CN113588091A - 一种利用高光谱实时测量激光选区金属熔池温度的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光谱技术领域，尤其涉及一种利用高光谱实时测量激光选区金属熔池温度的系统和方法，针对现有的目前增材制造温度场在线监测大部分都采用非接触热辐射检测，无法获得温度场的空间分布，以及现有仪器受捕获波长的限制且只能进行定点监测以计算冷却速率的问题，现提出如下方案，其系统包括激光光源、扫描镜、聚焦镜、高光谱相机、同轴成像装置、工作机床、温度评估模块和激光功率控制模块组成的CPU、计算机，所述激光光源与扫描镜相互配合，本发明的目的是通过实时地调节激光功率实现对熔池温度的控制，该系统能够实现熔池温度的定量控制，提高制造过程的稳定性，进而提高激光增材制造的质量。
Description
技术领域
本发明涉及光谱技术领域，尤其涉及一种利用高光谱实时测量激光选区金属熔池温度的系统和方法。
背景技术
增材制造技术是一门新兴的材料加工技术，根据计算机CAD模型数据，通过高功率激光使合金粉末熔化、凝固和逐层堆积，实现复杂金属零件的直接近净形成。该技术在航空航天领域快速原型制造、生物医疗等领域有着广泛的应用。激光增材制造过程中熔池温度是影响熔池尺寸及稀释度的主要因素，通过对熔池温度的定量控制能够有效的提高零件成型的尺寸精度和力学性能。目前增材制造温度场在线监测大部分都采用非接触热辐射检测，其中包括基于红外热辐射的测温仪器有红外热像仪(区域测温)、双色高温计(点测温)、单色高温计(点测温，精度低于双色高温计)；还有基于可见光波段的热辐射监测有CCD相机、高速相机(区域测温)。红外测温仪获得被测区域的平均温度大小，无法获得温度场的空间分布。双色高温计虽然精度高，但是受捕获波长的限制且只能进行定点监测以计算冷却速率。
发明内容
本发明设计了一套激光增材制造中熔池温度实时控制系统，该系统利用高光谱仪检测激光选区熔化(SLM)过程中金属熔池温度，通过实时地调节激光功率实现对熔池温度的控制。该系统能够实现熔池温度的定量控制，提高制造过程的稳定性，进而提高激光增材制造的质量。
本发明提出的一种利用高光谱实时测量激光选区金属熔池温度的系统，包括激光光源、扫描镜、聚焦镜、高光谱相机、同轴成像装置、工作机床、温度评估模块和激光功率控制模块组成的CPU、计算机，所述激光光源与扫描镜相互配合，且扫描镜与聚焦镜相互配合，所述聚焦镜与工作机床相互配合，且工作机床与高光谱相机相互配合，所述高光谱相机分别与同轴成像装置和温度评估模块相连，且温度评估模块分别与激光功率控制模块和计算机相连，所述激光功率控制模块与激光光源相连，且激光光源、扫描镜和聚焦镜均位于工作机床上方，还包括调整模块、测定模块、显示模块、对比模块、执行模块和报警模块，所述调整模块分别与激光光源、扫描镜和聚焦镜连接，测定模块与显示模块相连，显示模块和对比模块连接，对比模块和执行模块连接，执行模块分别连接激光光源和报警模块；
优选的，所述调整模块由伸缩机构和转动机构组成，伸缩机构分别与激光光源、扫描镜和聚焦镜相连，转动机构与伸缩机构相连，对比模块由一次对比单元和二次对比单元组成；
本发明还提出了一种利用高光谱实时测量激光选区金属熔池温度的方法，包括以下步骤：
S1：采集信息：激光光源发射激光，通过扫描镜反射于聚焦镜表面，聚焦镜将光源聚焦到工作机床，由高光谱相机获取熔池的光谱信息并将信息传输到温度评估模块；
S2：分析信息并确定温度：由温度评估模块对传入的光谱信息进行分析，通过计算准确的确定目标温度并立即将确定的温度信息传输至激光功率控制模块；
S3：控制温度：通过激光功率控制模块发送控制数据改变激光光源的激光功率控制温度；
S4：测量其他空间位置温度：通过调整模块改变激光光源、扫描镜和聚焦镜的位置及偏转角度采集新光谱信息，并分析信息确定温度；
S5：存储信息：通过计算机对数据进行实时存储；
优选的，所诉S1中，高光谱相机以相对于熔池表面法线成38°的角聚焦于熔池表面，同时通过同轴成像装置保证金属熔池的中心始终在高光谱相机的中心位置，通过高光谱相机获得熔池的光谱信息，能够测量加热表面的8个不同波长，具体为544nm、578nm、615nm、654nm、703nm、740nm、778nm和815nm的光谱辐射；
优选的，所述S2中，由温度评估模块7对传入的光谱信息进行分析并确定温度，该测温方法主要依据普朗克黑体辐射理论，一个物体发出的辐射强度是波长λ和温度T的函数，即：
优选的，所述S3中，通过激光功率控制模块发送控制数据改变激光光源的激光功率，其中发送的控制数据为激光器需更改的激光功率数值；
优选的，所述S4中，调整模块改变激光光源、扫描镜和聚焦镜的空间位置后，需通过测定模块发射电磁波由显示模块显示激光光源、扫描镜和聚焦镜的实际空间高度和偏转角度数据，将数据先发送至对比模块，通过对比模块中的一次对比单元对比数据是否与调整模块发送数据相同，若相同则将对比结果直接发送至执行模块，执行模块向激光光源发送正常执行命令，若不相同则将数据发送至二次对比单元，由二次对比单元对比数据是否在合理误差范围内，将对比结果发送至执行模块，若在合理误差范围内执行模块向激光光源发送正常执行命令，若不在合理误差范围内执行模块将立即向激光光源发送停止命令并向报警模块发送报警信息，其中合理误差范围为多次试验取得的已知范围；
优选的，所述S5中，计算机所存储的数据具体为温度评估模块确定的温度信息以及激光功率控制模块发送的控制数据，同时对数据进行云端备份。
与现有技术相比，本发明中所述一种利用高光谱实时测量激光选区金属熔池温度的系统和方法的有益效果是：
1、高光谱相机是基于高光谱线性辐射的方法可以同时测量数百个光谱点的热辐射，并获得绝对温度，同时选择同轴成像装置，使熔池图像在成像系统的中心，可以保持溶池良好的分辨率。
2、通过实时地调节激光功率实现对熔池温度的控制。该系统能够实现熔池温度的定量控制，提高制造过程的稳定性，进而提高激光增材制造的质量。
3、通过对比模块和报警模块，提高激光功率的精确调控，增强温度控制的精准性。
本发明的目的是通过实时地调节激光功率实现对熔池温度的控制，该系统能够实现熔池温度的定量控制，提高制造过程的稳定性，进而提高激光增材制造的质量。
附图说明
图1为本发明提出的一种利用高光谱实时测量激光选区金属熔池温度的系统的一部分结构连接框图；
图2为本发明提出的一种利用高光谱实时测量激光选区金属熔池温度的系统的另一部分连接框图；
图3为本发明的一种利用高光谱实时测量激光选区金属熔池温度的方法的流程图。
图中：1激光光源、2扫描镜、3聚焦镜、4高光谱相机、5同轴成像装置、6工作机床、7温度评估模块、8激光功率控制模块、9计算机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-2，一种利用高光谱实时测量激光选区金属熔池温度的系统，包括激光光源1、扫描镜2、聚焦镜3、高光谱相机4、同轴成像装置5、工作机床6、温度评估模块7和激光功率控制模块8组成的CPU、计算机9，所述激光光源1与扫描镜2相互配合，且扫描镜2与聚焦镜3相互配合，所述聚焦镜3与工作机床6相互配合，且工作机床6与高光谱相机4相互配合，所述高光谱相机4分别与同轴成像装置5和温度评估模块7相连，且温度评估模块7分别与激光功率控制模块8和计算机9相连，所述激光功率控制模块8与激光光源1相连，且激光光源1、扫描镜2和聚焦镜3均位于工作机床6上方，还包括调整模块、测定模块、显示模块、对比模块、执行模块和报警模块，所述调整模块分别与激光光源1、扫描镜2和聚焦镜3连接，测定模块与显示模块相连，显示模块和对比模块连接，对比模块和执行模块连接，执行模块分别连接激光光源1和报警模块；
参照图3，一种利用高光谱实时测量激光选区金属熔池温度的方法，包括以下步骤：
S1：采集信息：激光光源1发射激光，通过扫描镜2反射于聚焦镜3表面，聚焦镜3将光源聚焦到工作机床6，由高光谱相机4获取熔池的光谱信息并将信息传输到温度评估模块7，高光谱相机4以相对于熔池表面法线成38°的角聚焦于熔池表面，同时通过同轴成像装置5保证金属熔池的中心始终在高光谱相机4的中心位置，通过高光谱相机4获得熔池的光谱信息，能够测量加热表面的8个不同波长，具体为544nm、578nm、615nm、654nm、703nm、740nm、778nm和815nm的光谱辐射；
S2：分析信息并确定温度：由温度评估模块7对传入的光谱信息进行分析，通过计算准确的确定目标温度并立即将确定的温度信息传输至激光功率控制模块8，由温度评估模块7对传入的光谱信息进行分析并确定温度，该测温方法主要依据普朗克黑体辐射理论，一个物体发出的辐射强度是波长λ和温度T的函数，即：
S3：控制温度：通过激光功率控制模块8发送控制数据改变激光光源1的激光功率，其中发送的控制数据为激光器1需更改的激光功率数值；
S4：测量其他空间位置温度：通过调整模块改变激光光源1、扫描镜2和聚焦镜3的位置及偏转角度采集新光谱信息，并分析信息确定温度，调整模块改变激光光源1、扫描镜2和聚焦镜3的空间位置后，需通过测定模块发射电磁波由显示模块显示激光光源1、扫描镜2和聚焦镜3的实际空间高度和偏转角度数据，将数据先发送至对比模块，通过对比模块中的一次对比单元对比数据是否与调整模块发送数据相同，若相同则将对比结果直接发送至执行模块，执行模块向激光光源1发送正常执行命令，若不相同则将数据发送至二次对比单元，由二次对比单元对比数据是否在合理误差范围内，将对比结果发送至执行模块，若在合理误差范围内执行模块向激光光源1发送正常执行命令，若不在合理误差范围内执行模块将立即向激光光源1发送停止命令并向报警模块发送报警信息，其中合理误差范围为多次试验取得的已知范围；
S5：存储信息：通过计算机9对数据进行实时存储，计算机9所存储的数据具体为温度评估模块7确定的温度信息以及激光功率控制模块8发送的控制数据，同时对数据进行云端备份。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种利用高光谱实时测量激光选区金属熔池温度的系统，包括激光光源(1)、扫描镜(2)、聚焦镜(3)、高光谱相机(4)、同轴成像装置(5)、工作机床(6)、温度评估模块(7)和激光功率控制模块(8)组成的CPU、计算机(9)，其特征在于，所述激光光源(1)与扫描镜(2)相互配合，且扫描镜(2)与聚焦镜(3)相互配合，所述聚焦镜(3)与工作机床(6)相互配合，且工作机床(6)与高光谱相机(4)相互配合，所述高光谱相机(4)分别与同轴成像装置(5)和温度评估模块(7)相连，且温度评估模块(7)分别与激光功率控制模块(8)和计算机(9)相连，所述激光功率控制模块(8)与激光光源(1)相连，且激光光源(1)、扫描镜(2)和聚焦镜(3)均位于工作机床(6)上方；
还包括调整模块、测定模块、显示模块、对比模块、执行模块和报警模块，所述调整模块分别与激光光源(1)、扫描镜(2)和聚焦镜(3)连接，测定模块与显示模块相连，显示模块和对比模块连接，对比模块和执行模块连接，执行模块分别连接激光光源(1)和报警模块。
2.根据权利要求1所述的一种利用高光谱实时测量激光选区金属熔池温度的系统，其特征在于，所述调整模块由伸缩机构和转动机构组成，伸缩机构分别与激光光源(1)、扫描镜(2)和聚焦镜(3)相连，转动机构与伸缩机构相连，对比模块由一次对比单元和二次对比单元组成。
3.一种利用高光谱实时测量激光选区金属熔池温度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采集信息：激光光源(1)发射激光，通过扫描镜(2)反射于聚焦镜(3)表面，聚焦镜(3)将光源聚焦到工作机床(6)，由高光谱相机(4)获取熔池的光谱信息并将信息传输到温度评估模块(7)；
S2：分析信息并确定温度：由温度评估模块(7)对传入的光谱信息进行分析，通过计算准确的确定目标温度并立即将确定的温度信息传输至激光功率控制模块(8)；
S3：控制温度：通过激光功率控制模块(8)发送控制数据改变激光光源(1)的激光功率控制温度；
S4：测量其他空间位置温度：通过调整模块改变激光光源(1)、扫描镜(2)和聚焦镜(3)的位置及偏转角度采集新光谱信息，并分析信息确定温度；
S5：存储信息：通过计算机(9)对数据进行实时存储。
4.根据权利要求3所述的一种利用高光谱实时测量激光选区金属熔池温度的方法，其特征在于，所述S1中，高光谱相机(4)以相对于熔池表面法线成38°的角聚焦于熔池表面，同时通过同轴成像装置(5)保证金属熔池的中心始终在高光谱相机(4)的中心位置，通过高光谱相机(4)获得熔池的光谱信息，能够测量加热表面的8个不同波长，具体为544nm、578nm、615nm、654nm、703nm、740nm、778nm和815nm的光谱辐射。
5.根据权利要求3所述的一种利用高光谱实时测量激光选区金属熔池温度的方法，其特征在于,所述S2中，由温度评估模块(7)对传入的光谱信息进行分析并确定温度，该测温方法依据普朗克黑体辐射理论，一个物体发出的辐射强度是波长λ和温度T的函数，即：
式中ε(λ，T)是物体的发射率，h是普朗克常数，c是光速，kB是玻尔兹曼常数，经黑炉标定进行校准。
6.根据权利要求3所述的一种利用高光谱实时测量激光选区金属熔池温度的方法，其特征在于,所述S3中，通过激光功率控制模块(8)发送控制数据改变激光光源(1)的激光功率，其中发送的控制数据为激光器(1)需更改的激光功率数值。
7.根据权利要求3所述的一种利用高光谱实时测量激光选区金属熔池温度的方法，其特征在于,所述S4中，调整模块改变激光光源(1)、扫描镜(2)和聚焦镜(3)的空间位置后，需通过测定模块发射电磁波由显示模块显示激光光源(1)、扫描镜(2)和聚焦镜(3)的实际空间高度和偏转角度数据，将数据先发送至对比模块，通过对比模块中的一次对比单元对比数据是否与调整模块发送数据相同，若相同则将对比结果直接发送至执行模块，执行模块向激光光源(1)发送正常执行命令，若不相同则将数据发送至二次对比单元，由二次对比单元对比数据是否在合理误差范围内，将对比结果发送至执行模块，若在合理误差范围内执行模块向激光光源(1)发送正常执行命令，若不在合理误差范围内执行模块将立即向激光光源(1)发送停止命令并向报警模块发送报警信息，其中合理误差范围为多次试验取得的已知范围。
8.根据权利要求3所述的一种利用高光谱实时测量激光选区金属熔池温度的方法，其特征在于,所述S5中，计算机(9)所存储的数据具体为温度评估模块(7)确定的温度信息以及激光功率控制模块(8)发送的控制数据，同时对数据进行云端备份。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20211102 |