CN113375557B - 在激光增材制造中利用光敏元件定位实际加工点的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于增材制造相关技术领域，并公开了一种在激光增材制造中利用光敏元件定位实际加工点的方法。该方法包括下列步骤：S1建立初始的工具坐标系，原点为机械手末端中心，坐标轴的方向与机械手的坐标轴方向相同；确定激光焦点在工具坐标系中的坐标；S2沿Z轴方向调整机械手的位置，使得激光的光圈覆盖待加工丝材的直径，此时机械手Z轴方向的位移即为激光的离焦量，光圈的中心为实际加工点；S3将光圈的中心作为工具坐标系的原点，各个坐标轴方向不变，以此更新工具坐标系。通过本发明，解决激光增材制造中默认的工具坐标系与实际加工坐标系，以及实际加工点与工具坐标系原点不统一，加工精度低，误差大的问题。

Description

在激光增材制造中利用光敏元件定位实际加工点的方法

技术领域

本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种在激光增材制造中利用光敏元件定位实际加工点的方法。

背景技术

增材制造技术经过多年的发展，技术不断更新，增材制造设备层出不穷，分层实体制造(LOM)，激光选区烧结(SLS)，激光选区融化(SLM)，熔融沉积(FDM)，光固化(SLA)等。上述增材制造设备中均采用离散堆积的原理，即先将三维实体模型降维成二位平面，一维点线(俗称切片)，生成代码，指导设备逐点-逐线-逐面生成三维实体。基于此成型原理，增材制造零件具有显著各向异性，尤其是水平方向与Z轴方向，Z方向力学性能不佳是增材制造中的一个难点。

针对上面提出的问题，研究人员将六轴机械手，两轴变位机及加压装置引入增材制造中。机械手和变位机的灵活性，使得随行制造成为可能，切片方式也不再局限于平面结构。加压装置等的引入有效解决了Z轴方向强度弱的现象，但随之而来的是高精度定位的需求。有别于现有激光制造方式，机械手增材制造方式，机械手作为运动部件，带动成型喷头移动。

在激光增材制造中，不管工具坐标系的原点在哪里，机械手的运动都是绕工具坐标系的原点运动的，一般默认工具坐标系为机械手末端的中心，但是该中心并不是实际激光加工的实际加工点，若以机械手末端的中心作为实际加工点，将会带来较大的加工误差，因此，需要将工具坐标系的原点变换至实际加工点处。

机械手默认的工具坐标系成型原点位于终端正中心，为了将中心转移到成形喷头，机械手往往自带了四点定位法，通过旋转机械手，测试多个数据点，耦合后算出新的工具坐标原点。无论是测试过程中，计算过程中，都存在一定的误差，尤其是测试过程中，凭借肉眼观察，随机误差很大。然而，增材制造过程是一个精细的过程，这里的误差和丝材的直径想当，对于实际生产及实验是无法接受的。因此，需要一种能精确定位实际加工点并确定工具坐标系的定位方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种在激光增材制造中利用光敏元件定位实际加工点的方法，解决激光增材制造中默认的工具坐标系与实际加工坐标系，以及实际加工点与工具坐标系原点不统一，加工精度低，误差大的问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种在激光增材制造中利用光敏元件定位实际加工点的方法，该方法包括下列步骤：

S1确定激光焦点坐标

建立初始的工具坐标系，该工具坐标系的原点为机械手末端中心，坐标轴的方向与机械手自身坐标系的坐标轴方向相同；确定激光焦点在所述工具坐标系中的坐标；

S2确定离焦量

沿所述工具坐标系的Z轴方向，上下调整机械手的位置，使得所述激光的光圈刚好覆盖待加工丝材的直径，此时机械手Z轴方向的位移即为激光的离焦量，根据该离焦量确定所述光圈的中心在所工具坐标系中的坐标，所述光圈的中心即为实际加工点；

S3工具坐标系的更新

将所述光圈的中心作为所述工具坐标系的原点，各个坐标轴方向不变，以此更新所述工具坐标系，此时的工具坐标系即为实际加工坐标系，实现工具坐标系与实际加工坐标系的统一，以及实际加工点的定位。

进一步优选地，在步骤S1中，确定激光焦点在所述工具坐标中的坐标按照下列步骤进行：

S11在激光增材制造的成形平台上放置多个光敏元件，调整机械手并带动激光发射器转动，使得激光发射器的焦点落在所述多个光敏元件的中心；

S12旋转机械手的A轴和B轴，改变激光焦点在所述多个光敏元件中的位置，以此确定激光焦点在所述工具坐标系中的坐标。

进一步优选地，在S12中，所述激光焦点在所述工具坐标系中的X轴和Y轴坐标按照下列方式获得：

(a)设定激光焦点X轴和Y轴的初始坐标；

(b)旋转机械手的A轴，所述激光焦点在所述多个光敏元件中移动，根据激光焦点移动的位移，采用二分法更新该激光焦点的X轴和Y轴坐标，并将更新后获得的激光焦点的X轴和Y轴坐标作为工具坐标系原点的X轴和Y轴坐标；

(c)重复步骤(b)，直至旋转所述A轴时激光焦点停留在所述多个光敏元件的中心不动，此时的激光焦点的X轴和Y轴坐标即为激光焦点在所述工具坐标系中X轴和Y轴坐标。

进一步优选地，在S12中，所述激光焦点在所述工具坐标系中的Z轴坐标按照下列方式获得：

(a)设定激光焦点Z轴的初始坐标；

(b)旋转机械手的B轴，所述激光焦点在所述多个光敏元件中移动，根据激光焦点移动的位移，采用二分法更新该激光焦点的Z轴坐标，并将更新后获得的激光焦点的Z轴坐标作为工具坐标系原点的Z轴坐标；

(c)重复步骤(b)，直至旋转所述B轴时激光焦点停留在所述多个光敏元件的中心不动，此时的激光焦点的Z轴坐标即为激光焦点在所述工具坐标系中Z轴坐标。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述更新该激光焦点的X轴和Y轴坐标，或者所述更新该激光焦点的Z轴坐标均采用二分法。

进一步优选地，在步骤S11中，多个光敏元件呈n╳n的矩阵分布，保持横向和纵向的对称。

进一步优选地，在步骤S1中，所述激光焦点的坐标通过测量仪器测量获得。

进一步优选地，在步骤S1中，在确定激光焦点在所述工具坐标系中的坐标后，更新工具坐标系，使得工具坐标系的原点移动至激光焦点处，实现工具坐标系的初步更新。

进一步优选地，在步骤S2中，在上下调整机械手的位置，使得所述激光的光圈刚好覆盖待加工丝材的直径之后，还包括：利用激光熔融丝材成形单道，将成形的单道与预设标准进行比较，当成形的单道满足预设标准时，当前机械手的Z轴方向的位移即为激光的离焦量，即最优离焦量，否则，再次调整机械手的位置Z轴方向的位置，直至成形的单道满足预设标准。

进一步优选地，所述将成形的单道与预设标准进行比较是通过采用三维测量的方式测量成形的单道，然后将测量的结果与预设标准进行比较。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明中通过采取预定位和精确定位两步定位的方式，先获得激光焦点的位置，然后确定距离激光焦点离焦量的激光光圈的中心，该光圈中心即为实际的加工点，将该实际加工点作为刀具坐标系的原点，丝材放置在该实际加工点，机械手绕该实际加工点运动，一方面放置在该激光光圈内的丝材可以有效熔融，另一方面，机械手绕实际加工点运动相对于绕机械手末端中心运动，所带来的加工误差大大减小，提高加工精度；

2.本发明中通过设置光敏元件，该光敏元件相当于刻度盘，当激光焦点在该光敏元件阵列上运动时，能准确快速的获知激光焦点的移动距离，再结合采用旋转机械手A轴和B轴，采用二分法逐步逼近获得激光焦点在工具坐标系中的坐标，有效解决空间中激光焦点定位的问题；

3.本发明中通过上下调整机械手的位置，使得激光光圈能覆盖丝材的直径，虽然激光焦点处温度最高，但是激光焦点的熔融面积小，熔融丝材时仅能熔融一个点，故利用距离激光焦点一定离焦量的光圈对丝材进行熔融，其覆盖面积大，且能量足够，能有效且大面积的熔融待加工丝材，提高熔融效率和加工精度，另外，通过多次调整机械手高度，使其调整覆盖丝材，然后成形单道，根据单道的质量确定最优的离焦量，以此实现高效率的激光熔融；

4.本发明中通过两步法实现了机械手激光增材制造设备得精确定位，为机械手得随性曲面加工奠定了基础，与传统的调试方法相比，该两步法能设置成机械自动操作，极大减少人工的工作量，同时提高定位精度，减少调试时间。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的预定位流程图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的精确定位流程图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的矩阵方式放置光敏元件示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的机械手激光增材制造设备结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-第一机器人，2-控制器，3-变位器，4-测量装置，5-激光器，6-激光头，7-送丝机构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种适用于机械手激光增材制造的两步定位法，其通过激光器的红光与基板上的矩阵光敏元件进行预定位，获得工具坐标系的位置，在此基础上，调整机械手的Z值，进行单道实验，采用三维测量的方式获得单道数据，修改机械手工具坐标系的Z值，直到获得良好单道，由此解决机械手激光增材制造设备定位复杂，需要人工调试，精度不高，耗时长的问题。

如图4所示，图中的激光增材制造设备包括第一机器人1，控制器2，变位器3，测量装置4，激光器5，激光头6和送丝机构7，其中，第一机器人1机械手的末端连接有加工工具，默人的工具坐标系原点在机械手末端的中心，而不是激光的实际加工点，激光器5是与加工工具均固定在机械手末端的。

上述方法包括预定位及精确定位两步。

S1预定位

如图1所示，首先，在成形基板上采用矩阵方式放置光敏元件，如图3所示，是3╳3的光敏元件阵列，手动调整机械手，使得激光的红光位于多个光敏元件的中心，本实施例中，中心为标号5处。

接着，调整机械手，直到标号5处光敏元件感受到的光最强，即激光焦点在多个光敏元件的中心，机械手的工具坐标系默认是设置在机械手末端的中心。

接着，选择机械手按照A轴顺时针方向旋转，根据A轴算法，更新机械手工具坐标系的X与Y值，重复此步骤，直到机械手旋转A轴，激光焦点稳定在标号5处光敏元件。

最后，选择机械手按照B轴顺时针方向旋转，根据B轴算法，更新机械手工具坐标系的Z值，重复此步骤直到，机械手旋转B轴，激光焦点稳定在标号5处光敏元件。

预定位确定的将工具坐标系定义在了激光器红光的焦点上，实际加工中，根据成形材料的区别，激光作用在材料上的位置是有区别的，不管是金属丝材还是高分子丝材，激光是直接作用在基板上的，而实际的材料与激光焦点具有一定的距离，如果直接用激光焦点作为工具坐标系原点，在成形过程中具有很大的误差，是因为不同直径的丝材，对应于激光不同的离焦量，激光焦点只是一个点，对于丝材而言，一个点的加工区域太小，实际加工中是以距离激光焦点一个离焦量位置处的激光光圈用于加工。增材制造是一个精确的过程，定位的误差是会直接作用在成形件上，因此需要进行精确定位，进一步确定激光光圈中心的位置。

S2精确定位

如图2所示，精确定位是在预定位的基础上，增大机械手的Z值，直到激光加工光圈覆盖整个丝材的直径，使得待熔融的丝材在激光加工光圈内，成形单道。

成形单道，采用三维测量成形的单道，根据机器学习算法，增大机械手的Z值，重复此步骤，直到获得良好的焊接单道，以此为成形基准点，进行三维成形。三维测量技术引入精确定位中，该过程也可以设置为程序自动进行，减少了传统定位中大量的人工工作量，传统情况下，为了达到较好的成形效果，往往需要调试几天或者数周，另外在更换成形材料，调试又得重头开始，但采用该方式可将调试时间减少到几十分钟，同时是机械自动调试，极大得减少了工作量。

本发明采用激光器激光焦点与基板上的矩阵光敏元件，能快速实现工具坐标系的建立，且该过程是可以设置为程序自动进行，减少了人工的工作量，另外避免了传统四点定位法中引入人工操作导致的随机误差；

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种在激光增材制造中利用光敏元件定位实际加工点的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

S1确定激光焦点坐标

建立初始的工具坐标系，该工具坐标系的原点为机械手末端中心，坐标轴的方向与机械手自身坐标系的坐标轴方向相同；确定激光焦点在所述工具坐标系中的坐标；

S2确定离焦量

沿所述工具坐标系的Z轴方向，上下调整机械手的位置，使得所述激光的光圈刚好覆盖待加工丝材的直径，此时机械手Z轴方向的位移即为激光的离焦量，根据该离焦量确定所述光圈的中心在所工具坐标系中的坐标，所述光圈的中心即为实际加工点；

S3工具坐标系的更新

将所述光圈的中心作为所述工具坐标系的原点，各个坐标轴方向不变，以此更新所述工具坐标系，此时的工具坐标系即为实际加工坐标系，实现工具坐标系与实际加工坐标系的统一，以及实际加工点的定位；

在步骤S1中，确定激光焦点在所述工具坐标中的坐标按照下列步骤进行：

S11在激光增材制造的成形平台上放置多个光敏元件，调整机械手并带动激光发射器转动，使得激光发射器的焦点落在所述多个光敏元件的中心；

S12旋转机械手的A轴和B轴，改变激光焦点在所述多个光敏元件中的位置，以此确定激光焦点在所述工具坐标系中的坐标。

2.如权利要求1所述的一种在激光增材制造中利用光敏元件定位实际加工点的方法，其特征在于，在S12中，所述激光焦点在所述工具坐标系中的X轴和Y轴坐标按照下列方式获得：

(a)设定激光焦点X轴和Y轴的初始坐标；

(b)旋转机械手的A轴，所述激光焦点在所述多个光敏元件中移动，根据激光焦点移动的位移，采用二分法更新该激光焦点的X轴和Y轴坐标，并将更新后获得的激光焦点的X轴和Y轴坐标作为工具坐标系原点的X轴和Y轴坐标；

(c)重复步骤(b)，直至旋转所述A轴时激光焦点停留在所述多个光敏元件的中心不动，此时的激光焦点的X轴和Y轴坐标即为激光焦点在所述工具坐标系中X轴和Y轴坐标。

3.如权利要求1或2所述的一种在激光增材制造中利用光敏元件定位实际加工点的方法，其特征在于，在S12中，所述激光焦点在所述工具坐标系中的Z轴坐标按照下列方式获得：

(a)设定激光焦点Z轴的初始坐标；

(b)旋转机械手的B轴，所述激光焦点在所述多个光敏元件中移动，根据激光焦点移动的位移，采用二分法更新该激光焦点的Z轴坐标，并将更新后获得的激光焦点的Z轴坐标作为工具坐标系原点的Z轴坐标；

(c)重复步骤(b)，直至旋转所述B轴时激光焦点停留在所述多个光敏元件的中心不动，此时的激光焦点的Z轴坐标即为激光焦点在所述工具坐标系中Z轴坐标。

4.如权利要求1所述的一种在激光增材制造中利用光敏元件定位实际加工点的方法，其特征在于，在步骤S11中，多个光敏元件呈n×n的矩阵分布，保持横向和纵向的对称。

5.如权利要求1或2所述的一种在激光增材制造中利用光敏元件定位实际加工点的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述激光焦点的坐标通过测量仪器测量获得。

6.如权利要求1或2所述的一种在激光增材制造中利用光敏元件定位实际加工点的方法，其特征在于，在步骤S1中，在确定激光焦点在所述工具坐标系中的坐标后，更新工具坐标系，使得工具坐标系的原点移动至激光焦点处，实现工具坐标系的初步更新。

7.如权利要求1或2所述的一种在激光增材制造中利用光敏元件定位实际加工点的方法，其特征在于，在步骤S2中，在上下调整机械手的位置，使得所述激光的光圈刚好覆盖待加工丝材的直径之后，还包括：利用激光熔融丝材成形单道，将成形的单道与预设标准进行比较，当成形的单道满足预设标准时，当前机械手的Z轴方向的位移即为激光的离焦量，即最优离焦量，否则，再次调整机械手的位置Z轴方向的位置，直至成形的单道满足预设标准。

8.如权利要求7所述的一种在激光增材制造中利用光敏元件定位实际加工点的方法，其特征在于，所述将成形的单道与预设标准进行比较是通过采用三维测量的方式测量成形的单道，然后将测量的结果与预设标准进行比较。

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