CN111829454A - 用于扫描系统的校准装置及其校准方法 - Google Patents

Abstract

一种用于扫描系统的校准装置及其校准方法，其中校准装置包括检测激光、控制系统以及设置于铺粉机构顶部并可沿与铺粉方向垂直的方向移动的光电位置传感器，光电位置传感器在控制系统的控制下依次移动于若干对应检测点，且当光电位置传感器移动于对应检测点的同时，通过控制扫描系统的偏转使得检测激光在扫描系统的偏转下入射该光电位置传感器，依次获取光电位置传感器的检测信息并根据检测信息对扫描系统进行校准。本发明仅需在现有铺粉机构上安装光电位置传感器，便可结合软件自动进行校准，不仅校准装置结构简单、成本低；而且避免了大量人工操作而引入的误差，即具有良好的稳定性及精度。

Description

用于扫描系统的校准装置及其校准方法

技术领域

本发明涉及三维物体制造技术领域，特别是涉及一种用于扫描系统的校准装置及其校准方法。

背景技术

作为增材制造技术之一的选择性激光熔融技术，其基本过程是：供粉缸上升一个层厚以将一定量粉末送至工作区域，成型缸的活塞或基板下降一个层的厚度，铺粉机构将一层粉末材料平铺在成型缸的基板或已成型零件的上表面，振镜系统控制激光器按照该层的截面轮廓对实心部分粉末层进行扫描，使粉末熔化并与下面已成型的部分实现粘接。重复上述步骤，直至若干层扫描叠加以完成整个原型制造。

在上述快速成型技术的扫描过程中，扫描系统根据分层切片信息精准控制镜片旋转角度以实现高能激光束达到指定位置，控制的精确性直接决定着成型零件的精细程度。目前，在扫描系统运行前一般需要经过大量调试工作以实现切片信息的高度还原，而扫描系统运行一定时长后受自身稳定性和外界环境因素的影响，定位精度可能产生一定变化，导致成型截面与切片信息出现一定偏差，进而影响成型件精度。因此，需要不定期对扫描的定位精度进行检测。

传统的检测方法采用高能激光束在特制校准板上扫描固定形状，经扫描仪扫描并通过模块进行处理，输出图像文件进行前后比对以实现扫描位置校准。该方法使用的校准板在校准前需经过定位、调平等一系列复杂的操作，也仅在建造前进行一次校准，无法实现建造过程中的多次校准，且校准过程中采集信息往往通过人工测量，主观性较强，误差较大。

发明内容

基于此，本发明提供了一种结构简单、校准方便，且校准精确的用于扫描系统的校准装置及其校准方法。

为实现了上述目的，本发明提供了一种用于扫描系统的校准装置，包括检测激光、控制系统以及设置于铺粉机构顶部并可沿与铺粉方向垂直的方向移动的光电位置传感器，所述光电位置传感器在控制系统的控制下依次移动于若干对应检测点，且当光电位置传感器移动于对应检测点的同时，通过控制扫描系统的偏转使得检测激光入射该光电位置传感器，依次获取光电位置传感器的检测信息并根据检测信息对扫描系统进行校准。

作为本发明的进一步优选方案，所述扫描系统包括第一镜片和第二镜片。

作为本发明的进一步优选方案，所述校准装置还包括能量衰减模块，用于对经过扫描系统之后，以及入射光电位置传感器之前的检测激光进行能量衰减。

作为本发明的进一步优选方案，所述用于扫描系统的校准装置在建造前执行，或者在建造中的扫描完成后执行。

作为本发明的进一步优选方案，所述校准装置还包括直线导轨、电机和滑块，所述直线导轨通过支撑架水平安装在铺粉机构的顶部，所述滑块在电机的驱动下可移动地安装在直线导轨上，所述光电位置传感器安装在滑块上。

本发明还提供了一种上述任一项所述用于扫描系统的校准装置的校准方法，包括以下步骤：

构建位于激光扫描平面上方且包括光电位置传感器移动位置的虚拟检测平面；

光电位置传感器在控制系统的控制下依次移动于虚拟检测平面的若干对应检测点；且当光电位置传感器移动于对应检测点的同时，通过控制扫描系统的偏转使得检测激光入射该光电位置传感器，所述若干对应检测点与激光扫描平面中的若干目标检测点分别对应；

依次获取光电位置传感器的检测信息并根据检测信息对扫描系统进行校准。

作为本发明的进一步优选方案，依次获取光电位置传感器的检测信息并根据检测信息对扫描系统进行校准具体包括：

依次获取光电位置传感器的在各个对应检测点的偏移量并分别判断对应检测点的偏移量是否大于或等于预设值，当某个对应检测点的偏移量大于或等于预设值时，通过该对应检测点的偏移量计算该对应检测点的补偿值，否则，确定该对应检测点的补偿值为0；

将若干对应检测点的补偿值作为对应的若干目标检测点的补偿值；

将若干目标检测点的补偿值通过拟合运算得到补偿集，该补偿集包括激光扫描平面中所有点分别对应的补偿量；

当扫描系统接收到扫描指令时，控制系统控制扫描系统针对激光扫描平面中的每一点进行相应偏转以进行扫描，且激光扫描平面中每一点对应的扫描系统的偏转角为该点对应的扫描系统的理论偏转角与补偿量之和。

作为本发明的进一步优选方案，通过该对应检测点的偏移量计算该对应检测点的补偿值具体包括：

根据获取的光电位置传感器在对应检测点的偏移量得到该对应检测点对应的目标检测点在激光扫描平面的实际位置值；

从预存的理论位置集中查找该目标检测点在激光扫描平面的实际位置值对应的理论偏转角并将该理论偏转角记作实际偏转角，同时从预存的理论位置集中查找该目标检测点在激光扫描平面的理论位置值对应的理论偏转角；

将理论偏转角与对应的实际偏转角相减得到该对应检测点的补偿值。

作为本发明的进一步优选方案，将若干目标检测点的补偿值通过拟合运算得到补偿集具体包括：

将若干目标检测点的补偿值通过拟合运算得到激光扫描平面中不属于目标检测点的近似补偿值；

将激光扫描平面中所有点的坐标位置以及分别对应的补偿值形成补偿集。

本发明的用于扫描系统的校准装置，通过包括检测激光、控制系统以及设置于铺粉机构顶部并可沿与铺粉方向垂直的方向移动的光电位置传感器，所述光电位置传感器在控制系统的控制下依次移动于若干对应检测点，且当光电位置传感器移动于对应检测点的同时，通过控制扫描系统的偏转使得检测激光入射该光电位置传感器，依次获取光电位置传感器的检测信息并根据检测信息对扫描系统进行校准，使得本发明仅需在现有铺粉机构上安装光电位置传感器，便可结合软件自动进行校准，不仅校准装置结构简单、成本低；而且避免了大量人工操作而引入的误差，即具有良好的稳定性及精度。

本发明的用于扫描系统的校准装置的校准方法，不仅具备用于扫描系统的校准装置的上述所有优点，而且，通过采用上述用于扫描系统的校准装置，使得该方法可在设备待机时执行，即设备建造之前执行，也可以在设备运行时执行，即设备建造中的扫描系统扫描之后执行，这样使得本发明校准方法可根据需要随时启动校准，即更灵活，更便捷且操作更方便；另外，本发明的校准方法是对激光烧结平面的具体检测点进行修正，并不针对扫描形状及轨迹，这样可随着检测点的数量增加，幅面定位精度提高，扫描过程更为稳定，切片信息细节的还原更为精准，相应的成型尺寸控制更加准确。

附图说明

图1为本发明提供的一实施例的用于扫描系统的校准装置的结构示意图；

图2为本发明提供的一实施例的用于扫描系统的校准装置的校准方法的方法流程图；

图3为本发明提供的一优选实施例的用于扫描系统的校准装置的校准方法的方法流程图。

图中标号：1、铺粉机构，2、直线导轨，3、滑块，4、光电位置传感器，5、虚拟检测平面，6、成型区域，7、检测激光，8、扫描系统，9、控制系统。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本发明提供的用于扫描系统8的校准装置，包括检测激光7、控制系统9以及设置于铺粉机构1顶部并可沿与铺粉方向垂直的方向移动的光电位置传感器4，所述光电位置传感器4在控制系统9的控制下依次移动于若干对应检测点，且当光电位置传感器4移动于对应检测点的同时，通过控制扫描系统8的偏转使得检测激光7入射该光电位置传感器4，依次获取光电位置传感器4的检测信息并根据检测信息对扫描系统8进行校准。所述对应检测点的数量可根据需要具体选定，当然，选取的数量越多，检测越精准。优选地，所述若干对应检测点均匀分布于整个虚拟检测平面5，这样可以更好校准激光烧结平面的各个区域。

具体地，所述检测激光7可直接利用激光器发射的用于扫描的高能量激光或其自带的指示光，也可以是通过系统同轴引入的其他激光束。所述扫描系统8包括第一镜片和第二镜片，也就是说控制系统9分别控制第一镜片和第二镜片进行偏转，即针对激光扫描平面中的每一点第一镜片和第二镜片均对应一个偏转角，因此，本发明需要分别对第一镜片和第二镜片的偏转角进行校准，如图1所示，第一镜片和第二镜片的补偿值分别为△θ₁和△θ₂。

优选地，所述校准装置还包括能量衰减模块，用于对经过扫描系统8之后，以及入射光电位置传感器4之前的检测激光7进行能量衰减，以避免当检测激光7的能量过高而对光电位置传感器4造成损害。

本发明的校准方法可在设备待机时执行，即设备建造之前执行，也可以在设备运行时执行，即设备建造中的扫描系统8扫描之后执行，例如每层扫描完成后执行，或者每隔几层扫描后执行。这样使得本发明校准方法可根据需要随时启动校准，即更灵活，更便捷且操作更方便。

具体地，所述校准装置还包括直线导轨、电机和滑块3，所述直线导轨通过支撑架水平安装在铺粉机构1的顶部，所述滑块3在电机的驱动下可移动地安装在直线导轨上，所述光电位置传感器4安装在滑块3上。在铺粉机构1的驱动下，光电位置传感器4可沿铺粉方向从成型区域6的一侧向另一侧运动，再由电机的驱动带动滑块3在铺粉机构1上从一端向另一端移动，从而可使得光电位置传感器4的移动覆盖整个成型区域6，即可对若干对应检测点进行检测。在此需说明的是，所述铺粉机构1由驱动系统进行驱动，其属于三维物体制造设备的现有部件，本发明的校准装置利用了这一现有部件，因此对其具体结构不做详细说明。

图1中的滑块3和光电传感器均为一个，但其仅是本发明的一种实施方式，在具体实施中，直线导轨上的滑块3也可设置多个，便于安装多个光电位置传感器4，以实现短时间内完成检测激光7在多个对应检测点的偏移量。当然，每个对应检测点的补偿量计算还是参照下面的校准方法执行。

如图2所示，本发明还提供了一种上述任一项所述用于扫描系统8的校准装置的校准方法，包括以下步骤：

步骤21、构建位于激光扫描平面上方且包括光电位置传感器4移动位置的虚拟检测平面5；

步骤22、光电位置传感器4在控制系统9的控制下依次移动于虚拟检测平面5的若干对应检测点；且当光电位置传感器4移动于对应检测点的同时，通过控制扫描系统8的偏转使得检测激光7入射该光电位置传感器4，所述若干对应检测点与激光扫描平面中的若干目标检测点分别对应；在此需说明的是，光电位置传感器4移动于对应检测点与检测激光7在扫描系统8的偏转下入射该光电位置传感器4是同时，当然其两者的控制过程可以存在先后(不管谁先后开始控制都可以)，但结果必须一致，即光电位置传感器4移动于对应检测点的同时，检测激光7必须入射该光电位置传感器4。

所述光电位置传感器4信号接收面可准确到达成型区域6上方一定高度的任一指定位置。该高度存在一虚拟检测平面5与成型区域6内的激光扫描平面相对应，使得检测激光7作用于激光扫描平面内时总经过虚拟检测平面5内一虚拟点。将成型区域6的激光扫描平面被划分为M×N的网格，以其中心为原点，网格交点位置通过成型区域6的坐标系确定，例如，某一点的坐标为(X，Y)，其对应到虚拟检测平面5的坐标为(ε₁X，ε₂Y)，ε₁、ε₂定值因子，ε₁＝(l₁-h)/l₁，ε₂＝(l₂-h)/l₂,l₁为检测激光在第一镜片上作用点与激光扫描平面的等效垂直距离，l₂为激光在第二镜片上作用点与激光扫描平面的等效垂直距离，h为虚拟检测面距激光扫描平面的高度。优选地，可先在激光扫描平面选取若干目标检测点，再通过对应关系分别获取虚拟检测平面5的若干对应检测点。当然，这只是一种对应检测点的方式，在具体实施中，其也可以直接从虚拟检测平面5选取，在此不做限制。

步骤23、依次获取光电位置传感器4的检测信息并根据检测信息对扫描系统8进行校准。

具体地，依次获取光电位置传感器4的检测信息并根据检测信息对扫描系统8进行校准具体包括：

依次获取光电位置传感器4的在各个对应检测点的偏移量并分别判断对应检测点的偏移量是否大于或等于预设值，当某个对应检测点的偏移量大于或等于预设值时，通过该对应检测点的偏移量计算该对应检测点的补偿值，否则，确定该对应检测点的补偿值为0；此步骤中的预设值为允许误差值，其由设计人员根据具体要求具体设定，例如可为0.03mm。此步骤为优选步骤，通过判断偏移量是否大于或等于预设值，以当偏移量小于预设值时，默认补偿值为0，而不是通过该对应检测点的偏移量计算该对应检测点的补偿值，因为即使算出来具体的补偿值，其数值也应该是约等于0，这样便节省了运算操作，提高了运算效率。

将若干对应检测点的补偿值作为对应的若干目标检测点的补偿值；

将若干目标检测点的补偿值通过拟合运算得到补偿集，该补偿集包括激光扫描平面中所有点分别对应的补偿量；

具体地，将若干目标检测点的补偿值通过拟合运算得到补偿集具体包括：

将若干目标检测点的补偿值通过拟合运算得到激光扫描平面中不属于目标检测点的近似补偿值；

将激光扫描平面中所有点的坐标位置以及分别对应的补偿值形成补偿集。

当扫描系统8接收到扫描指令时，控制系统9控制扫描系统8针对激光扫描平面中的每一点进行相应偏转以进行扫描，且激光扫描平面中每一点对应的扫描系统8的偏转角为该点对应的扫描系统8的理论偏转角与补偿量之和。

在一具体实施方案中，通过该对应检测点的偏移量计算该对应检测点的补偿值具体包括：

根据获取的光电位置传感器4在对应检测点的偏移量得到该对应检测点对应的目标检测点在激光扫描平面的实际位置值；

从预存的理论位置集中查找该目标检测点在激光扫描平面的实际位置值对应的理论偏转角并将该理论偏转角记作实际偏转角，同时从预存的理论位置集中查找该目标检测点在激光扫描平面的理论位置值对应的理论偏转角；

所述预存的理论位置集预先存储在控制系统9内，其包括与坐标位置值(包括上述实际位置值和理论位置值)一一对应的理论偏转角度值{θ1(X，Y)，θ2(X，Y)}，该理论位置集内存储有扫描系统8中第一镜片和第二镜片分别对应的偏转角度的理论值，其与坐标位置存在对应函数关系θ1(X，Y)＝F(X，Y)，θ2(X，Y)＝G(X，Y)。

将理论偏转角与对应的实际偏转角相减得到该对应检测点的补偿值。

为了让本领域的技术人员更好地理解并实现本发明的技术方案，下面以优选实施例的形式对本发明的技术方案进行详细阐述：

如图3所示，用于扫描系统8的校准装置的校准方法包括以下步骤：

第一步，在虚拟检测平面5中选取若干对应检测点，控制系统9从任一对应检测点开始从预存的理论位置集中依次查找对应的理论偏转角分别对扫描系统8的第一镜片和第二镜片进行控制，以使检测激光7经过第一镜片和第二镜片的偏转入射至该对应检测点；此步骤中的若干对应检测点，可通过将激光扫描平面进行网格划分，选取若干目标检测点，再由若干目标检测点在虚拟检测平面5中一一找到对应点，以形成若干对应检测点；

第二步，安装于铺粉机构1上的光电位置传感器4通过电机的控制以及铺粉机构1的带动可实现纵横两个方向的自由移动，根据控制系统9指令使得检测激光7入射某一对应检测点时，光电位置光感器精确定位于该对应检测点的位置，以接收第一步的检测激光7；

第三步，检测激光7经过扫描系统8被光电位置传感器4接收，在其内部相对电极上产生输出电流I，电流反馈至控制系统9得到激光作用位置与光电位置传感器4原点偏移量δx(ε₁X，ε₂Y)＝f(I)，δy(ε₁X，ε₂Y)＝g(I)；其中，δx为检测激光7在光电位置传感器4坐标中X方向的偏移分量，δy为检测激光7在光电位置传感器4坐标中Y方向的偏移分量；

第四步，当|δx(ε₁X，ε₂Y)|≥σ或|δy(ε₁X，ε₂Y)|≥σ(σ为预设值，例如为0.03mm)时，控制系统9依据补偿计算计算坐标位置(X，Y)对应的角度补偿值△θ，否则，确定该对应检测点的补偿值为0；其中，依据补偿计算坐标位置(X，Y)对应的角度补偿值△θ具体为：

步骤41、控制系统9记录对应检测点对应的目标检测点的位置坐标并运算得到此时扫描系统8的第一镜片的偏转角θ1(X+1/ε₁˙δx(ε₁X，ε₂Y)，Y+1/ε₂˙δy(ε₁X，ε₂Y))＝F(X+1/ε₁˙δx(ε₁X，ε₂Y)，Y+1/ε₂˙δy(ε₁X，ε₂Y))，第二镜片的偏转角θ2(X+1/ε₁˙δx(ε₁X，ε₂Y)，Y+1/ε₂˙δy(ε₁X，ε₂Y))＝G(X+1/ε₁˙δx(ε₁X，ε₂Y)，Y+1/ε₂˙δy(ε₁X，ε₂Y))；

步骤42、获得该目标检测点的坐标位置(X，Y)相应的第一镜片的角度补偿值{△θ1(X，Y)＝θ1(X，Y)-θ1(X+1/ε₁˙δx(ε₁X，ε₂Y)，Y+1/ε₂˙δy(ε₁X，ε₂Y))，第二镜片的角度补偿值△θ2(X，Y)＝θ2(X，Y)-θ2(X+1/ε₁˙δx(ε₁X，ε₂Y)，Y+1/ε₂˙δy(ε₁X，ε₂Y))}；其中，θ1(X，Y)为该目标检测点对应的第一镜片的理论偏转角，θ2(X，Y)为该目标检测点对应的第二镜片的理论偏转角。

第五步，重复上述步骤，直至铺粉机构1携带光电位置传感器4遍历所有对应检测点，获得所有点分别对应的补偿值，并将所有补偿值存入补偿集。

第六步，控制系统9根据获得的有限个数坐标点的补偿集进行拟合运算，生成未检测点的近似补偿值或函数关系，形成补偿集以完成校准。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种用于扫描系统的校准装置，其特征在于，包括检测激光、控制系统以及设置于铺粉机构顶部并可沿与铺粉方向垂直的方向移动的光电位置传感器，所述光电位置传感器在控制系统的控制下依次移动于若干对应检测点，且当光电位置传感器移动于对应检测点的同时，通过控制扫描系统的偏转使得检测激光在扫描系统的偏转下入射该光电位置传感器，依次获取光电位置传感器的检测信息并根据检测信息对扫描系统进行校准。

2.如权利要求1所述的用于扫描系统的校准装置，其特征在于，所述扫描系统包括第一镜片和第二镜片。

3.如权利要求1所述的用于扫描系统的校准装置，其特征在于，所述校准装置还包括能量衰减模块，用于对经过扫描系统之后，以及入射光电位置传感器之前的检测激光进行能量衰减。

4.如权利要求1所述的用于扫描系统的校准装置，其特征在于，所述用于扫描系统的校准装置在建造前执行，或者在建造中的扫描完成后执行。

5.如权利要求1至4任一项所述的用于扫描系统的校准装置，其特征在于，所述校准装置还包括直线导轨、电机和滑块，所述直线导轨通过支撑架水平安装在铺粉机构的顶部，所述滑块在电机的驱动下可移动地安装在直线导轨上，所述光电位置传感器安装在滑块上。

6.一种权利要求1至5任一项用于扫描系统的校准装置的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建位于激光扫描平面上方且包括光电位置传感器移动位置的虚拟检测平面；

光电位置传感器在控制系统的控制下依次移动于虚拟检测平面的若干对应检测点；且当光电位置传感器移动于对应检测点的同时，通过控制扫描系统的偏转使得检测激光入射该光电位置传感器，所述若干对应检测点与激光扫描平面中的若干目标检测点分别对应；

依次获取光电位置传感器的检测信息并根据检测信息对扫描系统进行校准。

7.如权利要求6所述的用于扫描系统的校准装置的校准方法，其特征在于，依次获取光电位置传感器的检测信息并根据检测信息对扫描系统进行校准具体包括：

依次获取光电位置传感器的在各个对应检测点的偏移量并分别判断对应检测点的偏移量是否大于或等于预设值，当某个对应检测点的偏移量大于或等于预设值时，通过该对应检测点的偏移量计算该对应检测点的补偿值，否则，确定该对应检测点的补偿值为0；

将若干对应检测点的补偿值作为对应的若干目标检测点的补偿值；

将若干目标检测点的补偿值通过拟合运算得到补偿集，该补偿集包括激光扫描平面中所有点分别对应的补偿量；

当扫描系统接收到扫描指令时，控制系统控制扫描系统针对激光扫描平面中的每一点进行相应偏转以进行扫描，且激光扫描平面中每一点对应的扫描系统的偏转角为该点对应的扫描系统的理论偏转角与补偿量之和。

8.如权利要求7所述的用于扫描系统的校准装置的校准方法，其特征在于，通过该对应检测点的偏移量计算该对应检测点的补偿值具体包括：

根据获取的光电位置传感器在对应检测点的偏移量得到该对应检测点对应的目标检测点在激光扫描平面的实际位置值；

从预存的理论位置集中查找该目标检测点在激光扫描平面的实际位置值对应的理论偏转角并将该理论偏转角记作实际偏转角，同时从预存的理论位置集中查找该目标检测点在激光扫描平面的理论位置值对应的理论偏转角；

将理论偏转角与对应的实际偏转角相减得到该对应检测点的补偿值。

9.如权利要求7或8所述的用于扫描系统的校准装置的校准方法，其特征在于，将若干目标检测点的补偿值通过拟合运算得到补偿集具体包括：

将若干目标检测点的补偿值通过拟合运算得到激光扫描平面中不属于目标检测点的近似补偿值；

将激光扫描平面中所有点的坐标位置以及分别对应的补偿值形成补偿集。

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