CN111496255A - 一种激光选区熔化图像数据采集装置 - Google Patents

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Abstract

一种激光选区熔化图像数据采集装置，包括套筒、顶封盖和侧封盖；套筒下端依序设有环形光源、密封垫、透光玻璃、玻璃压盖和聚流环；顶封盖的底部固定有安装板，安装板上设有工业相机；套筒内设有冷却气道；套筒侧壁上设有防尘气道，防尘气道用于将成形缸内的同类型气体通入透光玻璃和聚流环之间形成保护气幕或保护气帘。本发明集冷却、补光和气幕保护于一体，通过冷却气道提高工业相机连续、高负荷工作性能和时长；通过环形光源的补光提高图像数据采集的质量，并取消在激光选区熔化成形缸内安装光源，简化成形缸内结构复杂度；通过保护气幕保持透光玻璃的表面光洁，从而提高图像质量和解析速度，提高边缘检测等视觉检测方法的精度和速度。

Description

一种激光选区熔化图像数据采集装置
技术领域
本发明涉及激光选区熔化设备技术领域，特别是涉及一种激光选区熔化图像数据采集装置。
背景技术
金属3D打印技术是在快速原型技术和大功率激光熔覆技术蓬勃发展的基础上迅速发展起来的一项新的先进制造技术。该技术综合了激光技术、材料技术、计算机辅助设计/计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）技术以及数控技术等先进制造技术。金属3D打印技术采用激光束、电子束和等离子束等高密度能量束作为输入热源，熔化金属粉末进行金属零部件的加工制造，目前可用于金属3D打印技术的方法主要有：选区激光熔化(Selective LaserMelting，SLM)、电子束选区熔化(Electron Beam SelectiveMelting，EBSM)、激光近净成形(Laser Engineered Net Shaping，LENS)等。金属3D打印技术在医疗、武器装备、航空航天等高端制造领域具有巨大应用前景和优势，可用于直接成形复杂和高性能金属零部件，解决传统制造工艺难以加工甚至无法加工的制造难题。
与3D打印技术的飞速发展和3D打印产品的爆炸式应用相比，3D打印实时检测技术相对滞后。实际上，无论是民用工业应用还是军用工业应用，都迫切需要一种行之有效的3D打印实时检测方法和检测规范，3D打印过程中会因铺粉不均匀而造成烧结表面不均匀，但是在没有引入实时检测的情况下，无论铺层好坏加工都会持续进行直至加工完成，但在这种情况下加工的零件不仅不能满足工艺要求更可能因为刮刀位置精度丢失或刮刀损坏而危及设备，浪费时间、物力、财力以及人力。因此，传统“开环式”的3D打印过程在一定程度上阻碍了3D打印的发展，迫切需要研究一种适合3D打印产品的在线检测方法，迫切需要一种在快速成形加工过程中的铺粉质量、成形层缺陷和轮廓精度的图像数据采集的装置，搭建在线检测反馈回路，突破3D打印在线闭环控制的关键技术，在线识别加工过程中是否出现刮刀跳跃、刮刀条纹、碎屑、超高角、零件失败、不完全铺粉等缺陷，及时作出警示或决策，降低缺陷造成的损失，提高3D打印设备的加工精度、稳定性和产品的质量。
现有的用于激光选区熔化图像采集装置是“深洞藏镜”，即通过加大透光玻璃与激光选区熔化的实际加工区域的纵向距离，将工业相机藏进成形缸上壁的深凹洞里，以降低粉尘吸附透光玻璃的可能性，从而提高在线检测数据质量。但是此种结构中，设备成形缸的高度大，占用空间大，而且透光玻璃清洁和更换不便。
发明内容
本发明实施例提供了一种激光选区熔化图像数据采集装置，集冷却、补光和气幕保护于一体，从而提高相机获取的图像数据准确、清晰。
一种激光选区熔化图像数据采集装置，包括含窗口的套筒，设于所述套筒顶部的顶封盖，以及用于封闭窗口的侧封盖；
所述套筒下端依序设有环形光源、密封垫、透光玻璃、玻璃压盖和聚流环，所述环形光源、密封垫和透光玻璃嵌于所述套筒内部，所述玻璃压盖和聚流环与所述套筒底部固定连接；
所述顶封盖的底部固定有安装板，所述安装板上设有能够进行上下活动的工业相机，所述工业相机的底端伸入所述环形光源和密封垫之间；
所述套筒内设有冷却气道，所述冷却气道位于所述密封垫的上方，用于将冷却气体从所述工业相机的底部通入并从上方排出；
所述套筒侧壁上设有防尘气道，所述防尘气道用于将成形缸内的同类型气体通入所述透光玻璃和聚流环之间形成保护气幕或保护气帘，以对所述透光玻璃的表面进行防尘、除尘。
进一步地，所述套筒侧壁上设有冷却气动接头和冷却出口，所述冷却气动接头的位置与所述工业相机的底部对应且位于所述冷却出口的下方，所述冷却气动接头、套筒的内腔和冷却出口连通形成所述冷却气道。
进一步地，所述套筒侧壁上设有防尘气动接头，从上往下依序设有换向气道a、扩散气道b和扩散气道c；
所述玻璃压盖的外壁和所述套筒的内壁之间形成多个吹气气道d，所述玻璃压盖的下表面和所述聚流环的上表面之间形成多个整形气道e，所述防尘气动接头、换向气道a、扩散气道b、扩散气道c、吹气气道d和整形气道e连通形成所述防尘气道。
进一步地，多个所述整形气道e平行设置以形成厚度一致、水平流向的保护气幕，每个所述整形气道e为喇叭状，小端与所述吹气气道d连接、大端的末端为平行状；
最外侧两个所述整形气道e的外边缘之间的距离与所述透光玻璃的直径相等。
进一步地，所述换向气道a为圆柱形，所述扩散气道b和扩散气道c均为缺口环形。
进一步地，多个所述整形气道e为环形阵列结构以形成流向交汇于所述透光玻璃圆心的环形保护气帘，该保护气帘的中间厚、四周薄；
每个所述整形气道e为喇叭状，小端与所述吹气气道d连接、大端的末端为平行状且朝向透光玻璃中心。
进一步地，所述换向气道a为圆柱形，所述扩散气道b为缺口环形，所述扩散气道c为环形槽状。
进一步地，所述安装板为L型结构，顶部与所述顶封盖的底部固定连接、侧壁上设有多个长槽，所述长槽通过螺栓与所述工业相机固定连接。
进一步地，所述冷却出口还用于将所述工业相机、环形光源的电源线、数据线和控制线从所述套筒内腔引出。
进一步地，所述环形光源的发光体为环形阵列的高密度LED，且位于目标对象的正上方，并环绕在工业相机的四周。
综上，本发明集冷却、补光和气幕保护于一体，通过冷却气道提高工业相机连续、高负荷工作性能和时长；通过环形光源的补光提高图像数据采集的质量，并取消在激光选区熔化成形缸内安装光源，简化成形缸内结构复杂度；通过保护气幕保持透光玻璃的表面光洁，防止因粉尘粘附在透光玻璃而导致的图像不清晰、失真，提高图像质量和解析速度，提高边缘检测等视觉检测方法的精度和速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中激光选区熔化图像数据采集装置的剖视图。
图2是本发明中激光选区熔化图像数据采集装置去除侧封盖的结构示意图。
图3是本发明中防尘气道的剖视图。
图4是本发明中第一实施例中保护气幕的气流水平流向的示意图。
图5(a)是本发明中激光选区熔化图像数据采集装置的一侧面的侧视图。
图5(b)是图5(a)中B-B处截面的剖视图。
图6(a)是本发明中第二实施例中环形保护气幕的气流流向的示意图。
图6(b)是图6(a)中聚流环的俯视图。
图中：
1-顶封盖；2-安装板；3-工业相机；4-套筒；5-侧封盖；6-气动接头；7-环形光源；8-密封垫；9-透光玻璃；10-玻璃压盖；11-聚流环；∅A-冷却出口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
请参阅图1至图6(b)，本发明提供了一种激光选区熔化图像数据采集装置，包括含窗口的套筒4，设于所述套筒4顶部的顶封盖1，以及用于封闭窗口的侧封盖5；
所述套筒4下端依序设有环形光源7、密封垫8、透光玻璃9、玻璃压盖10和聚流环11，所述环形光源7、密封垫8和透光玻璃9嵌于所述套筒4内部，所述玻璃压盖10和聚流环11与所述套筒4底部固定连接；
所述顶封盖5的底部固定有安装板2，所述安装板2上设有能够进行上下活动的工业相机3，所述工业相机3的底端伸入所述环形光源7和密封垫8之间；
所述套筒4内设有冷却气道，所述冷却气道位于所述密封垫8的上方，用于将冷却气体从所述工业相机3的底部通入并从上方排出；
所述套筒4侧壁上设有防尘气道，所述防尘气道用于将成形缸内的同类型气体通入所述透光玻璃9和聚流环11之间形成保护气幕，以对所述透光玻璃9的表面进行防尘、除尘。
需要说明的是，本发明在激光快速成形过程中，通过冷却气保证工业相机3性能，环形光源7提供合适的亮度，保护气形成定向气流幕保护透光玻璃9不被粉尘吸附，确保工业相机3实时获取高质量的合金粉铺层图像数据和产品图像数据。
本发明中，该工业相机3为面阵工业数字相机，外形尺寸仅为29x29x29，采用全局曝光的感光芯片，采用USB3.0高速数据接口传输图像数据，集成I/O（GPIO）接口，是具有高分辨率、高清晰度、低噪声、高可靠性的工业数字相机产品。通过所述工业相机3对激光选区的铺粉层质量和成形轮廓进行拍照，即进行图像数据采集，再将图像数据送给上位机软件，从而提取图像特征，根据特征做出决策。
此外，整个结构为全封闭式设计，将该工业相机3与外部环境隔开，通过冷却气道通入冷却气体对工业相机3进行冷却，并形成正压环境以杜绝外部环境对工业相机3和透光玻璃9的污染，比如说灰尘污染。
请参阅图1、图5(a)和图5(b)，所述套筒4侧壁上设有冷却气动接头和冷却出口∅A，所述冷却气动接头的位置与所述工业相机3的底部对应且位于所述冷却出口∅A的下方，所述冷却气动接头、套筒4的内腔和冷却出口∅A连通形成所述冷却气道。冷却气体从冷却气动接头进入，进入顶封盖1、套筒4、侧封盖5形成的密闭空间，再由冷却出口∅A流出，带走热量。
进一步地，所述冷却出口∅A还用于将所述工业相机3、环形光源7的电源线、数据线和控制线从所述套筒4内腔引出。以便于装置整体封闭，防止灰尘等污染物落在透光玻璃9上。
具体的，该工业相机3的侧壁上设有调焦旋钮，拆下所述侧封盖5，可以通过调焦旋钮对该工业相机3进行手动调焦。
请参阅图2，所述安装板2为L型结构，顶部与所述顶封盖1的底部固定连接、侧壁上设有多个长槽，所述长槽通过螺栓与所述工业相机3固定连接。由于所述长槽具有一定长度，所以可以允许所述工业相机3更换一定长度范围的镜头。
请参阅图1，所述环形光源7的发光体为环形阵列的高密度LED，且位于目标对象的正上方，并环绕在工业相机3的四周。该环形光源7可以提供所有角度的光线进行照射，辅助工业相机3获得三维信息更突出而清晰的图像，有效解决对角照射带来的阴影问题，消除阴影带来的灰度变化不明显问题，提高图像的解释、分析过程确定边缘精确位置的速度和准确度，从而提高质量检测方法的实时性和准确度，同时还可以为设备操作人员观察提供光照。
实施例1
请参阅图1、图3和图4，所述套筒4侧壁上设有防尘气动接头，从上往下依序设有换向气道a、扩散气道b和扩散气道c；
所述玻璃压盖10的外壁和所述套筒4的内壁之间形成多个吹气气道d，所述玻璃压盖10的下表面和所述聚流环11的上表面之间形成多个整形气道e，所述防尘气动接头、换向气道a、扩散气道b、扩散气道c、吹气气道d和整形气道e连通形成所述防尘气道。
需要说明的是，本发明中，多个所述整形气道e平行设置以形成厚度一致、水平流向的保护气幕，每个所述整形气道e为喇叭状，小端与所述吹气气道d连接、大端的末端为平行状。独特的气道设计使得输出的保护气流流向、厚度一致，形成定向、等密度、紧贴透光玻璃的保护气幕，保护气幕防止透光玻璃沾染金属粉末，保证透光玻璃的透明度。
优选地，本实施例中含有5个整形气道e，并且最外侧两个所述整形气道e的外边缘之间的距离与所述透光玻璃9的直径相等。这样可以形成定向、厚度一致且覆盖所述透光玻璃9整个表面的保护气幕，气流紧贴所述透光玻璃9，既能保护透光玻璃9不沾染金属粉末，又将对成形缸内流场的影响降到可以忽略，从而提高工业相机3获取的图像准确、清晰。
需要明确的是，5个整形气道e的尺寸因距离对称线的距离不同而不同，具体尺寸依据工作介质的流量、压力等流体力学参数由流体力学仿真分析后确定，合理尺寸配置使得流出不同的整形气道的气流的流速和流向分布大致相同，保证形成的厚度一致、流向一致的保护气幕，对图像采集的影响小，对激光快速成型工作腔的流场影响小。
进一步地，所述换向气道a为圆柱形，所述扩散气道b和扩散气道c均为缺口环形，通过所述扩散气道b和扩散气道c使得气流扩散均匀。
实施例2
请参阅图1、图6(a)和图6(b)，多个所述整形气道e为环形阵列结构以形成流向交汇于所述透光玻璃9圆心的环形保护气帘，该保护气帘的中间厚、四周薄；
每个所述整形气道e为喇叭状，小端与所述吹气气道d连接、大端的末端为平行状且朝向透光玻璃中心。
需要说明的是，本实施中，气流在圆心处改变方向为透光玻璃9法向，该保护气帘对透光玻璃9的保护能力由四周到圆心（径向上）逐步增强，符合工业相机3捕捉的光信息的分布（中间多，四周少），故本实施例中的气帘厚度分布更有针对性。
进一步地，所述换向气道a为圆柱形，所述扩散气道b为缺口环形，所述扩散气道c为环形槽状。
综上，本发明零件相对独立，易于更换，且集冷却、补光和气幕保护于一体，通过冷却气道提高工业相机3连续、高负荷工作性能和时长；通过环形光源7的补光提高图像数据采集的质量，并取消在激光选区熔化成形缸内安装光源，简化成形缸内结构复杂度；通过保护气幕保持透光玻璃9的表面光洁，防止因粉尘粘附在透光玻璃9而导致的图像不清晰、失真，提高图像质量和解析速度，提高边缘检测等视觉检测方法的精度和速度。。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种激光选区熔化图像数据采集装置，其特征在于，包括含窗口的套筒，设于所述套筒顶部的顶封盖，以及用于封闭窗口的侧封盖；
所述套筒下端依序设有环形光源、密封垫、透光玻璃、玻璃压盖和聚流环，所述环形光源、密封垫和透光玻璃嵌于所述套筒内部，所述玻璃压盖和聚流环与所述套筒底部固定连接；
所述顶封盖的底部固定有安装板，所述安装板上设有能够进行上下活动的工业相机，所述工业相机的底端伸入所述环形光源和密封垫之间；
所述套筒内设有冷却气道，所述冷却气道位于所述密封垫的上方，用于将冷却气体从所述工业相机的底部通入并从上方排出；
所述套筒侧壁上设有防尘气道，所述防尘气道用于将成形缸内的同类型气体通入所述透光玻璃和聚流环之间形成保护气幕或保护气帘，以对所述透光玻璃的表面进行防尘、除尘。
2.根据权利要求1所述的激光选区熔化图像数据采集装置，其特征在于，所述套筒侧壁上设有冷却气动接头和冷却出口，所述冷却气动接头的位置与所述工业相机的底部对应且位于所述冷却出口的下方，所述冷却气动接头、套筒的内腔和冷却出口连通形成所述冷却气道。
3.根据权利要求1所述的激光选区熔化图像数据采集装置，其特征在于，所述套筒侧壁上设有防尘气动接头，从上往下依序设有换向气道a、扩散气道b和扩散气道c；
所述玻璃压盖的外壁和所述套筒的内壁之间形成多个吹气气道d，所述玻璃压盖的下表面和所述聚流环的上表面之间形成多个整形气道e，所述防尘气动接头、换向气道a、扩散气道b、扩散气道c、吹气气道d和整形气道e连通形成所述防尘气道。
4.根据权利要求3所述的激光选区熔化图像数据采集装置，其特征在于，多个所述整形气道e平行设置以形成厚度一致、水平流向的保护气幕，每个所述整形气道e为喇叭状，小端与所述吹气气道d连接、大端的末端为平行状；
最外侧两个所述整形气道e的外边缘之间的距离与所述透光玻璃的直径相等。
5.根据权利要求4所述的激光选区熔化图像数据采集装置，其特征在于，所述换向气道a为圆柱形，所述扩散气道b和扩散气道c均为缺口环形。
6.根据权利要求3所述的激光选区熔化图像数据采集装置，其特征在于，多个所述整形气道e为环形阵列结构以形成流向交汇于所述透光玻璃圆心的环形保护气帘，该保护气帘的中间厚、四周薄；
每个所述整形气道e为喇叭状，小端与所述吹气气道d连接、大端的末端为平行状且朝向透光玻璃中心。
7.根据权利要求6所述的激光选区熔化图像数据采集装置，其特征在于，所述换向气道a为圆柱形，所述扩散气道b为缺口环形，所述扩散气道c为环形槽状。
8.根据权利要求1所述的激光选区熔化图像数据采集装置，其特征在于，所述安装板为L型结构，顶部与所述顶封盖的底部固定连接、侧壁上设有多个长槽，所述长槽通过螺栓与所述工业相机固定连接。
9.根据权利要求2所述的激光选区熔化图像数据采集装置，其特征在于，所述冷却出口还用于将所述工业相机、环形光源的电源线、数据线和控制线从所述套筒内腔引出。
10.根据权利要求1至9任意一项所述的激光选区熔化图像数据采集装置，其特征在于，所述环形光源的发光体为环形阵列的高密度LED，且位于目标对象的正上方，并环绕在工业相机的四周。
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