CN111854601B - 用于多激光多扫描系统的校准装置及其校准方法 - Google Patents

Abstract

一种用于多激光多扫描系统的校准装置及其校准方法，其中校准装置包括：底板、两条导轨、滑动机构、多束检测激光、控制系统以及光电位置传感器，控制系统在拼接区域中选取一条拼接线，并在拼接线上选取多个检测点；控制系统通过移动至少一条滑动机构运动以驱动对应的光电位置传感器移动于多个检测点；且当某一光电位置传感器移动于某一检测点时，控制所有扫描系统进行偏转使得该拼接区域对应的所有检测激光依次入射该检测点，获取所有光电位置传感器的检测信息并根据检测信息对多个扫描系统进行校准。本发明避免了不同扫描系统扫描点位不重合导致的重复扫描或扫描分离带来的明显拼接痕迹，即减小了工作区域内的热应力，提高了整体成型质量。

Description

用于多激光多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多激光多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，成型缸活塞或基板下降一个层的厚度，铺粉机构3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成型过程中，通常由一套振镜系统控制一个激光器来实现整个截面的扫描烧结。随着工业化智能制造和快速成型技术的发展，快速成型技术的应用越来越广泛；其烧结成型区域的截面面积逐渐增大，单振镜单激光器的配置已无法满足需求，加之对快速成型设备成形效率的不断提升。多振镜多激光分区扫描烧结成了快速成型领域面向高效率、大尺寸及批量智能制造的一种新成型工艺，是快速成型设备发展的新趋势。

然而在上述多振镜多激光快速成型技术中，如何精准实现多个激光对应扫描位置拼合，扩大扫描幅面成为技术关键。目前，多激光扫描拼接一般采用多个高能激光束在特制校准板上扫描固定位置，经扫描仪扫描并通过模块处理，输出图像文件进行位置比对，通过调整扫描系统实现不同激光对应扫描位置的重合程度来实现。该方法在校正前需经过定位、调平等一系列复杂操作，且校正过程中采集信息往往通过人工测量，主观性强，误差较大，无法满足精度要求。

发明内容

基于此，本发明提供了一种操作简单，自动化程度高，且具有良好的稳定性及精度的用于多激光多扫描系统的校准装置及其校准方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于多激光多扫描系统的校准装置，包括：底板、平行设置于底板上两侧的两条导轨、跨设在两条导轨上的至少一条滑动机构、多束检测激光、控制系统以及设置于滑动机构上的至少一个光电位置传感器，所述控制系统在至少一个拼接区域中选取一条拼接线，并在拼接线上选取多个检测点；控制系统通过移动至少一条滑动机构运动以驱动对应的光电位置传感器移动于多个检测点；且当某一光电位置传感器移动于某一检测点时，控制该拼接区域对应的所有扫描系统进行偏转使得该拼接区域对应的所有检测激光依次入射该检测点，获取所有光电位置传感器的检测信息并根据检测信息对多个扫描系统进行校准。

作为本发明的进一步优选方案，所述底板上设有至少三个调平孔，每个调平孔内均设有螺旋微动机构，以通过分别旋转三个调平孔内的螺旋微动机构使得底板平行于水平面。

作为本发明的进一步优选方案，所述检测激光和扫描系统的数量均为2，且所述光电传感器移动或固定安装于滑动机构上。

作为本发明的进一步优选方案，所述拼接线贯穿拼接区域的整个长度方向，且拼接线为直线或曲线。

作为本发明的进一步优选方案，所述检测点的数量为两个，且分别位于拼接线的两个端点。

本发明还提供了一种用于多激光多扫描系统的校准装置的校准方法，包括以下步骤：

控制系统在至少一个拼接区域中选取一条拼接线，并在拼接线上选取多个检测点；

控制系统控制对应的光电位置传感器移动于多个检测点；且当某一光电位置传感器移动于某一检测点时，分别控制该拼接区域对应的所有扫描系统进行偏转使得该拼接区域对应的所有检测激光依次入射该检测点；

获取所有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，当该拼接区域对应的所有检测激光为第一检测激光和第二检测激光，且该拼接区域对应的所有扫描系统为与第一检测激光配套的第一扫描系统，以及与第二检测激光配套的第二扫描系统，所述方法具体包括：

控制系统在该拼接区域中选取一条拼接线，并在拼接线上选取n个检测点；

控制系统控制对应的光电位置传感器移动于多个检测点；且当某一光电位置传感器移动于某一检测点时，分别控制第一扫描系统和第二扫描系统进行偏转使得第一检测激光和第二检测激光依次入射该检测点；

获取所有光电位置传感器的检测信息并根据检测信息对第一扫描系统和第二扫描进行校准。

作为本发明的进一步优选方案，所述获取所有光电位置传感器的检测信息并根据检测信息对第一扫描系统和第二扫描进行校准具体包括：

步骤11、控制系统控制对应光电位置传感器移动至拼接线上某一选定检测点，其坐标为(x_i，y_i)，第一扫描系统和第二扫描系统根据该坐标值偏转镜片角度，并依次开启第一检测激光和第二检测激光，且第一检测激光和第二检测激光分别经过对应的第一扫描系统作用和第二扫描系统后在相应电极上分别产生输出电流；

步骤12、控制系统根据该光电位置传感器反馈的输出电流分别计算第一检测激光的实际作用位置(△x_ai，△y_ai)和第二检测激光的实际作用位置(△x_bi，△y_bi)；

步骤13、重复步骤11和步骤12以遍历所有检测点，以得到一偏移坐标集{(△x_ai，△y_ai)、(△x_bi，△y_bi)}，i从1到n。

步骤14、当

或/>

时，通过控制第一扫描系统和/或第二扫描系统的偏转，使得由第一检测激光和第一扫描系统生成的第一扫描平面和/或由第二检测激光和第二扫描系统生成的第二扫描平面进行旋转，以使拼接线上所有检测点对应的同一检测激光实际作用位置与光电位置传感器原点形成的线段相等且同向平行，所述线段方向是由光电位置传感器原点指向检测激光实际作用位置，或者所述线段方向是由检测激光实际作用位置指向光电位置传感器原点，所述ε为预设阈值；

步骤15、重复步骤13和14，直至

且

作为本发明的进一步优选方案，所述ε≤1/2σ，σ为成型时激光作用于原材料形成的熔池线宽。

作为本发明的进一步优选方案，在步骤15执行后还包括：逐一计算第一检测激光和第二检测激光在同一检测点的实际作用位置与光电位置传感器原点之间的距离△δ_ai、△δ_bi，且当

结束校准流程，否则，通过控制第一扫描系统和/或第二扫描系统的偏转，使得第一扫描平面和/或第二扫描平面进行平移以使△δ_ai≤ε、△δ_bi≤ε。

本发明的用于多激光多扫描系统的校准装置及其校准方法，通过移动光电位置传感器准确采集拼接区域中拼接线上选取的多个检测点的多束激光束的偏移量信息，并通过多个检测点的偏移量对比判断调整多个扫描系统运动，从而实现了扫描点位的高度重合，整个控制及校准过程由控制系统执行指令自动进行，有效实现多个激光扫描位置的无缝拼接。而且，本发明用于多激光多扫描系统的校准装置及其校准方法操作简单，自动化程度高，避免了大量人工操作而引入的误差，具有良好的稳定性及精度；且避免了不同扫描系统扫描点位不重合导致的重复扫描或扫描分离带来的明显拼接痕迹，即减小了工作区域内的热应力，提高了整体成型质量。

附图说明

图1为本发明用于多激光多扫描系统的校准装置提供的一实施例的结构示意图；

图2为本发明用于多激光多扫描系统的校准装置提供的一实施例的工作原理图；

图3为本发明用于多激光多扫描系统的校准装置提供的另一实施例的工作区域划分图；

图4为本发明用于多激光多扫描系统的校准装置的校准方法提供的一实施例的方法流程图；

图5为本发明用于多激光多扫描系统的校准装置的校准方法提供的一优选实施例的方法流程图。

图中标号：1、第一扫描系统，2、第二扫描系统，3、第一检测激光，4、第二检测激光，5、第一扫描平面，6、第二扫描平面，7、拼接区域，8、光电位置传感器，9、控制系统，10、底板，11、调平孔，12、滑动机构，13、导轨。

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和图2所示，用于多激光多扫描系统的校准装置包括：底板10、平行设置于底板10上两侧的两条导轨13、跨设在两条导轨13上的至少一条滑动机构12、多束检测激光、控制系统9以及设置于滑动机构12上的至少一个光电位置传感器8，所述控制系统9在至少一个拼接区域7中选取一条拼接线，并在拼接线上选取多个检测点；控制系统9通过移动至少一条滑动机构12运动以驱动对应的光电位置传感器8移动于多个检测点；且当某一光电位置传感器8移动于某一检测点时，控制该拼接区域7对应的所有扫描系统进行偏转使得该拼接区域7对应的所有检测激光依次入射该检测点，获取所有光电位置传感器8的检测信息并根据检测信息对多个扫描系统进行校准。所述扫描系统可为两轴结合场镜的振镜扫描系统，也可为三轴动态聚焦振镜扫描系统。检测激光可以是来自激光器的高能激光束或自带指示光，也可以是通过系统同轴引入的其他激光束，在此不做限制。

在此需说明的是，本发明主要是针对拼接区域7检测多扫描系统的拼接准确度且在准确度较低时进行校准，因此默认多扫描系统的各个单扫描系统的扫描是准确的，或者是经过校准达到一定准确度的。

上述拼接区域7为对应多扫描系统的扫描覆盖范围，可由控制系统9指定任意一个扫描系统或两个扫描系统同步进行扫描，但同一位置不重复执行扫描操作。多扫描系统的扫描线在拼接区域7内的任一位置进行拼接扫描，形成一个扫描拼接线，以扫描拼接线为界，多扫描系统各自获取来自控制系统9的分层切片信息进行拼接线两侧区域扫描，而扫描拼接线可由其中任一扫描系统完成扫描，但无论由哪一扫描系统执行操作，拼接线上不同扫描系统作用的同一位置满足距离足够近，视为完全拼接。

在此需说明的是，本发明文件中提到的多字均是指两个或两个以上。另外，本发明的用于多激光多扫描系统的校准装置可应用于2个或两个以上的扫描系统进行校准，图2是以两个扫描系统为例显示本发明的工作原理，图3显示的是四个扫描系统，每两个扫描系统形成一拼接区域7，即形成了四个拼接区域7，每个拼接区域7按照上述校准装置进行校准即可。另外，也有可能一个三个或多个扫描系统形成一拼接区域7，此时该拼接区域7对应的扫描系统则为三个或四个，且对应的检测激光也为三束或四束。

优选地，所述底板10上设有至少三个调平孔11，每个调平孔11内均设有螺旋微动机构，以通过分别旋转三个调平孔11内的螺旋微动机构使得底板10平行于水平面，具体地，通过旋转螺旋微动机构实现其一端伸出底板10的长度，从而控制底板10与所处底面在一定夹角范围内变化，即实现其平行于水平面。

具体实施中，可根据选取的检测点数量选择一条或多条滑动机构12，且所述光电传感器移动或固定安装于滑动机构12上，例如，当滑动机构12为多条时，光电位置传感器8可移动或固定安装滑动机构12上；而当滑动机构12为一条时，光电位置传感器8可移动地安装滑动机构12上，因为光电位置传感器8移动可实现多个检测点的检测。另外，所述光电位置传感器8可为一个，即通过移动实现，仅适用于检测点较少时适用；其也可以为多个，可移动或固定装置于一条滑动机构12，常常用于检测点较多时适用。且一个光电位置光感器可对应一个检测点，也可以对应多个检测点，在此不做限制。

具体地，所述拼接线贯穿拼接区域7的整个长度方向且拼接线为直线或曲线，具体地，该拼接线可以是某一激光的实际作用线，也可以是参与拼接的激光的实际作用线所对应的理论作用线。优选地，所述检测点的数量为两个，且分别位于拼接线的两个端点，不仅可实现多扫描系统的校准，而且减少了校准步骤，提高了操作效率。

如图4所示，本发明还提供了一种用于多激光多扫描系统的校准装置的校准方法，包括以下步骤：

步骤41、控制系统9在至少一个拼接区域7中选取一条拼接线，并在拼接线上选取多个检测点；

步骤42、控制系统9控制对应的光电位置传感器8移动于多个检测点；且当某一光电位置传感器8移动于某一检测点时，分别控制该拼接区域7对应的所有扫描系统进行偏转使得该拼接区域7对应的所有检测激光依次入射该检测点；

步骤43、获取所有光电位置传感器8的检测信息并根据检测信息对扫描系统进行校准。

当该拼接区域7对应的所有检测激光为第一检测激光3和第二检测激光4，且该拼接区域7对应的所有扫描系统为与第一检测激光3配套的第一扫描系统1，以及与第二检测激光4配套的第二扫描系统2，参见图1和图4，所述方法具体包括：

控制系统9在该拼接区域7中选取一条拼接线，并在拼接线上选取n个检测点；

控制系统9控制对应的光电位置传感器8移动于多个检测点；且当某一光电位置传感器8移动于某一检测点时，分别控制第一扫描系统1和第二扫描系统2进行偏转使得第一检测激光3和第二检测激光4依次入射该检测点；

获取所有光电位置传感器8的检测信息并根据检测信息对第一扫描系统1和第二扫描进行校准。

所述获取所有光电位置传感器8的检测信息并根据检测信息对第一扫描系统1和第二扫描进行校准具体包括：

步骤11、控制系统9控制对应光电位置传感器8移动至拼接线上某一选定检测点，其坐标为(x_i，y_i)，第一扫描系统1和第二扫描系统2根据该坐标值偏转镜片角度，并依次开启第一检测激光3和第二检测激光4，且第一检测激光3和第二检测激光4分别经过对应的第一扫描系统1作用和第二扫描系统2后在相应电极上分别产生输出电流；

步骤12、控制系统9根据该光电位置传感器8反馈的输出电流分别计算第一检测激光3的实际作用位置(△x_ai，△y_ai)和第二检测激光4的实际作用位置(△x_bi，△y_bi)；

步骤13、重复步骤11和步骤12以遍历所有检测点，以得到一偏移坐标集{(△x_ai，△y_ai)、(△x_bi，△y_bi)}，i从1到n；

步骤14、当

或/>

时，通过控制第一扫描系统1和/或第二扫描系统2的偏转，使得由第一检测激光3和第一扫描系统1生成的第一扫描平面5和/或由第二检测激光4和第二扫描系统2生成的第二扫描平面6进行旋转，以使拼接线上所有检测点对应的同一检测激光实际作用位置与光电位置传感器8原点形成的线段相等且同向平行，即完成扫描系统对应扫描范围绕中心原点的旋转操作，从而实现了第一扫描系统1和第二扫描系统2的校准。所述线段方向是由光电位置传感器8原点指向检测激光实际作用位置，或者所述线段方向是由检测激光实际作用位置指向光电位置传感器8原点，所述ε为预设阈值；优选地，所述ε≤1/2σ，σ为成型时激光作用于原材料形成的熔池线宽。上述第一扫描平面5由第一检测激光3经第一扫描系统1形成，第二扫描平面6由第二检测激光4经第二扫描系统2形成，且第一扫描平面5和第二扫描平面6合成为一个完整的扫描平面；

步骤15、重复步骤13和14，直至

且

作为优选地，为了进一步提高校准精度，在步骤15执行后还包括：逐一计算第一检测激光3和第二检测激光4在同一检测点的实际作用位置之间的距离△δ_ai、△δ_bi，且当

结束校准流程，否则，通过控制第一扫描系统1和/或第二扫描系统2的偏转，使得第一扫描平面5和/或第二扫描平面6进行平移以使△δ_i≤ε。在此需说明的是，需针对所有选取的检测点均进行判断其实际作用位置之间的距离△δ_i，并分别判断距离△δ_i是否小于或等于ε，满足条件则结束流程，否则进行上述校准。

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，下面一优选实施例并结合图5对本发明的技术方案进行详细阐述。

如图5所示，用于多激光多扫描系统的校准装置的校准方法包括以下步骤：

步骤51、控制系统9在拼接区域7指定拼接线位置(例如拼接线为贯穿整个拼接区域7长度方向的弧线)，在拼接线上选定n个坐标点，并存储坐标值，n≥2。

步骤52、校准装置置于成型区内的活塞平面上，依次调节调平孔11内的微动螺旋机构实现底板10处于水平状态。控制系统9指示成型缸内活塞上下运动，直至光电位置传感器8信息接收面达到激光聚焦面，即扫描平面。

步骤53、控制器系统控制校准装置上的滑动机构12，将光电位置传感器8的检测原点移动至拼接线上某一选定坐标(x_i，y_i)，第一扫描系统1和第二扫描系统2根据该坐标值偏转镜片角度，依次开启第一检测激光3和第二检测激光4，第一检测激光3和第二检测激光4分别经过对应的第一扫描系统1和第二扫描系统2作用于光电位置传感器8的信息接收面，并在相应电极上分别产生输出电流。

步骤54、控制系统9根据光电位置传感器8反馈的输出电流分别计算第一检测激光3和第二检测激光4的实际作用位置的偏移坐标(△x_ai，△y_ai)、(△x_bi，△y_bi)。

步骤55、光电位置传感器8移至下一坐标，重复步骤53、54，得到一偏移坐标集{(△x_ai，△y_ai)、(△x_bi，△y_bi)}，i从1到n。

步骤56、当

或/>

(只要两者满足之一)时，ε为指定精度要求，ε取值≤1/2σ，σ为成型时激光作用于材料形成的熔池线宽，控制系统9依据扫描系统扫描坐标与偏转角之间的固有函数关系，对各处偏转角进行修正补偿，以完成扫描系统对应扫描范围绕中心原点的旋转操作。

步骤57、重复步骤53、54、55和56，直至

且

也就是所有检测激光需要满足公式

/>

步骤58、判断第一检测激光3和第二检测激光4分别在同一坐标(x_i，y_i)实际作用点与光电位置传感器原点之间的距离是否一致(即是否在预设阈值，也就是允许误差内)，即

当△δ_i＞ε，控制系统9生成角度偏移量，扫描系统接收控制系统9的指令动作，缩小距离差以满足精度要求，角度偏移量补偿至全局扫描范围所有坐标扫描点，实现扫描范围的整体平移，以使△δ_i≤ε，即平移与理想的平面一致，此时便可结束扫描拼接校准。

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 (3)

1.一种用于多激光多扫描系统的校准装置的校准方法，其特征在于，用于多激光多扫描系统的校准装置包括：底板、平行设置于底板上两侧的两条导轨、跨设在两条导轨上的至少一条滑动机构、多束检测激光、控制系统以及设置于滑动机构上的至少一个光电位置传感器，控制系统在至少一个拼接区域中选取一条拼接线，并在拼接线上选取多个检测点；所述拼接线贯穿拼接区域的整个长度方向且拼接线为直线或曲线；所述检测点的数量为两个，且分别位于拼接线的两个端点；

当该拼接区域对应的所有检测激光为第一检测激光和第二检测激光，且该拼接区域对应的所有扫描系统为与第一检测激光配套的第一扫描系统，以及与第二检测激光配套的第二扫描系统，

该校准方法包括：

控制系统在该拼接区域中选取一条拼接线，并在拼接线上选取n个检测点，n＝2；

控制系统控制对应的光电位置传感器移动于多个检测点；且当某一光电位置传感器移动于某一检测点时，分别控制第一扫描系统和第二扫描系统进行偏转使得第一检测激光和第二检测激光依次入射该检测点；

获取所有光电位置传感器的检测信息并根据检测信息对第一扫描系统和第二扫描系统 进行校准；

其中，所述获取所有光电位置传感器的检测信息并根据检测信息对第一扫描系统和第二扫描系统 进行校准具体包括：

步骤11、控制系统控制对应光电位置传感器移动至拼接线上某一选定检测点，其坐标为(x_i，y_i)，第一扫描系统和第二扫描系统根据该坐标值偏转镜片角度，并依次开启第一检测激光和第二检测激光，且第一检测激光和第二检测激光分别经过对应的第一扫描系统作用和第二扫描系统后在相应电极上分别产生输出电流；

步骤12、控制系统根据该光电位置传感器反馈的输出电流分别计算第一检测激光的实际作用位置(△x_ai，△y_ai)和第二检测激光的实际作用位置(△x_bi，△y_bi)；

步骤13、重复步骤11和步骤12以遍历所有检测点，以得到一偏移坐标集{(△x_ai，△y_ai)、(△x_bi，△y_bi)}，i从1到n；

步骤14、当

时，通过控制第一扫描系统和/或第二扫描系统的偏转，使得由第一检测激光和第一扫描系统生成的第一扫描平面和/或由第二检测激光和第二扫描系统生成的第二扫描平面进行旋转，以使拼接线上所有检测点对应的同一检测激光实际作用位置与光电位置传感器原点形成的线段相等且同向平行，所述线段方向是由光电位置传感器原点指向检测激光实际作用位置，或者所述线段方向是由检测激光实际作用位置指向光电位置传感器原点，所述ε为预设阈值；

步骤15、重复步骤13和14，直至

且

2.如权利要求1所述的用于多激光多扫描系统的校准装置的校准方法，其特征在于，所述ε≤1/2σ，σ为成型时激光作用于原材料形成的熔池线宽。

3.如权利要求2所述的用于多激光多扫描系统的校准装置的校准方法，其特征在于，在步骤15执行后还包括：逐一计算第一检测激光和第二检测激光在同一检测点的实际作用位置与光电位置传感器原点之间的距离△δ_ai、△δ_bi，且当

结束校准流程，否则，通过控制第一扫描系统和/或第二扫描系统的偏转，使得第一扫描平面和/或第二扫描平面进行平移以使△δ_ai≤ε、△δ_bi≤ε。/>

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