CN111069599B - 一种3d打印设备激光束能量在线监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种3D打印设备激光束能量在线监测装置，包括依次连接的激光光路系统、激光探测器和图像处理单元，图像处理单元还与激光光路系统连接；激光探测器设置于成型室内，成型室内还设置有夹持装置，夹持装置是用于夹持或移位激光探测器；激光光路系统用于输出激光光束、激光探测器用于捕获激光光斑图像、图像处理单元用于分析光斑图像信息，成型室底部还固定有Z轴。本发明公开了3D打印设备激光束能量的在线监测方法。本发明实现了在线监测功能，节约了人力成本，确保了测量精度，避免了人为操作误差带来的影响，保证了激光功率的一致性，更是减少了设备停机待检的情况。

Description

一种3D打印设备激光束能量在线监测装置及监测方法

技术领域

本发明属于增材加工装置技术领域，涉及一种3D打印设备激光束能量在线监测装置，还涉及一种3D打印设备激光束能量在线监测方法。

背景技术

金属三维打印机是快速成型的一种工艺，采用层层堆积的方式分层制造出三维模型，金属3D打印机是把金属粉末层通过激光烧结的方式实现层层堆积叠加形成的三维实体。随着3D打印技术的快速发展，3D打印机在产品制造业获得了广泛的应用。

金属3D打印设备多使用激光作为热源输出，融化金属粉末烧结成形。设备使用前，需要对3D打印设备的激光器进行调试，使激光产生的能量足以烧结金属粉末，并满足一定的质量要求。现有的激光能量调试方法一般是工作人员在现场通过激光检测设备手动调节，使用的仪器是激光功率测量仪。测试时，先将工作平台高度调节到焦平面位置，再将激光功率测试仪放置在工作平台上，利用红光将激光位置对准功率测量面中心，按照一定间隔的不同功率值进行测量，将实际测量值与理论功率值进行对比后，生成文件输入到系统中进行功率矫正。

目前，设备的激光功率矫正是通过人工进行调试，测试时间长，调试一台激光器大约需要一个小时，并且调试精度与人员操作相关性较大，调试效率较低。一般设备使用一个月需要验证一次激光的功率，验证过程和调试过程类似，设备需停机安装测试设备，耽误生产周期。若验证发现设备功率偏差较大，继续工作会影响零件成形质量，需要停机等待设备厂商进行调试服务，调试成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种3D打印设备激光束能量在线监测装置，保证了监测精度，提高了激光调试的效率，避免了人为操作的误差带来的影响。

本发明的目的是还在于提供一种3D打印设备激光束能量在线监测装置的监测方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，一种3D打印设备激光束能量在线监测装置，包括依次连接的激光光路系统、激光探测器和图像处理单元，图像处理单元还与激光光路系统连接；激光探测器设置于成型室内，成型室内还设置有夹持装置，夹持装置是用于夹持或移位激光探测器；激光光路系统用于输出激光光束、激光探测器用于捕获激光光斑图像、激光探测器还具有无线传输模块，传输数据能够在终端显示，图像处理单元用于分析光斑图像信息，成型室底部还固定有Z轴。

本发明的特点还在于，

激光探测器包括装在前端的吸热体、吸热体连接热电传感器、热电传感器连接信息处理器、信息处理器与图像处理单元连接；激光探测器还包括散热器，散热器将多余的热量散发，保护激光探测器。

激光光路系统包括激光扫描振镜，激光扫描振镜连接激光器，激光器连接图像处理单元；激光器发出的激光经过激光扫描振镜控制激光输出的路径。

图像处理单元包括依次相连的存储器、处理器和补偿器，存储器用于存储激光光斑能量信息；处理器用于分析光斑能量值及能量梯度信息，并作出判断，激光能量是否满足系统要求；补偿器根据处理器传入的分析数据，实时调节激光输入的能量。

成型室内设置有刮刀架，夹持装置固定在刮刀架上。

夹持装置包括驱动器、固定装置和抓取装置，固定装置固定安装在刮刀架上，驱动器的两侧连接有用于抓取动作的抓取装置；固定装置为连杆结构、用于X方向的固定；驱动器用于接收和发送驱动指令。

本发明所采用的第二种技术方案是，一种3D打印设备激光束能量在线监测方法，具体操作步骤如下：

3D打印设备正常工作时，激光探测器固定在成形室内的工作区域之外，

步骤1：当设备需要对激光进行能量监测时，打开激光器和激光扫描振镜，Z轴下降高度，保证焦平面与热电传感器检测面重合；

步骤2：刮刀架带动夹持装置与激光探测器相连，再将激光探测器移动至激光功率探测位置，准备测量，测量数据传输至图像处理单元，测量数据传输至图像处理单元，进行图像数据处理；若图像处理单元检测到光斑能量不满足系统要求，即时调节激光输入能量；

步骤3：激光探测工作结束时，关闭激光器和激光探测器，刮刀架移动、将激光探测器移动并固定至工作区域外。

本发明的特点还在于，

步骤2刮刀架带动夹持装置与激光探测器相连，再将激光探测器移动至激光功率探测位置的具体操作方法如下：

驱动器接收到激光探测器命令后，刮刀架带动夹持装置由刮刀架初始位置A移动至激光探测器放置位置C，抓取装置抓取激光探测器，刮刀架运动再将激光探测器移动至激光功率探测位置B。

步骤3具体如下：

当激光探测工作完成，驱动器接收到设备打印命令后，刮刀架带动激光探测器移动至激光探测器放置位置C，夹持装置中的固定装置和抓取装置张开将激光探测器放置，然后刮刀架回至刮刀架初始位置A。

本发明的有益效果是，本发明的一种3D打印设备激光束能量在线监测装置实现3D打印设备激光能量在线监测功能，节约了人力成本，确保了测量精度，避免了人为操作误差带来的影响，保证了激光功率的一致性，进而提高了工件成形的质量，也为用户后期维护设备，节约人力和物力成本，更是减少了设备停机待检的情况。激光能量信息实时在线检测，可以直观的通过屏幕观测，提升了设备交互性和易操作性。

附图说明

图1是本发明的一种3D打印设备激光束能量在线监测装置结构示意图；

图2是本发明的夹持装置结构及运动工位示意图；

图3是本发明的激光探测器结构结构示意图；

图4是本发明的图像处理单元结构示意图；

图5是本发明的多激光设备传感器工位示意图。

图中，1.激光扫描振镜，2.成型室，3.夹持装置，4.刮刀架，5.Z轴，6.激光探测器，7.图像处理单元，8.激光器，9.吸热体，10.热电传感器，11.信息处理器，12.散热器，13.驱动器，14.固定装置，15.抓取装置，16.打印区域。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供的一种3D打印设备激光束能量在线监测装置结构如图1所示，包括依次连接的激光光路系统、激光探测器6和图像处理单元7，图像处理单元7还与激光光路系统连接；激光探测器6设置于成型室2内，成型室2内还设置有夹持装置3，夹持装置3是用于夹持或移位激光探测器6；激光光路系统用于输出激光光束、激光探测器6用于捕获激光光斑图像、图像处理单元2用于分析光斑图像信息，成型室2底部还固定有Z轴5。

激光探测器6具有无线传输模块、具有无线蓝牙传输功能，传输数据可在终端显示。

刮刀架4能够带动夹持装置3在成型室内做X方向的往复运动。

如图3所示，激光探测器6包括装在前端的吸热体9、吸热体9连接热电传感器10、热电传感器10连接信息处理器11、信息处理器11与图像处理单元连接；激光探测器6还包括散热器12，散热器12将多余的热量散发，保护激光探测器；吸热体9将吸收大部分的光能转化为热量，再经热电传感器10将感应到的热量转化为电信号，信息处理器11再将电信号携带能量值及能量梯度信息输入至图像处理单元；散热器12将多余的热量散发，保护激光探测器；

激光光路系统包括激光扫描振镜1，激光扫描振镜1连接激光器8，激光器8连接图像处理单元7；激光器8发出的激光经过激光扫描振镜1控制激光输出的路径。

如图4所示，图像处理单元7包括依次相连的存储器、处理器和补偿器，存储器用于存储激光光斑能量信息；处理器用于分析光斑能量值及能量梯度信息，并作出判断，激光能量是否满足系统要求；补偿器根据处理器传入的分析数据，实时调节激光输入的能量。

成型室2内设置有刮刀架4，夹持装置3固定在刮刀架4上。

如图2所示，夹持装置3包括驱动器13、固定装置14和抓取装置15，固定装置14固定安装在刮刀架4上，驱动器13的两侧连接有用于抓取动作的抓取装置15；固定装置14为连杆结构、用于X方向的固定；驱动器13用于接收和发送驱动指令。

一种3D打印设备激光束能量在线监测装置的监测方法如下：

3D打印设备正常工作时，激光探测器6固定在成形室2内的工作区域之外，

步骤1：当设备需要对激光进行能量监测，打开激光器8和激光扫描振镜1，Z轴5下降高度，保证焦平面与热电传感器10检测面重合；

步骤2：刮刀架4带动夹持装置3与激光探测器6相连，再将激光探测器6移动至激光功率探测位置，准备测量，测量数据传输至图像处理单元7，测量数据传输至图像处理单元7，进行图像数据处理；若图像处理单元7检测到光斑能量不满足系统要求，即时调节激光输入的能量；

如图2所示，驱动器13接收到激光探测命令后，刮刀架4带动夹持装置3由刮刀架初始位置移动至激光探测器6放置位置(由位置A运动至位置C)，抓取装置15抓取激光探测器6，刮刀架4运动再将激光探测器6移动至激光功率探测位置(由位置C运动至位置B)；夹持装置张开并放置激光探测器6在光斑下，准备测量，测量数据传输至图像处理单元7，进行图像数据处理，

步骤3：激光探测工作结束时，关闭激光器8和激光探测器6，刮刀架4移动、将激光探测器6移动并固定至工作区域外，具体如下

当激光探测工作完成，驱动器13接收到设备打印命令后，刮刀架4带动激光探测器6移动至激光探测器6放置位置(由位置B运动至位置C)，夹持装置中的固定装置14和抓取装置15张开并放置激光探测器6；然后刮刀架4和夹持装置返回至刮刀架初始位置(由位置C运动至位置A)；

其中，位置A：刮刀架初始位置；

位置B：激光功率探测位置；

位置C：设备打印工作时，刮刀放置激光探测器位置；激光功率探测时，刮刀夹持激光探测器位置。

多激光设备测量式，可增加夹持装置3在刮刀架4上的Y方向运动功能并且在刮刀架4上增设限位开关或机械限位结构，加上刮刀可以在X方向上运动，即传感器具备了X、Y两个方向的运动功能，可准确的将传感器输送至打印区域16的任意指定位置(如Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区域)，如图5所示。

Claims (4)

1.一种3D打印设备激光束能量在线监测装置，其特征在于，包括依次连接的激光光路系统、激光探测器（6）和图像处理单元（7），所述图像处理单元（7）还与激光光路系统连接；所述激光探测器（6）设置于成型室（2）内，所述成型室（2）内还设置有夹持装置（3），所述夹持装置（3）是用于夹持或移位激光探测器（6）；所述激光光路系统用于输出激光光束，所述激光探测器（6）用于捕获激光光斑图像、激光探测器（6）还具有无线传输模块，数据能够在终端显示，所述图像处理单元（7）用于分析光斑图像信息，所述成型室（2）底部还固定有Z轴（5）；

所述激光探测器（6）包括装在前端的吸热体（9）、所述吸热体（9）连接热电传感器（10）、所述热电传感器（10）连接信息处理器（11）、所述信息处理器（11）与图像处理单元连接；激光探测器（6）还包括散热器（12），所述散热器（12）将多余的热量散发，保护激光探测器；

所述图像处理单元（7）包括依次相连的存储器、处理器和补偿器，所述存储器用于存储激光光斑能量信息；所述处理器用于分析光斑能量值及能量梯度信息，并作出判断，激光能量是否满足系统要求；所述补偿器根据处理器传入的分析数据，实时调节激光输入的能量；

所述成型室（2）内设置有刮刀架（4），所述夹持装置（3）固定在刮刀架（4）上。

2.根据权利要求1所述的一种3D打印设备激光束能量在线监测装置，其特征在于，所述激光光路系统包括激光扫描振镜（1），所述激光扫描振镜（1）连接激光器（8），所述激光器（8）连接图像处理单元（7）；所述激光器（8）发出的激光经过激光扫描振镜（1）控制激光输出的路径。

3.根据权利要求2所述的一种3D打印设备激光束能量在线监测装置，其特征在于，夹持装置（3）包括驱动器（13）、固定装置（14）和抓取装置（15），所述固定装置（14）固定安装在刮刀架（4）上，所述驱动器（13）的两侧连接有用于抓取动作的抓取装置（15）；所述固定装置（14）为连杆结构、用于X方向的固定；所述驱动器（13）用于接收和发送驱动指令。

4.采用如权利要求3所述的一种3D打印设备激光束能量在线监测装置的在线监测方法，其特征在于，

3D打印设备正常工作时，激光探测器（6）固定在成型室 （2）内的工作区域之外，

步骤1：当设备需要对激光进行能量监测时，打开激光器（8）和激光扫描振镜（1），Z轴（5）下降高度，保证焦平面与热电传感器（10）检测面重合；

步骤2：刮刀架（4）带动夹持装置（3）与激光探测器（6）相连，再将激光探测器（6）移动至激光功率探测位置，准备测量，测量数据传输至图像处理单元（7），进行图像数据处理；若图像处理单元（7）检测到光斑能量不满足系统要求，即时调节激光输入能量；

步骤2所述刮刀架（4）带动夹持装置（3）与激光探测器（6）相连，再将激光探测器（6）移动至激光功率探测位置的具体操作方法如下：

驱动器（13）接收到激光探测器（6）命令后，刮刀架（4）带动夹持装置（3）由刮刀架初始位置A移动至激光探测器（6）放置位置C，抓取装置（15）抓取激光探测器（6），刮刀架（4）运动再将激光探测器（6）移动至激光功率探测位置B；

步骤3：激光探测工作结束时，关闭激光器（8）和激光探测器（6），刮刀架（4）移动、将激光探测器（6）移动并固定至工作区域外；

当激光探测工作完成，驱动器（13）接收到设备打印命令后，刮刀架（4）带动激光探测器（6）移动至激光探测器（6）放置位置C，夹持装置中的固定装置（14）和抓取装置（15）张开将激光探测器（6）放置，然后刮刀架（4）返回至刮刀架初始位置A。

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