CN112092361B - 一种用于制造三维物体的扫描单元的实时检测方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于制造三维物体的扫描单元的实时检测方法和系统，对扫描单元完成校准后，控制单元控制扫描单元的聚焦位置跳转至光电检测单元的检测幅面中心位置，保存该位置为标准位置，控制单元控制激光单元发射激光束，光电检测单元将初始烧结层和非初始烧结层的标准位置光斑位置数据发送给控制单元保存并进行比较，其中，当控制单元接收数据前，进行光电检测单元故障判定，光斑位置数据为光斑中心X、Y坐标值和光斑半径，当初始烧结层和非初始烧结层标准位置的光斑位置数据差值在设定误差范围内，判断扫描单元正常工作，否则，判断扫描单元故障。通过该系统在三维加工制造过程中实时检测振镜工作状态，实时反映三维建造过程中工件加工质量。

Description

一种用于制造三维物体的扫描单元的实时检测方法和系统
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种用于制造三维物体的扫描单元的实时检测方法和系统。
背景技术
选择性固化粉末增材制造技术是快速成型技术之一，其以粉末材料为原料，采用激光或其他能量源对三维实体制件的截面进行逐层扫描完成原型制造，不受零件形状复杂程度的限制，不需要任何的工装模具，应用范围广。
在扫描过程中需要定位装置来实现激光或其他能量源的精确定位。振镜就是目前使用最广的一种定位装置，作为3D打印设备的核心部件之一，振镜的性能与稳定性直接影响3D打印的最终效果。目前行业内少有对打印过程中振镜故障或性能判定的装置，大都通过视频监控振镜扫描图像或者人为监视烧结效果来判断振镜是否在打印中突然不动作，或者动作有异常，无法对振镜实时定位精度进行检测，无法在建造过程中实时判断振镜是否出现故障并及时终止建造，无法反映三维建造过程中工件的加工质量。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种用于制造三维物体的扫描单元的实时检测方法和系统，通过该系统在三维加工制造过程中实时检测振镜的工作状态，能够判断振镜是否出现某一个轴不运动，或者定位不准、温漂等问题，在建造过程中实时判断振镜是否出现故障并及时终止建造，实时反映三维建造过程中工件的加工质量。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于制造三维物体的扫描单元的实时检测方法，对扫描单元完成校准后，所述控制单元控制扫描单元的聚焦位置跳转至光电检测单元的检测幅面中心位置，保存该位置为标准位置，控制单元控制激光单元发射激光束，光电检测单元将初始烧结层和非初始烧结层的标准位置的光斑位置数据发送给控制单元保存并进行比较，其中，当所述控制单元接收数据前，进行光电检测单元故障判定，所述光斑位置数据为光斑中心的X、Y坐标值和光斑半径，当初始烧结层和非初始烧结层的标准位置的光斑位置数据差值在设定误差范围内，判断扫描单元正常工作，否则，判断扫描单元故障。
作为本发明的进一步优选方案，所述初始烧结层标准位置的光斑位置数据为光斑中心坐标值(X0，Y0)和光斑半径R0，所述非初始烧结层的标准位置的光斑位置数据为光斑中心坐标值(Xn，Yn)和光斑半径Rn，初始烧结层和非初始烧结层的标准位置的光斑位置数据差值为dX＝Xn-X0，dY＝Yn-Y0，dR＝Rn-R0。
作为本发明的进一步优选方案，所述非初始烧结层至少为一层。
作为本发明的进一步优选方案，所述光电检测单元的数量为一个或多个。
作为本发明的进一步优选方案，所述光电检测单元的故障判定方法为：当所述光电检测单元的数量为一个且检测到光斑位置数据时，判定光电检测单元正常。
作为本发明的进一步优选方案，所述光电检测单元的故障判定方法为：所述光电检测单元的故障判定方法为：当所述光电检测单元的数量为一个且无法检测到光斑位置数据时，扫描单元的X轴或者Y出现定位误差过大，导致光斑无法定位在光电检测单元上；或者扫描单元的X轴或Y轴出现无法运动的现象；或者光电检测单元自身故障导致无法检测到光斑位置信息。
作为本发明的进一步优选方案，所述光电检测单元的故障判定方法为：当所述光电检测单元的数量为多个且都检测到光斑位置数据时，判定光电检测单元正常。
作为本发明的进一步优选方案，所述光电检测单元的故障判定方法为：当所述光电检测单元的数量为多个且其中至少一个光电检测单元无法检测到光斑位置数据时，每个所述扫描单元的故障情况判断方法如下：若其余光电检测单元均检测到的光斑位置信息，并且比较的数值均在允许范围内，判定无法检测到光斑位置数据的光电检测单元自身故障。
本发明还提供一种用于制造三维物体的扫描单元的实时检测系统，包括控制单元、激光单元、扫描单元和光电检测单元，用于实现如所述的用于制造三维物体的扫描单元的实时检测方法。
作为本发明的进一步优选方案，所述光电检测单元设于成型区域边界的位置，与成型区域在同一平面，并在扫描单元的最大扫描范围内。
本发明提供了一种用于制造三维物体的扫描单元的实时检测方法和系统，通过该系统在三维加工制造过程中实时检测振镜的工作状态，能够判断振镜是否出现某一个轴不运动，或者定位不准、温漂等问题，在建造过程中实时判断振镜是否出现故障并及时终止建造，实时反映三维建造过程中工件的加工质量。
附图说明
图1为一实施例中一种用于制造三维物体的扫描单元的实时检测系统的结构示意图；
图2为一实施例中一种用于制造三维物体的扫描单元的实时检测方法的原理示意图；
图3为一实施例中一种用于制造三维物体的扫描单元的实时检测方法的又一原理示意图；
图4为一实施例中一种用于制造三维物体的扫描单元的实时检测系统的又一结构示意图
附图标记：1、控制单元；2、激光单元；3、扫描单元；4、第一光电检测单元；5、成型区域；6、第二光电检测单元；7、第三光电检测单元；8、标准光斑；9、第一检测光斑；10、第二检测光斑。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本说明书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。本说明书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，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“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。
在本发明中，一种用于制造三维物体的扫描单元的实时检测方法，对扫描单元完成校准后，控制单元控制扫描单元的聚焦位置跳转至光电检测单元的检测幅面中心位置，保存该位置为标准位置，控制单元控制激光单元发射激光束，光电检测单元将初始烧结层和非初始烧结层的标准位置的光斑位置数据发送给控制单元保存并进行比较，其中，当控制单元接收数据前，进行光电检测单元故障判定，光斑位置数据为光斑中心的X、Y坐标值和光斑半径，当初始烧结层和非初始烧结层的标准位置的光斑位置数据差值在设定误差范围内，判断扫描单元正常工作，否则，判断扫描单元故障。
作为本发明的进一步优选方案，初始烧结层标准位置的光斑位置数据为光斑中心坐标值(X0，Y0)和光斑半径R0，非初始烧结层的标准位置的光斑位置数据为光斑中心坐标值(Xn，Yn)和光斑半径Rn，初始烧结层和非初始烧结层的标准位置的光斑位置数据差值为dX＝Xn-X0，dY＝Yn-Y0，dR＝Rn-R0。
作为本发明的进一步优选方案，非初始烧结层至少为一层。
作为本发明的进一步优选方案，光电检测单元的数量为一个或多个。
作为本发明的进一步优选方案，所述光电检测单元的故障判定方法为：当所述光电检测单元的数量为一个且检测到光斑位置数据时，判定光电检测单元正常。此时，所述扫描单元的故障情况判断方法如下：当dX、dY和dR中的一项或多项超过最大允许误差后，即对应判定X轴、Y轴和Z轴中的一项或多项出现定位故障。
作为本发明的进一步优选方案，所述光电检测单元的故障判定方法为：当光电检测单元的数量为一个且无法检测到光斑位置数据时，扫描单元的故障情况判断方法如下：扫描单元的X轴或者Y出现定位误差过大，导致光斑无法定位在光电检测单元上；或者扫描单元的X轴或Y轴出现无法运动的现象；或者光电检测单元自身故障导致无法检测到光斑位置信息。
作为本发明的进一步优选方案，所述光电检测单元的故障判定方法为：当光电检测单元的数量为多个且都检测到光斑位置数据时，判定光电检测单元正常。此时，每个扫描单元的故障情况判断方法如下：当dX、dY和dR中的一项或多项超过最大允许误差后，即对应判定X轴、Y轴和Z轴中的一项或多项出现定位故障。
作为本发明的进一步优选方案，所述光电检测单元的故障判定方法为：当光电检测单元的数量为多个且其中至少一个光电检测单元无法检测到光斑位置数据时，若其余光电检测单元均检测到的光斑位置信息，并且比较的数值均在允许范围内，判定无法检测到光斑位置数据的光电检测单元自身故障。
本发明还提供一种用于制造三维物体的扫描单元的实时检测系统，包括控制单元、激光单元、扫描单元和光电检测单元，实现用于制造三维物体的扫描单元的实时检测方法。
作为本发明的进一步优选方案，光电检测单元设于成型区域边界的位置，与成型区域在同一平面，并在扫描单元的最大扫描范围内。
为了让本领域技术人员更好地理解并实现本发明的技术方案，以下将结合说明书附图和实施例做进一步详细说明
在本发明中，图1为单检测单元，图2和图3为采用图1检测系统的的实时检测系统检测原理示意图，图4为多检测单元，以下为本发明的实时检测系统的检测方法工作过程。
在图1中，示出的是一种用于制造三维物体的扫描单元的实时检测系统，包括控制单元1、激光单元2、扫描单元3和光电检测单元4。其中光电检测单元4位于靠近成型区域5边界的位置，与成型区域5在同一平面，并在扫描单元3的最大扫描范围内。
当扫描单元3完成校准后，由控制单元1控制扫描单元3，令其聚焦位置跳转至光电检测单元4的检测幅面中心位置附近，如图2所示，保存该位置为标准位置8，控制单元1控制激光单元2发射低功率激光信号或者低功率的导向光，光电检测单元3将此位置检测到的标准光斑8中心坐标值(X0，Y0)和标准光斑半径R0发送给控制单元1，控制单元1将这些数据保存。此操作可以执行多次，求平均值，然后保存记录。为避免光电检测单元3被高功率光信号烧毁，可选择带有功率衰减片的光电检测单元。
设备开机后，每完成一层粉末的烧结后，均由控制单元1控制扫描单元3和激光单元2，令其跳转至标准光斑8位置处，由光电检测单元4将检测光斑9坐标值(Xn，Yn)和检测光斑半径值Rn发送给控制单元1并记录，然后开启下一层粉末的烧结工作。控制单元1每收到一组(Xn，Yn)和Rn，便将其与标准光斑8坐标值(X0，Y0)和半径R0进行比较，计算出dR＝Xn-X0，dY＝Yn-Y0，dR＝Rn-R0，当差值超过最大允许误差后，即判定振镜出现定位故障报警。通过误差值判定，可进一步推测出扫描系统是哪一个轴出现故障，dX代表扫描系统X轴的定位误差，dY代表扫描系统Y轴的定位误差，dR代表扫描系统Z轴的定位误差。例如，当某层的dX大于最大允许误差，而dY和dR都在误差允许范围内时，即可得到扫描系统X轴出现故障的判定；当dR大于最大允许误差，如图3所示，第二检测光斑10和标准光斑8中心重合，但是第二检测光斑10的光斑半径Rn远大于标准光斑8的光斑半径R0，而dX和dY都在误差允许范围内时，即可得到扫描系统Z轴出现故障的判定；当dX和dY同时大于最大允许误差，如图2所示，第一检测光斑9与标准光斑8的光斑半径之差dR在误差允许范围内，即可得到扫描系统X轴和Y轴出现故障的判定。
当光电检测单元4出现无法检测到光斑位置信息时，可能是扫描单元3的X轴或者Y出现定位误差过大，导致光斑无法定位在光电检测单元4上，或者是扫描单元3的X轴或Y轴出现无法运动的现象，又或者是光电检测单元4自身故障导致无法检测到光斑位置信息。为了避免由于光电检测单元4自身故障而导致的误报警，进一步的，可以增加光电检测单元6、光电检测单元7等多个光电检测单元，如图4所示，通过各个光电检测单元反馈数据来综合判断故障信息。例如，当光电检测单元4无法检测到光斑位置信息时，而光电检测单元6和光电检测单元7同时检测到光斑位置信息，并且误差值均在允许范围内时，即可判定是光电检测单元4自身故障，从而在后续的检测中剔除光电检测单元4的测试数据，直至更换能够正常工作的光电检测单元4。
在三维打印加工过程中，控制单元1将实时接收到的光电检测单元4数据进行存储整理，可实时形成X、Y、Z轴的误差曲线，供技术人员分析三维打印过程中的加工质量信息。
本发明提供了一种用于制造三维物体的扫描单元的实时检测方法和系统，通过该系统在三维加工制造过程中实时检测振镜的工作状态，能够判断振镜是否出现某一个轴不运动，或者定位不准、温漂等问题，在建造过程中实时判断振镜是否出现故障并及时终止建造，实时反映三维建造过程中工件的加工质量。
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均应属于本发明的保护范围。应当指出，在不脱离本发明原理前提下的若干修改和修饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于制造三维物体的扫描单元的实时检测方法，其特征在于，对扫描单元完成校准后，控制单元控制扫描单元的聚焦位置跳转至光电检测单元的检测幅面中心位置，保存该位置为标准位置，控制单元控制激光单元发射激光束，光电检测单元将初始烧结层和非初始烧结层的标准位置的光斑位置数据发送给控制单元保存并进行比较，其中，当所述控制单元接收数据前，进行光电检测单元故障判定，所述光斑位置数据为光斑中心的X、Y坐标值和光斑半径，当初始烧结层和非初始烧结层的标准位置的光斑位置数据差值在设定误差范围内，判断扫描单元正常工作，否则，判断扫描单元故障。
2.根据权利要求1所述的用于制造三维物体的扫描单元的实时检测方法，其特征在于，所述初始烧结层标准位置的光斑位置数据为光斑中心坐标值(X0，Y0)和光斑半径R0，所述非初始烧结层的标准位置的光斑位置数据为光斑中心坐标值(Xn，Yn)和光斑半径Rn，初始烧结层和非初始烧结层的标准位置的光斑位置数据差值为dX＝Xn-X0，dY＝Yn-Y0，dR＝Rn-R0。
3.根据权利要求2所述的用于制造三维物体的扫描单元的实时检测方法，其特征在于，所述非初始烧结层至少为一层。
4.根据权利要求3所述的用于制造三维物体的扫描单元的实时检测方法，其特征在于，所述光电检测单元的数量为一个或多个。
5.根据权利要求4所述的用于制造三维物体的扫描单元的实时检测方法，其特征在于，所述光电检测单元的故障判定方法为：当所述光电检测单元的数量为一个且检测到光斑位置数据时，判定光电检测单元正常。
6.根据权利要求4所述的一种用于制造三维物体的扫描单元的实时检测方法，其特征在于，所述光电检测单元的故障判定方法为：当所述光电检测单元的数量为一个且无法检测到光斑位置数据时，扫描单元的X轴或者Y轴出现定位误差过大，导致光斑无法定位在光电检测单元上；或者扫描单元的X轴或Y轴出现无法运动的现象；或者光电检测单元自身故障导致无法检测到光斑位置信息。
7.根据权利要求4所述的一种用于制造三维物体的扫描单元的实时检测方法，其特征在于，所述光电检测单元的故障判定方法为：当所述光电检测单元的数量为多个且都检测到光斑位置数据时，判定光电检测单元正常。
8.根据权利要求4所述的一种用于制造三维物体的扫描单元的实时检测方法，其特征在于，所述光电检测单元的故障判定方法为：当所述光电检测单元的数量为多个且其中至少一个光电检测单元无法检测到光斑位置数据时，若其余光电检测单元均检测到的光斑位置信息，并且比较的数值均在允许范围内，判定无法检测到光斑位置数据的光电检测单元自身故障。
9.一种用于制造三维物体的扫描单元的实时检测系统，包括控制单元、激光单元、扫描单元和光电检测单元，其特征在于，用于实现如权利要求1-8任一项 所述的用于制造三维物体的扫描单元的实时检测方法。
10.根据权利要求9所述一种用于制造三维物体的扫描单元的实时检测系统，其特征在于，所述光电检测单元设于成型区域边界的位置，与成型区域在同一平面，并在扫描单元的最大扫描范围内。
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