CN111174752A - 用于内孔熔覆的激光头实时在线防撞监测装置及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于内孔熔覆的激光头实时在线防撞监测装置及监测方法，解决在内孔熔覆过程中熔覆激光头极易与加工件内表面碰撞，导致设备和加工件损伤的问题。其中装置包括熔覆激光头、控制熔覆激光头运动轨迹的设备控制中心、包括设置在熔覆激光头上的至少一个监测单元；监测单元包括采集单元、图像比较单元及至少一个发光单元；采集单元用于采集发光单元发射的单色光在被加工件内表面的非实时加工区域所形成的光斑图像；图像比较单元用于将采集得到的光斑图像与标定的光斑图像比较，作为判断激光头是否偏离的依据；设备控制中心根据图像比较单元得出的结果调整熔覆激光头的位置，使其位于加工件内孔合适位置；或者，直接停止熔覆激光头的工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种内孔激光熔覆装置，具体涉及一种用于内孔熔覆的激光头实时在线防撞监测装置及监测方法。
背景技术
激光熔覆技术是一种随着大功率激光器的发展而新兴的一种表面增材制造技术，其原理是在激光束的短时作用下将熔覆粉末与基材表面迅速熔化，在光照后熔覆区温度迅速下降，熔化后的粉末与基材表面形成冶金结合，从而显著改变材料的强度、耐蚀、耐磨等特性的一种新型表面增材制造技术。
在内孔熔覆中，为了完成整个内孔表面的熔覆，熔覆激光头需要在内孔深处进行作业。操作人员在内孔深处熔覆边界区域时，会遇到加工件一端是盲孔或是亮度不足且需加工深度又很深的情况。由于无法精确判断熔覆激光头位置，在进行内孔整个区域的熔覆工作时，极易造成熔覆激光头与加工件内表面碰撞，对设备和加工件造成损伤。
发明内容
本发明的目的是克服现有在内孔熔覆过程中，熔覆激光头极易与加工件内表面碰撞，导致设备和加工件损伤的问题，而提供一种用于内孔熔覆的激光头实时在线防撞监测装置及监测方法。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种用于内孔熔覆的激光头实时在线防撞监测装置，包括熔覆激光头和控制所述熔覆激光头运动轨迹的设备控制中心；其特殊之处在于：还包括设置在所述熔覆激光头上的至少一个监测单元；所述监测单元包括采集单元、图像比较单元及至少一个发光单元；所述发光单元用于向被加工件内表面的非实时加工区域发射单色光；所述采集单元用于采集发光单元发射的单色光在被加工件内表面的非实时加工区域所形成的光斑图像；所述图像比较单元用于将采集得到的光斑图像与标定的光斑图像比较，作为判断激光头是否偏离的依据；设备控制中心根据图像比较单元得出的结果，调整熔覆激光头的位置，使其位于加工件内孔合适位置；或者，直接停止熔覆激光头的工作。
进一步地，每个监测单元的所述发光单元的数量为一个，发光单元在被加工件内表面的非实时加工区域所形成的光斑图像为规则图形或不规则图形。
进一步地，每个监测单元的所述发光单元的数量为两个，发光单元为点状光源，且两个发光单元的出射光路之间的夹角为锐角。
进一步地，其中一个发光单元的出射光路垂直于对应光斑所在平面。
进一步地，每个监测单元的发光单元的数量为三个，发光单元为点状光源，且任意两个发光单元的出射光路之间的夹角为锐角。
进一步地，其中一个发光单元的出射光路垂直于对应光斑所在平面。
进一步地，所述监测单元的数量至少有两个，其中一个监测单元设置在熔覆激光头的前端面，指向内孔底面，其余监测单元设置在熔覆激光头的前部侧面，指向内孔侧壁。
进一步地，所述其余监测单元沿熔覆激光头的前部侧面圆周均布。
一种可实现激光头与孔内表面测距/防撞的在线监测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)标定发光单元到被加工件内表面的距离与光斑图像的对应关系
1.1)熔覆激光头平行于被加工件内孔轴线放置在被加工件内孔中；
1.2)熔覆激光头上监测单元的发光单元向被加工件内表面发射单色光，所述内表面包括侧壁和/或底面；
1.3)熔覆激光头沿径向或轴向移动，移动过程中，测量发光单元与被加工件内表面的距离L，同时，监测单元的采集单元实时采集发光单元发射的单色光在被加工件内表面形成的光斑图像S，得到L与S之间的对应关系；
2)激光熔覆过程中，采集单元实时采集发光单元发射的单色光在被加工件内表面的非实时加工区域所形成的光斑图像S1；
3)根据步骤2)所采集的光斑图像S1和步骤1)中得到的L与S之间的对应关系；实时得到发光单元与被加工件内表面的距离L1；
4)根据发光单元与被加工件内表面的距离L1，判断熔覆激光头是否偏离；
5)根据偏离量调整熔覆激光头的位置，使其位于加工件内孔合适位置；或者直接停止熔覆激光头的工作。
进一步地，步骤1)中，所述发光单元的数量为一个，所述光斑图像S包括图形形状或图形面积；
或者，步骤1)中，所述发光单元的数量为两个，发光单元为点状光源，且任意两个发光单元的出射光路之间的夹角为锐角；所述光斑图像S为光点之间的距离；
或者，步骤1)中，所述发光单元的数量为三个或更多个，发光单元为点状光源，且任意两个发光单元的出射光路之间的夹角为锐角；所述光斑图像S为光点之间的距离或光点整体形成闭合图案。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明在线防撞监测装置在熔覆激光头上设有监测单元，通过采集单元采集发光单元发射的单色光在被加工件内表面的非实时加工区域所形成的光斑图像，将采集得到的光斑图像与标定的光斑图像比较，进而判断熔覆激光头是否偏离，根据得出的比较结果，调整熔覆激光头的位置，使其位于加工件内孔合适位置；或者，直接停止熔覆激光头的工作，能够有效防止内孔或封闭空间中激光头与工件内表面发生碰撞，导致设备和加工件损伤的问题。
2、本发明在线防撞监测装置中发光单元的数量可为一个，光斑图像为规则图形或不规则图形，根据图形变化判断熔覆激光头是否偏离，操作方式简便。
3、本发明在线防撞监测装置中发光单元的数量可为两个，光斑图像为两个点光源在工件内表面形成光点之间的距离，根据距离变化判断熔覆激光头是否偏离。
4、本发明在线防撞监测装置中发光单元的数量可为三个，且任意两个发光单元的出射光路之间的夹角为锐角，光斑图像为光点之间的距离或者光点之间形成的三角形图形形状，根据距离或形状变化判断熔覆激光头是否偏离。
5、本发明在线防撞监测装置中其中一个发光单元的出射光路可垂直于被加工件内表面，获得的光斑图像准确性高，防撞效果好。
6、本发明监测单元的数量可为多个，设置在熔覆激光头的前端面和前部侧面，分别对孔底面和孔侧壁进行监测，适用范围广且防撞效果好。
7、本发明在线防撞监测装置仅在熔覆激光头上设置监测单元，安装位置灵活，整体结构简单，体积小。
8、本发明监测方法在激光熔覆过程中，采集单元实时采集发光单元在被加工件内表面的非实时加工区域所形成的光斑图像，根据光斑图像实时判断熔覆激光头是否偏离，并根据偏离量调整熔覆激光头的位置，使其位于加工件内孔合适位置；或者直接停止熔覆激光头的工作，能够有效防止内孔或封闭空间中熔覆激光头与工件内表面发生碰撞，导致设备和加工件损伤的问题。
附图说明
图1是本发明用于内孔熔覆的激光头实时在线防撞监测装置位于被加工件内孔中的示意图；
图中各标号的说明如下：
1—熔覆激光头，2-监测单元，21-采集单元，22-发光单元，3-被加工件内表面，31-侧壁，32-底面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种用于内孔熔覆的激光头实时在线防撞监测装置，包括熔覆激光头1、控制所述熔覆激光头1运动轨迹的设备控制中心、设置在所述熔覆激光头1上的至少一个监测单元2；所述监测单元2包括采集单元21、图像比较单元及至少一个发光单元22；所述发光单元22用于向被加工件内表面3的非实时加工区域发射单色光，单色光抗干扰能力强，灵敏度高；所述采集单元21采集发光单元22发射的单色光在被加工件内表面3的非实时加工区域所形成的光斑图像，所述图像比较单元用于将采集得到的光斑图像与标定的光斑图像比较，作为判断激光头是否偏离的依据；设备控制中心根据图像比较单元得出的结果，调整熔覆激光头的位置，使其位于加工件内孔合适位置；或者，直接停止熔覆激光头1的工作，根据光斑图像变化，获得激光头与孔内表面的距离，进而判断熔覆激光头1是否偏离，能够有效防止内孔或封闭空间中熔覆激光头1与工件内表面发生碰撞，导致设备和加工件损伤的问题。
本实施例在线防撞监测装置中发光单元22的数量为一个，发光单元22在被加工件内表面3的非实时加工区域所形成的光斑图像为规则图形或不规则图形，根据图形变化或者图形面积判断熔覆激光头1所处的位置，确定熔覆激光头1是否偏离方向。
本实施例在线防撞监测装置中发光单元22的数量亦可为两个，则发光单元22为点状光源，且两个发光单元22的出射光路之间的夹角为锐角；两个点光源在工件内表面形成光点，光斑图像为两光点之间的距离，根据该距离的变化判断熔覆激光头1是否偏离。
本实施例在线防撞监测装置中发光单元22的数量亦可为三个，则发光单元22为点状光源，且任意两个发光单元22的出射光路之间的夹角为锐角，三个点光源在工件内表面形成光点，若三个发光单元22的出射光路共面时，则光斑图像为任意两光点之间的距离，若三个发光单元22的出射光路非共面时，则光斑图像为三个光点所形成的三角形形状，根据三角形形状变化判断熔覆激光头1是否偏离。
在线防撞监测装置中发光单元22的数量也为三个以上，发光单元22为点状光源，且任意两个发光单元22的出射光路之间的夹角为锐角，点光源在工件内表面形成光点，若所有发光单元22的出射光路共面时，则光斑图像为任意两光点之间的距离，若所有发光单元22的出射光路非共面时，则光斑图像为所有光点整体所形成的整体形成闭合图案，根据图案形状变化判断熔覆激光头1是否偏离。
其中一个发光单元22的出射光路垂直于对应光斑所在平面，获得的光斑图像准确性高；为了提高防撞效果好以及适用范围广，在熔覆激光头1的前端面和熔覆激光头1的前部侧面均设有监测单元，熔覆激光头1的前端面为与孔底面32相对的面，熔覆激光头1的前部侧面为与孔侧壁31相对的面；在激光熔覆过程中，熔覆激光头1的前端面对孔底面32进行监测，熔覆激光头1的前部侧面对孔侧壁31进行监测，可以防止熔覆激光头1在盲孔中与孔侧壁31和孔底面32的碰撞。
根据发光单元22到被加工件内表面3的距离，获得熔覆激光头偏离量，设备控制中心根据偏离量调整熔覆激光头的位置，使其位于加工件内孔合适位置。
内孔加工由于尺寸受限，本实施例在线防撞监测装置仅仅在熔覆激光头1上设置监测单元，监测单元结构简单，体积小，使得整体结构尺寸小；监测单元2安装简单，安装位置灵活，可根据加工设备及加工零件的不同在不同位置进行安装；可解决各种复杂场景中防碰撞的问题；可视化观察方式，根据图像变化对激光熔覆头工作位置的实际情况进行判断。
本实施例还提供了一种基于上述用于内孔熔覆的激光头实时在线防撞监测装置进行在线监测方法，包括以下步骤：
1)标定发光单元22到被加工件内表面3的距离与光斑图像的对应关系
1.1)熔覆激光头1平行于被加工件内孔轴线放置在被加工件内孔中；
1.2)发光单元22向被加工件内表面3发射单色光，所述内表面包括侧壁31和/或底面32；
1.3)熔覆激光头1沿径向或轴向移动，移动过程中，测量发光单元22到被加工件内表面3的距离L，同时，采集单元21实时采集发光单元22在被加工件内表面3形成的光斑图像S，得到L与S之间的对应关系；
当发光单元22的数量为一个，发光单元22在被加工件内表面3的非实时加工区域所形成的光斑图像为规则图形或不规则图形，根据发光单元22与被加工件内表面3的不同距离，获得不同图形形状和/或图形面积，得到光斑图像(不同图形形状和/或图形面积)和距离之间的对应关系；
当发光单元22的数量为两个，发光单元22为点状光源，任意两个发光单元22的出射光路之间的夹角为锐角，根据发光单元22与被加工件内表面3的不同距离，获得光点之间的距离，得到光斑图像(光点之间的距离)和距离之间的对应关系；
当发光单元22的数量为为三个或者更多个，发光单元22为点状光源，任意两个发光单元22的出射光路之间的夹角为锐角，若发光单元22的出射光路共面时，则光斑图像为任意两光点之间的距离，若三个发光单元22的出射光路非共面时，则光斑图像也为光点整体形成闭合图案，该图案可为三角形或者四边形等。
2)激光熔覆过程中，采集单元21实时采集发光单元22在被加工件内表面3的非实时加工区域所形成的光斑图像S1；
3)根据步骤2)所采集的光斑图像S1和步骤1)中得到的L与S之间的对应关系；实时得到发光单元22与被加工件内表面3的距离L1；
4)根据发光单元22到被加工件内表面3的距离L1，判断熔覆激光头1是否偏离，以及获得偏移量；
5)根据偏离量调整熔覆激光头的位置，使其位于加工件内孔合适位置，使激光加工头能够进行正常工作；或者当激光头与工件表面间距非常小时，直接停止熔覆激光头的工作。
步骤1)中，所述监测单元2至少为两个，其中至少一个监测单元2设置在熔覆激光头1的前端面，其余发光单元22设置在熔覆激光头1的前部侧面，优选其余监测单元2沿熔覆激光头1的前部侧面圆周均布。
为了提高安全性，在线防撞监测装置还包括紧急制动单元，紧急制动单元用于当发光单元22与被加工件内表面3的距离L1达到极限值时，直接停止设备的加工工作，使得设备处于待机状态。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。
Claims (10)
1.一种用于内孔熔覆的激光头实时在线防撞监测装置，包括熔覆激光头(1)和控制所述熔覆激光头(1)运动轨迹的设备控制中心；其特征在于：
还包括设置在所述熔覆激光头(1)上的至少一个监测单元(2)；
所述监测单元(2)包括采集单元(21)、图像比较单元及至少一个发光单元(22)；
所述发光单元(22)用于向被加工件内表面(3)的非实时加工区域发射单色光；
所述采集单元(21)用于采集发光单元(22)发射的单色光在被加工件内表面(3)的非实时加工区域所形成的光斑图像；
所述图像比较单元用于将采集得到的光斑图像与标定的光斑图像比较，作为判断激光头是否偏离的依据；
设备控制中心根据图像比较单元得出的结果，调整熔覆激光头的位置，使其位于加工件内孔合适位置；或者，直接停止熔覆激光头(1)的工作。
2.根据权利要求1所述的用于内孔熔覆的激光头实时在线防撞监测装置，其特征在于：每个监测单元(2)的发光单元(22)的数量为一个，发光单元(22)在被加工件内表面(3)的非实时加工区域所形成的光斑图像为规则图形或不规则图形。
3.根据权利要求1所述的用于内孔熔覆的激光头实时在线防撞监测装置，其特征在于：每个监测单元(2)的发光单元(22)的数量为两个，发光单元(22)为点状光源，且两个发光单元(22)的出射光路之间的夹角为锐角。
4.根据权利要求3所述的用于内孔熔覆的激光头实时在线防撞监测装置，其特征在于：其中一个发光单元(22)的出射光路垂直于对应光斑所在平面。
5.根据权利要求1所述的用于内孔熔覆的激光头实时在线防撞监测装置，其特征在于：每个监测单元(2)的发光单元(22)的数量为三个，发光单元(22)为点状光源，且任意两个发光单元(22)的出射光路之间的夹角为锐角。
6.根据权利要求5所述的用于内孔熔覆的激光头实时在线防撞监测装置，其特征在于：其中一个发光单元(22)的出射光路垂直于对应光斑所在平面。
7.根据权利要求1至6任一所述的用于内孔熔覆的激光头实时在线防撞监测装置，其特征在于：所述监测单元(2)的数量至少有两个，其中一个监测单元(2)设置在熔覆激光头(1)的前端面，指向内孔底面(32)，其余监测单元(2)设置在熔覆激光头(1)的前部侧面，指向内孔侧壁(31)。
8.根据权利要求7所述的用于内孔熔覆的激光头实时在线防撞监测装置，其特征在于：所述其余监测单元(2)沿熔覆激光头(1)的前部侧面圆周均布。
9.一种基于权利要求1所述用于内孔熔覆的激光头实时在线防撞监测装置进行在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)标定发光单元(22)到被加工件内表面(3)的距离与光斑图像的对应关系
1.1)熔覆激光头(1)平行于被加工件内孔轴线放置在被加工件内孔中；
1.2)熔覆激光头(1)上监测单元(2)的发光单元(22)向被加工件内表面(3)发射单色光，所述内表面包括侧壁(31)和/或底面(32)；
1.3)熔覆激光头(1)沿径向或轴向移动，移动过程中，测量发光单元(22)与被加工件内表面(3)的距离L，同时，监测单元(2)的采集单元(21)实时采集发光单元(22)发射的单色光在被加工件内表面(3)形成的光斑图像S，得到L与S之间的对应关系；
2)激光熔覆过程中，采集单元(21)实时采集发光单元(22)发射的单色光在被加工件内表面(3)的非实时加工区域所形成的光斑图像S1；
3)根据步骤2)所采集的光斑图像S1和步骤1)中得到的L与S之间的对应关系；实时得到发光单元(22)与被加工件内表面(3)的距离L1；
4)根据发光单元(22)与被加工件内表面(3)的距离L1，判断熔覆激光头(1)是否偏离；
5)根据偏离量调整熔覆激光头的位置，使其位于加工件内孔合适位置；或者直接停止熔覆激光头(1)的工作。
10.根据权利要求9所述用于内孔熔覆的激光头实时在线防撞监测装置进行在线监测方法，其特征在于：
步骤1)中，所述发光单元(22)的数量为一个，所述光斑图像S包括图形形状或图形面积；
或者，步骤1)中，所述发光单元(22)的数量为两个，发光单元(22)为点状光源，且任意两个发光单元(22)的出射光路之间的夹角为锐角；所述光斑图像S为光点之间的距离；
或者，步骤1)中，所述发光单元(22)的数量为三个或更多个，发光单元(22)为点状光源，且任意两个发光单元(22)的出射光路之间的夹角为锐角；所述光斑图像S为光点之间的距离或光点整体形成闭合图案。
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Denomination of invention: Real time online anti-collision monitoring device and monitoring method for laser head used for inner hole cladding Effective date of registration: 20230609 Granted publication date: 20220401 Pledgee: Industrial Bank Limited by Share Ltd. Xi'an branch Pledgor: XI'AN BESAME LASER TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2023610000424 |
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