CN112371998A - 一种选择性激光熔化设备激光振镜的误差校准系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种选择性激光熔化设备激光振镜的误差校准系统及方法，属于选择性激光熔化领域。本发明的误差校准系统，包括校准平面板、标准网格尺、高精度二维成像系统和图像数据处理模块，高精度二维成像系统和图像数据处理模块提取标准网格线点阵、十字阵列中心点，图像数据处理模块利用网格点坐标修正校准平面板上十字中心点坐标，再计算修正后的坐标Cell‑B′与理论坐标之间的误差，对比原始的误差补偿文件，制作新的误差补偿文件。本发明提供的校准系统及方法，可以在客户现场快速的对振镜进行误差校准，同时降低了校准成本、提高了校准精度。
Description
技术领域
本发明涉及选择性激光熔化领域，具体涉及一种用于选择性激光熔化设备激光振镜的误差校准系统及方法。
背景技术
选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)是金属增材制造的一种方式。
激光振镜是选择性激光熔化设备的核心部件之一，它决定了三维零件的成型精度。激光振镜扫描误差主要有枕形误差、聚焦误差、复合畸变误差、非线性误差以及系统误差。目前，激光振镜扫描误差的校准方式分为硬件校准和软件校准两种，而软件校准方式因其经济实用而被大部分人采用。
软件校准方式的本质为建立一种激光振镜偏转角度与激光振镜扫描坐标位置的映射关系。具体校准操作时，首先通过激光-振镜-场镜系统将预设点阵坐标打印到工作平面上；然后测量获取这些点坐标；最后计算这些点坐标与预设点坐标的偏差，根据坐标偏差制作振镜校准文件，修正振镜偏转角度与坐标的映射关系。整个过程中，难点在于如何获取高精度的点坐标位置。
目前，常用的软件校准方法分为两类，一类是通过理论计算对畸变及误差进行校准，包括增量补偿和校正表等方法；另一类是通过测量实际扫描坐标位置与理论值对比并进行校准，包括最小二乘拟合、神经网络标定、坐标变换等方法。前者校准精度差，很难满足SLM的要求；而后者在获取实际扫描坐标位置时，测量精度高的设备如二次元影像仪，设备昂贵、不易携带且测量耗时长；若采用人工测量，则测量结果的一致性较差、测量精度不高、耗时长且很难做到全范围密集性测量。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种选择性激光熔化设备激光振镜的误差校准系统及方法，精度高、速度快、便于现场操作。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种选择性激光熔化设备激光振镜的误差校准系统，包括校准平面板、标准网格尺、高精度二维成像系统和图像数据处理模块，标准网格尺设置在高精度二维成像系统的成像平面上，高精度二维成像系统与图像数据处理模块进行数据传输；
所述校准平面板记录激光振镜运动形成的十字阵列；
所述标准网格尺提供插值数据所需的长度计量数据；
所述高精度二维成像系统获取标准网格尺和十字阵列图像，分别用于校准高精度二维成像系统和选择性激光熔化设备的振镜系统；
所述图像数据处理模块处理高精度二维成像系统获取的图像，得到标准网格线点阵和十字中心点坐标，修正十字中心点坐标，制作误差补偿文件。
上述技术方案中，所述校准平面板为黑色氧化铝板或黑色钢板或激光相纸或胶片，所述标准网格尺的材料为玻璃或陶瓷，所述标准网格尺的精度大于0.5μm/5mm，所述高精度二维成像系统的单个像素尺寸小于10μm。
一种选择性激光熔化设备激光振镜的误差校准方法，具体为：
高精度二维成像系统获取标准网格尺图像A，图像数据处理模块处理所述图像A，获得高精度二维成像系统坐标系下，标准网格尺上各网格点坐标Cell-A；
选择性激光熔化设备在校准平面板上打印十字阵列，高精度二维成像系统获得打印十字阵列的校准平面板图像B，图像数据处理模块处理所述图像B，获得校准平面板上十字阵列中心点坐标Cell-B，图像数据处理模块利用网格点坐标Cell-A修正校准平面板上十字中心点坐标Cell-B；
图像数据处理模块计算修正后的坐标Cell-B′与理论坐标之间的误差，对比原始的误差补偿文件，制作新的误差补偿文件，利用新的误差补偿文件替换原始的误差补偿文件。
进一步，所述图像数据处理模块利用网格点坐标Cell-A修正校准平面板上十字中心点坐标Cell-B，采用双线性插值法，具体为：
其中：fx和fy是修正前的十字中心点坐标，x和y是修正后的十字中心点坐标，x1、x2是修正后的十字中心点附近四个标准网格点的理论横坐标，y1、y2是修正后的十字中心点附近四个标准网格点的理论纵坐标，fx(Pij)是所述四个标准网格点横坐标方向的偏离值，fy(Pij)是所述四个标准网格点纵坐标方向的偏离值，i、j＝1，2。
进一步，所述选择性激光熔化设备在校准平面板上打印十字阵列时，校准平面板平放在选择性激光熔化设备的工作平台平面上，校准平面板通过强力磁铁压住。
进一步，所述图像数据处理模块将各网格点坐标Cell-A按照矩阵形式，生成二维成像系统修正文件，所述文件绑定高精度二维成像系统，在一定时间限制内可重复利用。
本发明的有益效果为：
本发明的振镜校准系统采用高精度二维成像系统(如扫描仪)，便于携带，便于客户现场操作；本发明的振镜校准方法，图像数据处理模块利用计量精度级别的标准网格点坐标修正校准平面板上十字中心点坐标，消除二维成像系统的计量误差，大大提高了十字中心点坐标的数据精度；在实现整个成型区域校准的同时，校准精度高、成本低、耗时短。
附图说明
图1为标准网格尺示意图；
图2为本发明激光振镜的误差校准流程图；
图3为本发明Tr150校准平面板摆放示意图；
图4为本发明Tr150校准平面板十字阵列图；
图中，1-选择性激光熔化设备成型底板；2-黑色氧化铝板；3-磁铁；4-工作平台平面。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
一种选择性激光熔化设备激光振镜的误差校准系统，包括校准平面板、标准网格尺、高精度二维成像系统和图像数据处理模块，标准网格尺设置在高精度二维成像系统的成像平面上，高精度二维成像系统与图像数据处理模块进行数据传输。
校准平面板用于记录激光振镜运动形成的十字阵列，校准平面板为黑色氧化铝板、黑色钢板、激光相纸、胶片等能够记录激光轨迹的平面结构。
标准网格尺(图1)用于提供插值数据所需的长度计量数据，标准网格尺一般由玻璃或陶瓷材料制成，网格尺的区域需覆盖振镜-场镜系统的实际工作范围，网格尺的精度大于0.5μm/5mm。
高精度二维成像系统获取标准网格尺的图像，用于校准高精度二维成像系统；高精度二维成像系统获取校准平面板上的十字阵列图像，用于校准选择性激光熔化设备的振镜系统；高精度二维成像系统的单个像素尺寸小于10μm。
图像数据处理模块处理高精度二维成像系统获取的图像，得到标准网格线点阵和十字中心点坐标，修正十字中心点坐标，制作误差补偿文件，从而校准高精度二维成像系统和校准选择性激光熔化设备的振镜系统；其中标准网格线点阵和十字中心点坐标的获取为现有技术。
获取标准网格线点阵和十字中心点坐标、修正十字中心点坐标时，图像数据处理模块的精度达到亚像素级，即误差远小于单个像素尺寸。
如图2所示，一种选择性激光熔化设备激光振镜的误差校准方法，包括标准网格线点阵提取、十字阵列中心点提取和误差补偿文件制作，具体步骤如下：
(1)标准网格线点阵提取
步骤1)，高精度二维成像系统扫描标准网格尺，获取标准网格尺图像，记为图像A，并传输给图像数据处理模块；
步骤2)，图像数据处理模块处理图像A，获得在高精度二维成像系统坐标系下，标准网格尺上各网格点坐标，记作Cell-A；
利用各网格点的横坐标减去标准网格点的理论横坐标，实现高精度二维成像系统的校准；
图像数据处理模块将各网格点坐标按照矩阵形式，生成二维成像系统修正文件，该文件绑定高精度二维成像系统，在一定时间限制内(一般为1年内)，可重复利用。
(2)十字阵列中心点提取
步骤1)，将校准平面板平放在选择性激光熔化设备工作平台平面上，校准平面板的上表面需要调节到与实际工作平面一致，保证校准效果适应于实际打印情况，在此基础上校准平面板四周用强力磁铁压住；控制选择性激光熔化设备在校准平面板上打印十字阵列，每个十字中心的坐标均有事先拟定的理论坐标；打印结束后，在校准平面板上画上箭头，箭头标识是为了标记工作平台的x轴方向，方便建立坐标系；
步骤2)，在步骤1)标识的箭头方向提示下，高精度二维成像系统获取校准平面板图像，记为图像B，并传输给图像数据处理模块；
步骤3)，图像数据处理模块处理图像B，获得在高精度二维成像系坐标系下，校准平面板上每个十字中心点坐标，记作Cell-B，十字中心点坐标是待校准选择性激光熔化设备的振镜系统运动轨迹的参考坐标；
步骤4)，图像数据处理模块利用标准网格尺上网格点坐标Cell-A，修正校准平面板上十字中心点坐标Cell-B，修正后的坐标记作Cell-B′，修正方法为双线性插值法，如公式(1)所示：
其中：fx和fy是修正前的十字中心点坐标，x和y是方程组待求的修正后的十字中心点坐标；x1、x2是待求的修正后的十字中心点附近四个标准网格点的理论横坐标，y1、y2是待求的修正后的十字中心点附近四个标准网格点的理论纵坐标；fx(Pij)是这四个标准网格点横坐标方向的偏离值(图像数据处理模块获得的标准网格点横坐标减去标准网格点的理论横坐标)，fy(Pij)是这四个标准网格点纵坐标方向的偏离值(图像数据处理模块获得的标准网格点纵坐标减去标准网格点的理论纵坐标)；i、j＝1，2。
如果直接采用商业扫描仪的扫描结果，最大误差有千分之五，对于100mm的方框来说，误差达到50μm；而采用上述方法修正后，误差真正达到亚像素精度，即10μm以下。本发明通过计量精度级别的标准网格点坐标对十字中心点坐标进行了双线性插值修正，消除了二维成像系统的计量误差，大大提高了十字中心点坐标的数据精度。
(3)误差补偿文件制作
步骤1)，图像数据处理模块计算修正后的坐标Cell-B′与理论坐标之间的误差，对比原始的误差补偿文件(选择性激光熔化设备振镜系统出厂时的补偿文件)，利用振镜校准软件(SCANLAB Gmbh corre Xion pro)，制作新的误差补偿文件；
步骤2)，利用新的误差补偿文件替换原始的误差补偿文件，为校准选择性激光熔化设备的振镜系统提供校准所需的数据文件。
没有采用本发明误差校准系统校准的选择性激光熔化设备激光振镜，对于100mm的方框来说，最大误差为mm量级，而经过校准的选择性激光熔化设备激光振镜，误差最高仅为0.1mm，误差降低至少一个数量级。
实施例
本实施例中，选择性激光熔化设备选用南京前知科技有限公司的金属激光3D打印机Tr150，高精度二维成像系统选用扫描仪，校准平面板选用黑色氧化铝板；具体包括如下步骤：
一、标准网格线点阵提取
(1)扫描仪扫描标准网格尺，标准网格尺单边量程为0～200mm，网格线间隔为5mm，扫描仪dpi(Dots Per Inch，每英寸点数)选择6000，扫描范围略大于200mm*200mm，扫描完成后输出图像A；
(2)图像处理模块处理图像A，获得在扫描仪坐标系下，标准网格尺上各网格点坐标，记作Cell-A；利用各网格点的横坐标减去标准网格点的理论横坐标，实现高精度二维成像系统的校准。
二、十字阵列中心点提取
(1)将190mm*190mm的黑色氧化铝板2平放在Tr150设备工作平台平面4上，黑色氧化铝板四周用强力磁铁3压住，如图3所示；控制Tr150设备在黑色氧化铝板2上打印十字阵列，十字个数为2109个，十字间隔3mm，如图4所示，打印结束后，在黑色氧化铝板2上标记工作平台的x轴，建立坐标系；
(2)扫描仪按照坐标系箭头指示方向扫描黑色氧化铝板2，扫描仪dpi选择7800，扫描范围略大于十字阵列范围，扫描完成后输出图像B；
(3)图像数据处理模块处理图像B，获得在扫描仪坐标系下，黑色氧化铝板2上每个十字中心点坐标，记作Cell-B；
(4)图像数据处理模块利用标准网格尺上网格点坐标Cell-A，修正黑色氧化铝板上十字中心点坐标Cell-B，修正后的坐标记作Cell-B′，修正方法为双线性插值法，其方程组如公式(2)所示，具体做法为：取Cell-B中一点坐标(fx,fy)，找到其在Cell-A中对应的正方形区域四个顶点P11、P12、P21、P22，根据方程组解出相应的x和y值。
三、误差补偿文件制作
(1)图像数据处理模块计算修正后的坐标Cell-B′与理论坐标之间的误差，对比原始的误差补偿文件，制作新的误差补偿文件；
(2)利用新的误差补偿文件替换旧的误差补偿文件。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种选择性激光熔化设备激光振镜的误差校准系统，其特征在于，包括校准平面板、标准网格尺、高精度二维成像系统和图像数据处理模块，标准网格尺设置在高精度二维成像系统的成像平面上，高精度二维成像系统与图像数据处理模块进行数据传输；
所述校准平面板记录激光振镜运动形成的十字阵列；
所述标准网格尺提供插值数据所需的长度计量数据；
所述高精度二维成像系统获取标准网格尺和十字阵列图像，分别用于校准高精度二维成像系统和选择性激光熔化设备的振镜系统；
所述图像数据处理模块处理高精度二维成像系统获取的图像，得到标准网格线点阵和十字中心点坐标，修正十字中心点坐标，制作误差补偿文件。
2.根据权利要求1所述的误差校准系统，其特征在于，所述校准平面板为黑色氧化铝板或黑色钢板或激光相纸或胶片。
3.根据权利要求1所述的误差校准系统，其特征在于，所述标准网格尺的材料为玻璃或陶瓷。
4.根据权利要求1所述的误差校准系统，其特征在于，所述标准网格尺的精度大于0.5μm/5mm。
5.根据权利要求1所述的误差校准系统，其特征在于，所述高精度二维成像系统的单个像素尺寸小于10μm。
6.一种利用权利要求1所述的选择性激光熔化设备激光振镜的误差校准系统的方法，其特征在于，具体为：
高精度二维成像系统获取标准网格尺图像A，图像数据处理模块处理所述图像A，获得高精度二维成像系统坐标系下，标准网格尺上各网格点坐标Cell-A；
选择性激光熔化设备在校准平面板上打印十字阵列，高精度二维成像系统获得打印十字阵列的校准平面板图像B，图像数据处理模块处理所述图像B，获得校准平面板上十字阵列中心点坐标Cell-B，图像数据处理模块利用网格点坐标Cell-A修正校准平面板上十字中心点坐标Cell-B；
图像数据处理模块计算修正后的坐标Cell-B′与理论坐标之间的误差，对比原始的误差补偿文件，制作新的误差补偿文件，利用新的误差补偿文件替换原始的误差补偿文件。
7.根据权利要求6所述的误差校准系统的方法，其特征在于，所述图像数据处理模块利用网格点坐标Cell-A修正校准平面板上十字中心点坐标Cell-B，采用双线性插值法，具体为：
其中：fx和fy是修正前的十字中心点坐标，x和y是修正后的十字中心点坐标，x1、x2是修正后的十字中心点附近四个标准网格点的理论横坐标，y1、y2是修正后的十字中心点附近四个标准网格点的理论纵坐标，fx(Pij)是所述四个标准网格点横坐标方向的偏离值，fy(Pij)是所述四个标准网格点纵坐标方向的偏离值，i、j＝1，2。
8.根据权利要求6所述的误差校准系统的方法，其特征在于，所述选择性激光熔化设备在校准平面板上打印十字阵列时，校准平面板平放在选择性激光熔化设备的工作平台平面上，校准平面板通过强力磁铁压住。
9.根据权利要求6所述的误差校准系统的方法，其特征在于，所述图像数据处理模块将各网格点坐标Cell-A按照矩阵形式，生成二维成像系统修正文件，所述文件绑定高精度二维成像系统，在一定时间限制内能重复利用。
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