CN113884013B - 基于cmos传感器的激光增材形貌在线检测补偿方法 - Google Patents
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Abstract
一种CMOS传感器的激光增材形貌在线检测补偿装置，属于金属工件激光增材制造技术领域，该装置的底部为底座，底座的上方设有工件基板，工件基板的上方设有沉积工件，沉积工件的一侧设有立柱，立柱上水平的设置激光增材制造机构，激光增材制造机构上垂直的设有激光连杆，激光连杆的底部设有激光熔覆头，激光连杆靠近底部设有测量单元支架，测量单元支架上连接有测量单元。
Description
技术领域
本发明属于金属工件激光增材制造技术领域，涉及一种基于CMOS激光位移传感器的激光增材形貌在线检测补偿方法。
背景技术
激光增材制造技术是基于层层叠加制造的快速原型原理，通过激光对同轴输送的金属粉末材料按照规划的扫描路径实现逐层熔化堆积，直接制造具有三维形状金属功能工件的技术。它具有热输入能量可控、柔性化及无模化制造特点，特别适合于精密、复杂结构的钛合金、高温合金等贵重金属材料工件的直接制造与成形修复，可有效缩短产品开发运维周期、降低开发运维费用，已广泛应用于航空航天、能源化工等领域重大装备关键零部件的直接制造与成形修复。
激光增材制造过程中激光熔覆头存在加速、匀速、再减速的变速工作条件，变速工况下激光熔覆头和送粉器始终保持恒定工作状态，导致速度变化位置(例如工件边缘位置)和匀速位置(例如中心区域)的沉积宽度不同；且工件边缘位置通常较中心区域散热条件差，温度容易累积形成温度梯度，致使型面凹凸不平；沉积高度与理论高度存在误差，使得最终工件尺寸及表面状态无法达到理论数模设定的理想效果。在误差位置如不及时补偿随着沉积层数增多，误差将逐步增大甚至导致工件报废。
目前实际操作过程中常用的测量手段是用卡尺逐层沉积、逐层测量，此种方式极易受人为因素影响存在效率低、测量误差大、测量数据无法实时记录的问题，并且为防止工件氧化激光增材制造通常需要在密闭环境下进行，受观察窗尺寸限制操作人员所能观察到的范围有限，很难对工件整体表面形状做出完整判断。针对实际操作过程的不足，现阶段沉积工件形状自动化测量方法主要包括：基于高温计或光电二极管的熔池形状测量方法、基于CCD传感器的视觉测量方法、结构光三维测量方法。如按照测量过程又可分为在线测量和离线测量。
熔池形状测量属于间接测量，其测量结果由于需要事先建立数学模型，所以易受计算误差影响。测量过程中受热辐射干扰很难确定准确的熔池边缘位置。此种方式适合用于辅助测量，不适用于对工件确切尺寸测量。图像视觉测量方法通过分析照片灰度变化确定熔池边缘位置从而测量熔池尺寸。此种测量方式无法通过单次测量得到工件三维形状尺寸，测量效率较低，灰度识别易受灰度阈值影响，阈值选取需要预先进行实验验证。熔池形状测量和图像视觉测量本质上都是通过保证每道熔池形状尺寸来间接保证整体形状，根据误差累积理论即使每道熔池形状尺寸都合格也无法确保最终整体形状合格。结构光三维测量可以得到工件的三维数模，比对工件数模与理论数模即可测得误差。结构光测量存在以下问题：光学传感器对于安装空间要求高；易受光栅畸变影响；测量前需校准设备；数模拟合过程中易受人为因素及计算误差干扰；拟合阈值对计算结果影响较大。结构光测量通常作为成品工件测量手段，对于沉积过程测量效果不明显。以上三种离线测量手段均无法实现对工件误差位置、大小快速识别并计算。且离线测量后如需对工件误差进行修补需再次将工件放入增材设备中，存在二次装夹、重新定位的问题，会在误差补偿过程中引入新的误差，导致误差结果增大。
发明内容
发明目的
本发明针对现有三种离线测量手段均无法实现对工件误差位置、大小快速识别并计算，且离线测量后如需对工件误差进行修补需再次将工件放入增材设备中，存在二次装夹、重新定位的问题，会在误差补偿过程中引入新的误差，导致误差结果增大的问题，提供了一种基于CMOS激光位移传感器的激光增材形貌在线检测补偿方法。
技术方案
一种基于CMOS传感器的激光增材形貌在线检测补偿装置，该装置的底部为底座，底座的上方设有工件基板，工件基板的上方设有沉积工件，沉积工件的一侧设有立柱，立柱上水平设置激光增材制造机构，激光增材制造机构上垂直的设有激光连杆，激光连杆的底部设有激光熔覆头，激光连杆靠近底部设有测量单元支架，测量单元支架上连接有测量单元。
工件基板的上表面设有多条沿长度方向设置的沉积道，沉积道为扫描路径。
在无需拆卸工件及夹具的前提下，使工件在激光增材制造机构中实现检测及补偿的过程；方法的步骤如下：
首先激光增材制造机构完成沉积后关闭激光熔覆头，激光熔覆头回到工件坐标原点，CMOS激光位移传感器开启并延X或Y向坐标逐行扫描工件表面，与激光位移传感器匹配的PLC模块开始实时记录测量点坐标并生成点云文件，将各行点云数据分别生成NURBS曲线，计算各条曲线曲率并与工件数模比对由此识别误差；依次拟合多条误差曲线生成NURBS曲面，此曲面即为误差数模下限，与工件数模比对即可生成误差上限及整体误差区域；将误差区域在切片及路径规划软件中切片并规划路径即可生成G代码，将G代码传输给激光增材制造机构以此实现误差区域补偿；以下为具体步骤：
(1)扫描工件采集点云：
测量单元内CMOS激光位移传感器安装于激光熔覆头的一侧，按扫描方向及位置逐行扫描工件基板表面，相邻两道扫描路径之间间隔根据两沉积道宽度设定，通过PLC模块根据采点周期实时记录各点三维坐标位置；由于在激光增材制造前需将工件数模在路径规划软件中预先按照各沉积层厚度进行切片，根据各切片层高度基于高斯滤波滤除噪点，为保证测量完整性，激光位移传感器测量工件时扫描区域应大于沉积道区域；测量单元连接通信单元将采集到的数据信息实时传输、记录到计算机中，以单独文件形式保存以备调用；
(2)识别误差：
误差分为尺寸误差及形状误差：识别沉积道高度误差时，仅需将激光位移传感器延CMOS激光位移传感器扫描方向扫描，并比对每道CMOS激光位移传感器扫描路径上测量点的Z向坐标值与理论数模切片层的高度差；识别沉积道长度误差时，仅需计算激光位移传感器向扫描路径上高度变化最剧烈两点的坐标值之差，将此值与数模理论长度比对；识别沉积道宽度误差时，仅需计算Y向坐标扫描路径上高度变化最剧烈两点坐标值之差，将此值与数模理论宽度比对；识别形状误差时，依次选择每道扫描路径所记录的点生成NURBS样条曲线，计算曲线曲率，当所生成的曲线曲率与理论数模曲率不相符即认定为形状误差；
(3)确定误差位置：
由于每个测量点的序号是唯一的，每个测量点的三维坐标也是固定的，所以测量点的序号与三维坐标存在一一对应关系；当测量单元识别出尺寸误差后即追溯每道扫描路径上误差起始点的序号及误差终止点的序号，利用误差终止测量点坐标减去误差起始测量点坐标即得出误差区域大小；当测量单元识别出形状误差时，将误差区域点云拟合生成误差区域曲面，此曲面作为补偿区域下限，理论数模曲面作为补偿区域上限，上下限之间区域即为整个需补偿区域，点云中所有测量点空间位置均已知，所以误差区域位置也是确定的；由于测量点坐标系与增材制造设备坐标系是同一个坐标系，由此误差位置能够确定；
(4)补偿误差：
补偿尺寸误差时，参考误差尺寸大小增加沉积道数量；补偿形状误差时，将形状误差区域通过数模软件生成误差区域三维数模，将此数模横向切片并规划补偿路径即实现理论误差补偿；将切片文件及补偿路径生成G代码通过设备自带通讯端口把代码传输给增材制造设备能够实现系统自动补偿。
优点及效果
(1)本发明实现了激光增材制造过程中尺寸及形状快速在线测量。尺寸测量方面，仅需减法计算即可得出误差大小，计算效率高无累积计算误差。形状测量方面，采用误差点及理论数模生成误差区域数模，误差区域明确、误差形状直观。
(2)本发明提出应用曲率计算方式识别形状误差，识别效率高。无需多次重复计算，计算简单，计算量小，计算速度快。
(3)本发明采用坐标法定位误差区域，测量坐标系与加工坐标系统一，无坐标系转换误差，误差位置及范围更明确。
(4)本发明误差计算过程无需设定阈值以实际测量点坐标计算，无初始误差，计算结果更精确。
(5)本发明可实现尺寸测量、形状测量同步进行，测量结果更全面。
(6)本发明在线测量相对离线测量具有测量坐标系与加工坐标系统一的优势，实现误差在线检测及补偿功能，无因二次装夹及二次定位误差等人为因素产生的误差，仅需经操作人员确认是否执行测量及补偿，无需干预测量及补偿过程。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明实现采集、反馈、补偿闭环控制过程的示意图；
图3为本发明的测量方式示意图。
附图标记：
1.激光增材制造机构，2.测量单元，3.测量单元支架，4.激光熔覆头，5. 沉积工件，6.工件基板，7.CMOS激光位移传感器扫描路径、8.CMOS激光位移传感器扫描方向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
一种基于CMOS激光位移传感器的激光增材形貌在线检测补偿方法，以CMOS 激光位移传感器为测量单元，匹配PLC模块、存储单元、通讯单元，与激光增材制造机构构成集加工、测量、反馈、补偿于一体的闭环加工过程。具体装配方式为：CMOS激光位移传感器连接信号放大器后通过通信单元与PLC模块连接； PLC模块与以太网调制解调器连接；以太网调制解调器第二个网口与增材制造系统使用通讯协议(例如IP4或IP6等)通过网线连接；以太网调制解调器第三个网口连接计算机。连接后通过C语言编写程序使PLC模块能够调取增材制造系统激光熔覆头实时坐标位置生成xls格式文件，然后将文件传回计算机以备处理。
结合图1，一种CMOS传感器的激光增材形貌在线检测补偿装置，其特征在于：该装置的底部为底座，底座的上方设有工件基板6，工件基板6的上方设有沉积工件5，沉积工件5的一侧设有立柱，立柱上水平的设置激光增材制造机构 1，激光增材制造机构1上垂直的设有激光连杆，激光连杆的底部设有激光熔覆头4，激光连杆靠近底部设有测量单元支架3，测量单元支架3上连接有测量单元2。
工件基板6的上表面设有多条沿长度方向设置的沉积道，沉积道为扫描路径。
在无需拆卸工件及夹具的前提下，使工件在激光增材制造机构1中实现检测及补偿的过程；首先激光增材制造机构1完成沉积后关闭激光熔覆头4，激光熔覆头4回到工件坐标原点，CMOS激光位移传感器开启并延X或Y向坐标逐行扫描工件表面，与激光位移传感器匹配的PLC模块开始实时记录测量点坐标并生成点云文件，将各行点云数据分别生成NURBS曲线，计算各条曲线曲率并与工件数模比对由此识别误差。依次拟合多条误差曲线生成NURBS曲面，此曲面即为误差数模下限，与工件数模比对即可生成误差上限及整体误差区域。将误差区域在切片及路径规划软件中切片并规划路径即可生成G代码，将G代码传输给激光增材制造机构1以此实现误差区域补偿。具体步骤如下：
(1)扫描工件采集点云
测量单元内CMOS激光位移传感器安装于激光熔覆头侧向，依照图3所示扫描方向及位置逐行扫描工件基板表面，相邻两道扫描路径之间间隔根据两沉积道设定，PLC模块根据采点周期实时记录各点三维坐标位置；根据各切片层高度基于高斯滤波滤除噪点，为保证测量完整性，激光位移传感器测量工件时扫描区域应大于沉积道区域；测量单元连接通信单元将采集到的数据信息实时传输、记录到计算机中，以单独文件形式保存以备调用。
(2)识别误差
误差分为尺寸偏差及形状误差：识别沉积道高度偏差时，仅需将激光位移传感器延CMOS激光位移传感器扫描方向8扫描，并比对每道CMOS激光位移传感器扫描路径7上测量点的Z向坐标值与工件数模切片层的高度差即可；识别沉积道长度偏差时，仅需计算激光位移传感器X向扫描路径上高度变化最剧烈两点的坐标值之差(如图3所示)，将此值与数模长度比对即可；识别沉积道宽度偏差时，仅需计算图3中Y向扫描路径上高度变化最剧烈两点坐标值之差，将此值与数模宽度比对即可；识别形状误差时，依次选择每道扫描路径所记录的点生成NURBS样条曲线，计算曲线曲率，当所生成的曲线曲率与数模曲率不相符即可认定为形状误差。
(3)确定误差位置
由于每个测量点的序号是唯一的，每个测量点的三维坐标也是固定的，所以测量点的序号与三维坐标存在一一对应关系；当系统识别出尺寸误差后即可追溯每道扫描路径上误差起始点的序号及误差终止点的序号，利用误差终止测量点坐标减去误差起始测量点坐标即可得出误差区域大小；当系统识别出形状误差时，将误差区域点云拟合生成误差区域曲面，此曲面作为补偿区域下限，数模曲面作为补偿区域上限，上下限之间区域即为整个需补偿区域，点云中所有测量点空间位置均已知，所以误差区域位置也是确定的；由于测量点坐标系与增材制造系统坐标系是同一个坐标系，由此误差位置即可确定。
(4)补偿误差
补偿尺寸偏差时，参考偏差尺寸大小增加沉积道数量即可；补偿形状误差时，将形状误差区域通过数模软件生成误差区域三维数模，将此数模横向切片平并规划补偿路径即可实现理论误差补偿；将切片文件及补偿路径生成G代码通过设备自带通讯端口把代码传输给增材制造设备即可实现系统自动补偿；此种补偿方式确保了点云矢量方向统一，测量基准与工件加工基准、设计基准完全重合没有累积误差及拟合计算误差。
实施例
图3中箭头为激光位移传感器扫描方向，虚线部分为扫描路径；
(1)激光熔覆头4按指定路径运行；
(2)激光熔覆头4关闭后CMOS激光位移传感器工作，按照图3路径依次扫描采点；
(3)将采集到的点通过通讯端口输入到计算机中形成点云文件；
(4)计算机将收到的点云数据进行滤波处理，按坐标值计算误差并生成 NURBS样条曲线、计算曲率；
(5)计算机将误差位置点云数据生成误差三维数模并切片规划路径；
(6)计算机通过路径生成软件将误差数据生成路径补偿所需要的G代码文件；
(7)将G代码文件通过通讯端口传回到增材制造设备中，测量系统关闭，激光熔覆头按照生成的补偿代码补齐误差。
本实施例中使用硬件及软件如下：
硬件：LDM4030激光增材制造机构、CMOS激光位移传感器、激光传感器放大器、PLC模块、以太网调制解调器、通信单元等均购自基恩士品牌
软件：NX10.0数模处理软件；EXCEL2019数据采集转换软件；切片路径规划及生成G代码软件：3dAM-PP-Planner V5.2。
Claims (2)
1.一种基于CMOS传感器的激光增材形貌在线检测补偿方法，该方法所用的装置是：该装置的底部为底座，底座的上方设有工件基板（6），工件基板（6）的上方设有沉积工件（5），沉积工件（5）的一侧设有立柱，立柱上水平设置激光增材制造机构（1），激光增材制造机构（1）上垂直的设有激光连杆，激光连杆的底部设有激光熔覆头（4），激光连杆靠近底部设有测量单元支架（3），测量单元支架（3）上连接有测量单元（2）；
其特征在于：
在无需拆卸工件及夹具的前提下，使工件在激光增材制造机构中实现检测及补偿的过程；方法的步骤如下：
首先激光增材制造机构（1）完成沉积后关闭激光熔覆头（4），激光熔覆头（4）回到工件坐标原点，CMOS激光位移传感器开启并延X或Y向坐标逐行扫描工件表面，与激光位移传感器匹配的PLC模块开始实时记录测量点坐标并生成点云文件，将各行点云数据分别生成NURBS曲线，计算各条曲线曲率并与工件数模比对由此识别误差；依次拟合多条误差曲线生成NURBS曲面，此曲面即为误差数模下限，与工件数模比对即可生成误差上限及整体误差区域；将误差区域在切片及路径规划软件中切片并规划路径即可生成G代码，将G代码传输给激光增材制造机构（1）以此实现误差区域补偿；以下为具体步骤：
（1）扫描工件采集点云：
测量单元内CMOS激光位移传感器安装于激光熔覆头（4）的一侧，按扫描方向及位置逐行扫描工件基板表面，相邻两道扫描路径之间间隔根据两沉积道宽度设定，通过PLC模块根据采点周期实时记录各点三维坐标位置；由于在激光增材制造前需将工件数模在路径规划软件中预先按照各沉积层厚度进行切片，根据各切片层高度基于高斯滤波滤除噪点，为保证测量完整性，激光位移传感器测量工件时扫描区域应大于沉积道区域；测量单元连接通信单元将采集到的数据信息实时传输、记录到计算机中，以单独文件形式保存以备调用；
（2）识别误差：
误差分为尺寸误差及形状误差：识别沉积道高度误差时，仅需将激光位移传感器延CMOS激光位移传感器扫描方向（8）扫描，并比对每道CMOS激光位移传感器扫描路径（7）上测量点的Z向坐标值与理论数模切片层的高度差；识别沉积道长度误差时，仅需计算激光位移传感器向扫描路径上高度变化最剧烈两点的坐标值之差，将此值与数模理论长度比对；识别沉积道宽度误差时，仅需计算Y向坐标扫描路径上高度变化最剧烈两点坐标值之差，将此值与数模理论宽度比对；识别形状误差时，依次选择每道扫描路径所记录的点生成NURBS样条曲线，计算曲线曲率，当所生成的曲线曲率与理论数模曲率不相符即认定为形状误差；
（3）确定误差位置：
由于每个测量点的序号是唯一的，每个测量点的三维坐标也是固定的，所以测量点的序号与三维坐标存在一一对应关系；当测量单元识别出尺寸误差后即追溯每道扫描路径上误差起始点的序号及误差终止点的序号，利用误差终止测量点坐标减去误差起始测量点坐标即得出误差区域大小；当测量单元识别出形状误差时，将误差区域点云拟合生成误差区域曲面，此曲面作为补偿区域下限，理论数模曲面作为补偿区域上限，上下限之间区域即为整个需补偿区域，点云中所有测量点空间位置均已知，所以误差区域位置也是确定的；由于测量点坐标系与增材制造设备坐标系是同一个坐标系，由此误差位置能够确定；
（4）补偿误差：
补偿尺寸误差时，参考误差尺寸大小增加沉积道数量；补偿形状误差时，将形状误差区域通过数模软件生成误差区域三维数模，将此数模横向切片并规划补偿路径即实现理论误差补偿；将切片文件及补偿路径生成G代码通过设备自带通讯端口把代码传输给增材制造设备能够实现系统自动补偿。
2.根据权利要求1所述的基于CMOS传感器的激光增材形貌在线检测补偿方法，其特征在于：工件基板（6）的上表面设有多条沿长度方向设置的沉积道，沉积道为扫描路径。
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Citations (7)
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-
2021
- 2021-11-08 CN CN202111312653.XA patent/CN113884013B/zh active Active
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| Discussion scanning mode of direct laser fabrication quality influence;Wen, JB;《 PRODUCT DESIGN AND MANUFACTURE》;全文 * |
| 增材制造工件上表面形变在线测量方法;刘伟军;《激光杂志》;全文 * |
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