三扫描器以及第四扫描器的图像与第一扫描器的图像平行，第二扫描器、第三扫描器以及第四扫描器的图像中心与第一扫描器的图像的中心的实际距离分别与第二扫描器、第三扫描器以及第四扫描器的图像的中心与第一扫描器的图像的中心的理论距离相等，即各扫描器的图像的实际的中心与各扫描器的图像的理论中心重合；
(h)再重复步骤(b)至步骤(g)，将得到的坐标数据进行矫正，矫正精度小于60μm则四扫描器矫正完成；矫正精度大于60微米则需继续重复(b)～(g)步骤。
优选地，(f)步骤中可以固定第一扫描器、第二扫描器、第三扫描器和第四扫描器中任意一个扫描器，计算得到其他三个扫描器的图像相对于所固定的扫描器的图像的角度，以及其他三个扫描器的中心与所固定的扫描器的中心之间的实际距离等于其他三个扫描器的中心与所固定的扫描器的中心之间的理论距离。
优选地，本发明的用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法中图像可以为实心圆、圆环以及十字线，分别如图9A、9B和9C所示。
优选的，激光器的工作参数为：激光功率：15～40W；扫描速度：1000mm/s～2000mm/s。
优选的，硬纸板应选择受激光蚀刻后，轮廓清晰的纸板，且要求硬纸板与平台贴合紧密。
优选的，蚀刻形状为圆，二维影像仪相对识别圆心精度高。
优选的，二维影像仪测量精度选择误差小于等于2+L/200μm的设备，对于矫正精度会更加精确。
优选的，单扫描器的矫正图像尺寸应大于实际需矫正设备单扫描器的扫描范围。
优选的，多扫描器的矫正图像尺寸应大于实际需矫正设备多扫描器的扫描范围。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。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 (5)

1.一种用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法，其特征在于，其包括如下步骤：
S1：确定单个扫描器的扫描范围，以及确定多个扫描器的扫描范围；
S2：按照第一预设间隔绘制第一图像，所述第一图像中包括多个实心圆，形成第一组实心圆，所述第一组实心圆具有多个圆心，预先设定第一组实心圆中的一个实心圆的圆心作为理论中心坐标原点，将第一图像进行平移，调整第一图像的位置，使所述理论中心坐标原点与单个扫描器的振镜中心重合；
第一组实心圆的排布尺寸在单个扫描器的扫描范围内；
S3：按照第二预设间隔绘制第二图像，所述第二图像中包括多个实心圆，形成第二组实心圆，所述第二组实心圆具有多个圆心；
第二组实心圆的排布尺寸在多个扫描器组合的扫描范围内；
S4：设置单个扫描器扫描范围的第一硬纸板；设置多个扫描器扫描范围的第二硬纸板；
S5：将第一硬纸板设置在多激光设备的第一扫描器的正下方，第一硬纸板的上表面与增材制造设备预先设定的烧结平面重合，以便于粘贴平整；
S6：将第一图像导入校正设备的控制器，通过所述控制器按照第一图像图形对第一硬纸板进行蚀刻；
S7：将蚀刻后的第一硬纸板取出，放置在二维影像装置中读取各个圆的圆心，并设置实际中心坐标原点，所述实际中心坐标原点与理论中心坐标原点重合；
S8：对二维影像装置所读取的数据，与理论数据进行对比，得到了第一扫描器的矫正文件，完成第一扫描器的矫正，若矫正精度大于30μm，则需要重复矫正，直至矫正精度降到30μm以下；
S9：重复S5至S8步骤，分别对第二扫描器、第三扫描器以及第四扫描器进行矫正，分别得到第二扫描器的矫正文件、第三扫描器的矫正文件以及第四扫描器的矫正文件，完成对第二扫描器、第三扫描器和第四扫描器的矫正；
在对第二扫描器、第三扫描器和第四扫描器的矫正过程中，若矫正精度大于30μm，则需要重复矫正，直至矫正精度降到30μm；
S10：按照第二图像对第二硬纸板进行蚀刻，对各个扫描器进行矫正。
2.如权利要求1所述的用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法，其特征在于，S2中第一组实心圆中的多个实心圆的图像为等比例绘制；且S4中所述第一硬纸板的数量为四个，其分别对应四个扫描器的扫描范围；所述第二硬纸板的数量为一个，其对应多个扫描器的扫描范围。
3.如权利要求2所述的用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法，其特征在于，将蚀刻后的第一硬纸板取出，放置在二维影像装置的移动板上，移动板沿着相互垂直的第一移动方向和第二移动方向进行移动，带动第一硬纸板移动，通过二维影像装置的读数头进行数据读取。
4.如权利要求3所述的用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法，其特征在于，S10中的具体步骤如下：
(a)将所得四个扫描器的矫正文件导入多激光设备的控制器内；
(b)将第二图像导入多激光设备的控制器内；
(c)将第二硬纸板放置在多个扫描器的正下方，第二硬纸板的上表面与增材制造设备设定的烧结平面重合，粘贴平整；
(d)通过控制器控制多扫描器对第二硬纸板进行蚀刻；
(e)将蚀刻后的第二硬纸板取出，放置在二维影像装置上进行读取各个实心圆的圆心；
(f)固定第一扫描器，计算得到第二扫描器、第三扫描器和第四扫描器的图像相对于第一扫描器的图像的角度，以及第二扫描器、第三扫描器和第四扫描器的中心与第一扫描器的中心的之间的距离；
(g)按照(f)步骤中得到的角度与距离，控制第二扫描器、第三扫描器和第四扫描器分别进行平移与旋转，使第二扫描器、第三扫描器以及第四扫描器的图像与第一扫描器的图像平行，第二扫描器、第三扫描器以及第四扫描器的图像中心与第一扫描器的图像的中心的实际距离分别与第二扫描器、第三扫描器以及第四扫描器的图像的中心与第一扫描器的图像的中心的理论距离相等，即各扫描器的图像的实际的中心与各扫描器的图像的理论中心重合；
(h)重复(b)～(g)步骤，将得到的坐标数据进行矫正，矫正精度小于60μm则四扫描器矫正完成；矫正精度大于60μm则需继续重复(b)～(g)步骤。
5.如权利要求1所述的用于增材制造设备的多激光矫正与拼接方法，其特征在于，所述第一图像和/或所述第二图像可以为实心圆、圆环以及十字线。
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