CN114211003B - 一种用于增材制造设备的多激光系统搭接校正方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于增材制造设备的多激光系统搭接校正方法，包括：将具有至少一个胶片的检测板放置于增材制造设备的基板上；控制多激光系统发射激光，在胶片上按照设定程序打印至少具有若干交叉点或若干中心点的图形；取出检测板，并将检测板放置于校正装置的支撑板上；校正装置的光源向胶片的正面或背面打光，以使校正装置的至少一个拍照相机拍摄至少一个胶片上的图形；对待处理图形进行处理得到多激光系统中两两搭接振镜的偏差角度、涨缩比例、偏移量。本发明的用于增材制造设备的多激光系统搭接校正方法便于安装调试，安装携带方便，方便在客户现场进行搭接调试验证；而且成本低、调试周期短、校正精度高。
Description
技术领域
本申请涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种用于增材制造设备的多激光系统搭接校正方法及装置。
背景技术
增材制造技术是一项具有数字化制造、高度柔性和适应性、直接CAD模型驱动、快速、材料类型丰富多样等鲜明特点的先进制造技术，由于其不受零件形状复杂程度的限制，不需要任何的工装模具，因此应用范围非常广。选区激光熔融技术（Selective LaserMelting，简称SLM）是近年来发展迅速的增材制造技术之一，其以粉末材料为原料，采用激光对三维实体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。选择性激光熔融工艺的基本过程是：送粉装置将一定量粉末送至工作平台面，铺粉装置将一层粉末材料平铺在成型缸底板或已成型零件的上表面，激光振镜系统控制激光以一个近似不变的光斑大小和光束能量按照该层的截面轮廓对实心部分粉末层进行扫描，使粉末熔化并与下面已成型的部分实现粘接；当一层截面烧结完后，工作平台下降一个层的厚度，铺粉装置又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的扫描烧结，经若干层扫描叠加，直至完成整个原型制造。
在上述技术中，振镜及激光随着加工范围越来越大，激光及振镜组成的光学系统逐渐升级为两激光、四激光、八激光甚至12激光光学系统，我们把它称为多激光系统。多激光系统在进行加工前，需要调整多激光系统之间相对拼接位置，使多激光在两两交叠区域的指定加工点位置一致。
目前，对多激光系统搭接进行校准的方法一般采用传统加工搭接块方式，该方式需要先经过铺粉、加工、清粉等操作加工搭接块，再利用卡尺或显微镜测量搭接重叠区域的尺寸或搭接错位偏移量，最后根据测量尺寸分析计算需做相对调整的角度值、缩放比例及平移量等参数。该传统方式存在以下缺陷：无法一次到位调整成功，需反复烧结验证的问题，且调试时间跨度长，需要几天时间进行调试验证，无法快速确认搭接效果；而且，由于设备及振镜本身的稳定性问题，或出现断电或器件更换等问题时，一定程度上会造成搭接效果的变化，这时又要在客户现场重新进行多激光搭接调试，即该传统方式在客户现场进行搭接调试都存在调试周期长，且无法快速判断搭接效果是否与实际打印件的效果一致。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种成本低、调试周期短，安装携带方便，可在客户现场进行校准调试，同时能保证调试效果与实际打印件的搭接效果一致的用于增材制造设备的多激光系统搭接校正方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于增材制造设备的多激光系统搭接校正方法，包括以下步骤：
步骤S1：将具有至少一个胶片的检测板放置于增材制造设备的基板上，并使该检测板的表面距离刮刀底部的距离为0.1-1mm；
步骤S2：控制多激光系统发射激光，在胶片上按照设定程序打印至少具有若干交叉点或若干中心点的图形，且胶片至少位于多激光系统的一个搭接区域；
步骤S3：取出检测板，并将检测板放置于校正装置的支撑板上；
步骤S4：校正装置的光源向胶片的正面或背面打光，以使校正装置的至少一个拍照相机拍摄至少一个胶片上的图形，所有胶片上的图形记作待处理图形；
步骤S5：对待处理图形进行处理得到多激光系统中两两搭接振镜的偏差角度、涨缩比例、偏移量，以对多激光系统的两两振镜加工位置进行补偿。
作为本发明的进一步优选方案，所述步骤S5具体包括：
步骤S51：在待处理图形中分别提取每个振镜控制打印的若干交叉点或中心点，且两两搭接振镜分别提取的若干交叉点或中心点呈对应关系，以使每个振镜提取的所有交叉点或中心点拟合成一条线段，且搭接振镜的两个振镜分别提取的两条线段相匹配；
步骤S52：根据多激光系统的搭接分布获取所有两两搭接振镜，依次获取两两搭接振镜提取的两条相匹配的线段的夹角作为该搭接振镜的偏差角度，两条相匹配的线段的长度比值作为该搭接振镜的涨缩比例，以及两条相匹配的线段在同一坐标系的偏移量作为该搭接振镜的偏移量，以对多激光系统的振镜加工位置进行补偿。
作为本发明的进一步优选方案，所述步骤S5具体包括：
步骤S51：在待处理图形中分别提取每个振镜控制打印的若干交叉点或中心点，且两两搭接振镜分别提取的若干交叉点或中心点呈对应关系，以使每个振镜提取的所有交叉点或中心点拟合成多条线段，且搭接振镜的两个振镜提取的多条线段呈一一对应关系；
步骤S53：根据多激光系统的搭接分布获取所有两两搭接振镜，依次获取两两搭接振镜提取的多条对应线段的夹角均值作为该搭接振镜的偏差角度，多条对应线段的长度比值均值作为该搭接振镜的涨缩比例，以及多条对应线段的在同一坐标系的偏移量均值作为该搭接振镜的偏移量，以对多激光系统的振镜加工位置进行补偿。
作为本发明的进一步优选方案，所述图形为交叉线阵列、十字阵列、圆形阵列，或者十字网格、交叉网格，或者圆形和十字、方形的组合图形及组合阵列图形。
作为本发明的进一步优选方案，所述图形位于搭接区域的边角位置。
作为本发明的进一步优选方案，所述检测板包括测试板和至少一个胶片，所述测试板为玻璃材质、陶瓷材质或金属材质，至少一个胶片安装在测试板上。
作为本发明的进一步优选方案，所述校正装置包括至少一个拍照相机、光源和测试板，所述测试板上安装所述至少一个胶片，所述光源向胶片的正面或背面打光，以使至少一个拍照相机拍摄胶片上的图形，所有胶片上的图形记作待处理图形。
作为本发明的进一步优选方案，所述拍照相机为三个，光源包括三个背光源。
作为本发明的进一步优选方案，所述校正装置还包括机架、电源和支撑板，所述三个拍照相机竖向设置于机架的顶部，所述支撑板垂直设置于机架的底部，并与三个拍照相机位于机架的同一侧；所述支撑板上设有三个第一通孔，以用于分别对应安装所述三个背光源，所述三个背光源与三个拍照相机一一对应关系，所述测试板安装于支撑板上，所述机架上于三组拍照相机的周围外设有外防护，所述三组拍照相机的底部分别设有防尘镜片，以使外防护和防尘镜片将三组拍照相机密闭包围，所述电源安装于支撑板的底部，用于给三个背光源供电。
作为本发明的进一步优选方案，所述校正装置在安装后，对所有拍照相机进行单独标定，以及将多个标定后的拍照相机统一到同一坐标系下。
本发明的用于增材制造设备的多激光系统搭接校正方法，通过采用上述技术方案，使得本发明的校正方法相比于传统技术，便于安装调试，安装携带方便，方便在客户现场进行搭接调试验证；且成本低、调试周期短；而且，还能保证实际检测结果与增材制造设备的多激光系统搭接结果具有良好一致性。另外，本发明主要是针对目前的增材制造设备中的激光器、振镜系统以及工作平面均是固定结构，不便于直接对其进行校正；而是通过图像转移的方式在增材制造设备外进行校正，即在不影响设备整体结构的情况下，实现了安装调试方便的目的。
附图说明
图1为本发明用于增材制造设备的多激光系统搭接校正方法提供的一实施例的方法流程图；
图2为本发明中图形提供的第一实施例的示意图；
图3为本发明中图形提供的第二实施例的示意图；
图4为本发明中图形提供的第三实施例的示意图；
图5为本发明中图形提供的第四实施例的示意图；
图6为本发明中图形提供的第五实施例的示意图；
图7为本发明中图形提供的第六实施例的示意图；
图8为本发明中图形提供的第七实施例的示意图；
图9为本发明校准装置提供的一实施例的结构示意图；
图10为图9的局部内部结构示意图；
图11为本发明的拟合直线示意图。
图中：
1、外防护，2、机架，3、背光源，4、弹簧定位珠，5、第一测试板，6、第二测试板，7、支撑板，8、定位板，9、工业面阵相机，10、镜头，11、防尘镜片，12、电源，13、电源开关。
实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
如图1所示，本发明提供了一种用于增材制造设备的多激光系统搭接校正方法，包括以下步骤：
步骤S1：将具有至少一个胶片的检测板放置于增材制造设备的基板上，并使该检测板的表面距离刮刀底部的距离为0.1-1mm；
优选地，可以通过基板调平机构将检测板先调平，再使得检测板的表面距离刮刀底部的距离为0.1-1mm。具体实施中，可选择一个大胶片覆盖所有搭接区域，当然也可以选择几个小胶片分别放置于搭接区域；
步骤S2：控制多激光系统发射激光，在胶片上按照设定程序打印至少具有若干交叉点或若干中心点的图形，且胶片至少位于多激光系统的一个搭接区域；如图2-图8所示，所述图形可为交叉线阵列、十字阵列、圆形阵列，或者十字网格、交叉网格，或者圆形和十字、方形的组合图形及组合阵列图形，当然还可以为其它具有若干交叉点或若干中心点的图形，在此不做一一例举。具体实施中，可设计在搭接区域任意选取区域进行打印图形；优选地，所述图形位于搭接区域的边角位置，这样可进一步提高校正的准确性。此处的设定程序是由计算机根据设计人员的需要设定，在此不做具体阐述。
步骤S3：取出检测板，并将检测板放置于校正装置的支撑板7上；
步骤S4：校正装置的光源向胶片的正面或背面打光，以使校正装置的至少一个拍照相机拍摄至少一个胶片上的图形，所有胶片上的图形记作待处理图形；
该步骤S4中，拍照相机的间隔可由多激光振镜系统单个振镜加工范围所决定，一般情况下≤单振镜加工范围，另外，拍照相机的数量可由多激光系统中激光器或者振镜的数量以及振镜的分布决定，对于双振镜系统，拍照相机可为2个，而对于四振镜系统，拍照相机可为3个等等，随着振镜数量的增加，拍照相机的数量也随之增加。
具体实施中，所述检测板包括测试板和至少一个胶片，所述测试板为玻璃材质、陶瓷材质或金属材质，至少一个胶片安装在测试板上。其中，胶片的数量与拍照相机的数量相同，并呈一一对应关系关系。
在本申请的一实施方式中，所述校正装置包括至少一个拍照相机、光源和测试板，所述测试板上安装所述至少一个胶片，所述光源向胶片的正面或背面打光，以使至少一个拍照相机拍摄胶片上的图形，所有胶片上的图形记作待处理图形。如图所示，所示测试板根据多激光的数量包括第一测试板5和第二测试板6。为了让第一测试板5和第二测试板6精确安装于支撑板7上，第一测试板5和第二测试板6的两侧均设有弹簧定位珠4，以使第一测试板5和第二测试板6定位安装于3D打印设备上，用于激光烧结的定位。进一步优选地，所述装置还包括定位板8，所述定位板8横向竖直安装于机架2上，且位于支撑板7上方，以用于对测试板的安装进行精准定位。
优选地，如图9和图10所示，所述拍照相机为三个，光源包括三个背光源3。背光源3相比正光源，图像成型质量更好。
进一步参阅图9和图10所示，所述校正装置还包括机架2、电源12和支撑板7，所述三个拍照相机竖向设置于机架2的顶部，所述支撑板7垂直设置于机架2的底部，并与三个拍照相机位于机架2的同一侧；所述支撑板7上设有三个第一通孔，以用于分别对应安装所述三个背光源3，所述三个背光源3与三个拍照相机一一对应关系，所述测试板安装于支撑板7上，所述机架2上于三组拍照相机的周围外设有外防护1，所述三组拍照相机的底部分别设有防尘镜片11，以使外防护1和防尘镜片11将三组拍照相机密闭包围，所述电源12安装于支撑板7的底部，用于给三个背光源3供电。
具体实施中，所述拍照相机包括工业面阵相机9或线扫相机和对应镜头10，所述工业面阵相机9、镜头10和防尘镜片11依次连接，所述镜头10采用工业视觉镜头10，具体为FA镜头10、微距镜头10、远心镜头10或线扫相机镜头10等，且采用的工业视觉镜头10焦距根据机型光学设计高度不同采用不同工作距。
作为本申请的另一种优选方案，所述拍照相机可以为一个，其可配合运动机构连续取图，替代两个或两个以上拍照相机固定取图方式。具体地，所述校正装置还包括机架2、一个运动执行机构、电源12和支撑板7，所述运动执行机构安装于机架2上，用于带动相机移动；所述一个或两个及两个以上拍照相机安装在运动执行机构上，所述支撑板7垂直设置于机架2的底部，并与拍照相机位于机架2的同一侧；所述支撑板7上设有一组第一通孔，以用于分别对应安装所述背光源3或正光源，所述背光源3或正光源与拍照相机一一对应，所述测试板安装于支撑板7上，所述机架2上于拍照相机的周围外设有外防护1，所述拍照相机的底部分别设有防尘镜片11，以使外防护1和防尘镜片11将拍照相机密闭包围，所述电源12安装于支撑板7的底部，用于给背光源3或正光源供电。
步骤S5：对待处理图形进行处理得到多激光系统中两两搭接振镜的偏差角度、涨缩比例、偏移量，以对多激光系统的两两振镜加工位置进行补偿。具体地，可将振镜偏差信息取出，导入到增材制造设备电脑中，运行搭接表修改软件，根据振镜偏差信息依次对振镜加工位置做补偿。
作为本申请的一种方案，该步骤S5具体包括：
步骤S51：在待处理图形中分别提取每个振镜控制打印的若干交叉点或中心点，且两两搭接振镜分别提取的若干交叉点或中心点呈对应关系，以使每个振镜提取的所有交叉点或中心点拟合成一条线段，且搭接振镜的两个振镜分别提取的两条线段相匹配；
步骤S52：根据多激光系统的搭接分布获取所有两两搭接振镜，依次获取两两搭接振镜提取的两条相匹配的线段的夹角作为该搭接振镜的偏差角度，两条相匹配的线段的长度比值作为该搭接振镜的涨缩比例，以及两条相匹配的线段在同一坐标系的偏移量作为该搭接振镜的偏移量，以对多激光系统的振镜加工位置进行补偿。本申请的相匹配是指形状、长度等相近。
为了进一步提高本发明校准的准确性，作为本发明的另一优选方案，所述步骤S5具体包括：
步骤S51：在待处理图形中分别提取每个振镜控制打印的若干交叉点或中心点，且两两搭接振镜分别提取的若干交叉点或中心点呈对应关系，以使每个振镜提取的所有交叉点或中心点拟合成多条（是指两条或两条以上）线段，且搭接振镜的两个振镜提取的多条线段呈一一对应关系；如图11所示，振镜1的提取点包括1-1、2-1、3-1....12-1，振镜2的提取点包括1-2、2-2、3-2....12-2，直线A和直线B则是振镜1对应提取点所拟合出来的两条线段，直线C和直线D是振镜3对应提取点所拟合出来的两条线段，直线E和直线F是振镜2对应提取点所拟合的两条线段，直线G和直线H是振镜4对应提取点所拟合出来的两条线段。
步骤S52：根据多激光系统的搭接分布获取所有两两搭接振镜，依次获取两两搭接振镜提取的多条对应线段的夹角均值作为该搭接振镜的偏差角度，多条对应线段的长度比值均值作为该搭接振镜的涨缩比例，以及多条对应线段的在同一坐标系的偏移量均值作为该搭接振镜的偏移量，以对多激光系统的振镜加工位置进行补偿。如图11所示，以获取两两搭接振镜提取的两条对应线段为例，振镜1和振镜3的对应线段是直线A和直线C，以及直线B和直线D；这样可以通过获取直线A和直线C的夹角和直线B和直线D的夹角均值作为振镜1和振镜3的偏差角度，当然振镜1和振镜3的涨缩比例和偏移量参照上述获取；同理，振镜1和振镜2的对应线段是直线A和直线E，以及直线B和直线F；这样可以通过获取直线A和直线E的夹角和直线B和直线F的夹角均值作为振镜1和振镜2的偏差角度……参照上述方法依次获取其它两两搭接振镜的校正参数进行校正。
为了进一步提高校准的准确性，当胶片放置于搭接区域的一区域，执行完上述步骤并实现了多激光系统搭接校准后，将胶片放置于搭接区域的不同区域，再重复执行上述步骤，具体重复执行次数可根据校正结果确定，也可以根据需要确定，在此不做限定。
为了保证校正的准确性，所述校正装置在安装后，对所有拍照相机进行单独标定，以及将多个标定后的拍照相机统一到同一坐标系下。具体地，利用标定板对校正装置中每个拍照相机单独做内部参数标定；并利用特定标定板标定校正装置中多个拍照相机之间的相对关系。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种用于增材制造设备的多激光系统搭接校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将具有至少一个胶片的检测板放置于增材制造设备的基板上，并使该检测板的表面距离刮刀底部的距离为0.1-1mm；
步骤S2：控制多激光系统发射激光，在胶片上按照设定程序打印至少具有若干交叉点或若干中心点的图形，且胶片至少位于多激光系统的一个搭接区域；
步骤S3：取出检测板，并将检测板放置于校正装置的支撑板上；
步骤S4：校正装置的光源向胶片的正面或背面打光，以使校正装置的至少一个拍照相机拍摄至少一个胶片上的图形，所有胶片上的图形记作待处理图形；
步骤S5：对待处理图形进行处理得到多激光系统中两两搭接振镜的偏差角度、涨缩比例、偏移量，以对多激光系统的两两振镜加工位置进行补偿；其中，
所述校正装置包括至少一个拍照相机、光源和测试板，所述测试板上安装所述至少一个胶片，所述光源向胶片的正面或背面打光，以使至少一个拍照相机拍摄胶片上的图形，所有胶片上的图形记作待处理图形；其中，所述步骤S5具体包括：
步骤S51：在待处理图形中分别提取每个振镜控制打印的若干交叉点或中心点，且两两搭接振镜分别提取的若干交叉点或中心点呈对应关系，以使每个振镜提取的所有交叉点或中心点拟合成一条线段，且搭接振镜的两个振镜分别提取的两条线段相匹配；
步骤S52：根据多激光系统的搭接分布获取所有两两搭接振镜，依次获取两两搭接振镜提取的两条相匹配的线段的夹角作为该搭接振镜的偏差角度，两条相匹配的线段的长度比值作为该搭接振镜的涨缩比例，以及两条相匹配的线段在同一坐标系的偏移量作为该搭接振镜的偏移量，以对多激光系统的振镜加工位置进行补偿；
或者所述步骤S5具体包括：
步骤S51：在待处理图形中分别提取每个振镜控制打印的若干交叉点或中心点，且两两搭接振镜分别提取的若干交叉点或中心点呈对应关系，以使每个振镜提取的所有交叉点或中心点拟合成多条线段，且搭接振镜的两个振镜提取的多条线段呈一一对应关系；
步骤S52：根据多激光系统的搭接分布获取所有两两搭接振镜，依次获取两两搭接振镜提取的多条对应线段的夹角均值作为该搭接振镜的偏差角度，多条对应线段的长度比值均值作为该搭接振镜的涨缩比例，以及多条对应线段的在同一坐标系的偏移量均值作为该搭接振镜的偏移量，以对多激光系统的振镜加工位置进行补偿。
2.根据权利要求1所述的用于增材制造设备的多激光系统搭接校正方法，其特征在于，所述图形为交叉线阵列、十字阵列、圆形阵列，或者十字网格、交叉网格，或者圆形和十字、方形的组合图形及组合阵列图形。
3.根据权利要求2所述的用于增材制造设备的多激光系统搭接校正方法，其特征在于，所述图形位于搭接区域的边角位置。
4.根据权利要求1所述的用于增材制造设备的多激光系统搭接校正方法，其特征在于，所述检测板包括测试板和至少一个胶片，所述测试板为玻璃材质、陶瓷材质或金属材质，至少一个胶片安装在测试板上。
5.根据权利要求4所述的用于增材制造设备的多激光系统搭接校正方法，其特征在于，所述拍照相机为三个，光源包括三个背光源。
6.根据权利要求5所述的用于增材制造设备的多激光系统搭接校正方法，其特征在于，所述校正装置还包括机架、电源和支撑板，所述三个拍照相机竖向设置于机架的顶部，所述支撑板垂直设置于机架的底部，并与三个拍照相机位于机架的同一侧；所述支撑板上设有三个第一通孔，以用于分别对应安装所述三个背光源，所述三个背光源与三个拍照相机一一对应关系，所述测试板安装于支撑板上，所述机架上于三组拍照相机的周围外设有外防护，所述三组拍照相机的底部分别设有防尘镜片，以使外防护和防尘镜片将三组拍照相机密闭包围，所述电源安装于支撑板的底部，用于给三个背光源供电。
7.根据权利要求6所述的用于增材制造设备的多激光系统搭接校正方法，其特征在于，所述校正装置在安装后，对所有拍照相机进行单独标定，以及将多个标定后的拍照相机统一到同一坐标系下。
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