CN115082543A - 一种激光修正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光修正方法，属于3D打印技术领域，包括对激光投射的光斑位置进行枕形失真修正，得到光斑在实际加工平面上打靶的点阵数据，然后再根据光斑的灰度图，通过加入网络GA的方式获取光斑的圆心坐标，得到机械误差偏量，从而对激光进行修正，解决了快速定位激光光斑圆心并对激光光斑位置进行枕形修正和误差修正的技术问题，本发明可以快速的对激光光斑圆心进行定位，无需采用三切法或圆拟合的方式，减小了计算量，加快了加工速度，本发明在对激光进行枕形修正的同时，还对激光进行机械误差修正，极大的增加了加工精度。

Description

一种激光修正方法
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，尤其涉及一种激光修正方法。
背景技术
SLM打印机是基于激光扫描技术的高精度3D打印设备，其打印精度可以做到um级别，而振镜是SLM打印机中的重要的激光矢量扫描器件。
SLM打印机的在激光扫描的而过程中，实际上是通过控制振镜的X轴镜片和Y轴镜片的转角来实现平面内的二维图形扫描的，振镜扫描在平面扫描的过程中存在着枕形误差，其原因是激光束的聚焦面实际上为以振镜为中心的一个球面，由于激光束聚焦有一定的焦深，当扫描面较大时，其扫描出的矩形图形实际上为一个类似枕形的畸形图形，并且由于SLM打印机的振镜在安装时存在一定的机械误差，其实际的激光投射点与理想的投射点还存在一定的误差偏差，难以消除。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光修正方法，解决了快速定位激光光斑圆心并对激光光斑位置进行枕形修正和误差修正的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种激光修正方法，具体包括如下步骤：
步骤1：部署激光修正服务器，激光修正服务器通过网线与SLM打印机通信，获取SLM打印机的高速CCD摄像机捕获的SLM打印机的加工平面的实时图像，并同时获取SLM打印机预设的激光光斑的直径φ；
步骤2：在激光修正服务器中建立图像处理模块，图像处理模块用于对实时图像进行图像预处理后，再对预处理后的图像中的像素进行坐标标注，生成加工平面的坐标定位图；
步骤3：在激光修正服务器中建立模型构建模块，模型构建模块根据坐标定位图建立加工平面的实际加工平面模型，并根据像素的坐标标注对实际加工平面模型进行尺寸标注并建立世界坐标系；
模型构建模块对实际加工平面模型进行网格化处理，并根据预设值设定网格的间隔大小，将所有网格节点均作为理论定位点，建立理论定位点集合
步骤4：在激光修正服务器中建立修正模块，修正模块根据激光枕形失真修正方法，计算得到每一个理论定位点对应的振镜的转角，建立振镜转角集合；
步骤5：激光修正服务器将振镜转角集合发送给SLM打印机，SLM打印机根据振镜转角集合中的振镜转角，依次向实际加工平面投射测试激光，高速CCD摄像机捕获测试激光投射的光斑图像，激光修正服务器实时获取光斑图像，生成光斑图像集合，图像处理模块对光斑图像集合中的所有图像进行预处理，并计算光斑的圆心在世界坐标系中的位置：
步骤6：根据步骤5的方法，对光斑图像集合中的所有图像进行处理，得到光斑在实际加工平面上打靶的点阵数据，模型构建模块获取点阵数据并建立光斑圆心的数学点阵模型，依次对比数学点阵模型中光斑圆心的实际坐标与对应的理论定位点之间的坐标偏差，将偏差值作为激光误差修正参数，得到相应的激光修正点；
步骤7：激光修正服务器对激光修正点重新进行激光枕形失真修正的计算，得到振镜的修正转角，建立振镜修正转角集合，并发送给SLM打印机，SLM打印机根据振镜修正转角集合T’对激光进行修正。
优选的，所述3D打印加工平面为SLM打印机的打印加工平面。
优选的，所述世界坐标系的原点为坐标定位图最左下角的像素点。
优选的，在执行步骤S5-2时，n的取值由正方形方框是否能完全框住表示光斑的所有像素而决定。
优选的，在执行步骤S5-2时，移动正方形方框时，相对坐标系的横坐标轴适中与世界坐标系的横坐标轴平行，相对坐标系的纵坐标轴适中与世界坐标系的纵坐标轴平行。
优选的，在执行步骤5时，具体包括如下步骤：
步骤S5-1：获取光斑图像集合中的任意一张光斑图像，对光斑图像进行二值化处理后，再进行降噪处理，得到光斑灰度图，并识别表示光斑的像素，即光斑像素；
步骤S5-2：设定一个正方形方框，根据以下公式计算出正方形方框的边长L：
Figure BDA0003720272630000021
其中，φ为SLM打印机预设的激光光斑的直径，n为正整数；即，将激光光斑的直径评分成n份后，正方形方框的边长为直径φ再加上
Figure BDA0003720272630000022
以方形方框的左下角顶点为圆心，建立正方形方框所在的相对坐标系；
将正方形方框加载在光斑灰度图中，移动正方形方框，使正方形方框完全框住所有光斑像素；
步骤S5-3：以
Figure BDA0003720272630000031
作为间隔距离，建立网格GA，并对网格GA中所有的单元网格进行编号，利用网格GA将正方形方框进行网格化处理，建立单元网格的中心在相对坐标系中的位置坐标与编号之间的映射列表，即相对坐标映射列表；
标记网格GA中包含光斑像素的所有单元网格，即为光斑单元网格；
步骤S5-4：在相对坐标系的横坐标轴方向上，判断光斑单元网格的数量为偶数还是奇数：当为偶数时，在横坐标轴的方向上取居中的两个光斑单元网格的中心的连线的中点，作为光斑的圆心在相对坐标系中的横坐标x’；当为奇数时，在横坐标轴的方向上取居中的光斑单元网格的中心，作为光斑的圆心在相对坐标系中的横坐标x’；
同理，在相对坐标系的纵坐标轴方向上，判断光斑单元网格的数量为偶数还是奇数：当为偶数时，在纵坐标轴的方向上取居中的两个光斑单元网格的中心的连线的中点，作为光斑的圆心在相对坐标系中的纵坐标y′；当为奇数时，在纵坐标轴的方向上取居中的光斑单元网格的中心，作为光斑的圆心在相对坐标系中的纵坐标y′；
根据相对坐标映射列表，得到光斑的圆心O’(x’,y′)在相对坐标系中的坐标；
步骤S5-5：将相对坐标系与世界坐标系进行对比，得出每一个单元网格的中心在世界坐标系中的实际位置，并计算出圆心O’(x’,y′)在世界坐标系中的实际坐标O(i,j)。
本发明所述的一种激光修正方法，解决了快速定位激光光斑圆心并对激光光斑位置进行枕形修正和误差修正的技术问题，本发明可以快速的对激光光斑圆心进行定位，无需采用三切法或圆拟合的方式，减小了计算量，加快了加工速度，本发明在对激光进行枕形修正的同时，还对激光进行机械误差修正，极大的增加了加工精度。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明的实际加工平面模型进行网格化处理的数学模型示意图；
图3是本发明的实际光斑位置与理论定位点产生机械误差时的数学模型示意图；
图4是本发明的通过网格GA对机械误差进行修正时相对于世界坐标系的位置的数学模型示意图；
图5是本发明的当判断光斑单元网格的数量为偶数时对圆心进行定位的数学模型图；
图6是本发明的当判断光斑单元网格的数量为奇数时对圆心进行定位的数学模型图；
图7是本发明的进行二值化处理后的光斑图像；
图8是本发明的去噪后的光斑图像灰度图；
图9是本发明的通过对网格GA的移动后对光斑像素进行完全包含的图像。
具体实施方式
由图1-9所示的一种激光修正方法，具体包括如下步骤：
步骤1：部署激光修正服务器，激光修正服务器通过网线与SLM打印机通信，获取SLM打印机的高速CCD摄像机捕获的SLM打印机的加工平面的实时图像，并同时获取SLM打印机预设的激光光斑的直径φ；
步骤2：在激光修正服务器中建立图像处理模块，图像处理模块用于对实时图像进行图像预处理后，再对预处理后的图像中的像素进行坐标标注，生成加工平面的坐标定位图；
步骤3：在激光修正服务器中建立模型构建模块，模型构建模块根据坐标定位图建立加工平面的实际加工平面模型，并根据像素的坐标标注对实际加工平面模型进行尺寸标注并建立世界坐标系；
模型构建模块对实际加工平面模型进行网格化处理，并根据预设值设定网格的间隔大小，将所有网格节点均作为理论定位点，建立理论定位点集合Z＝{P0,0,P1,0,P0,1,P2,0,P0,2...Pi,j}，其中，Pi,j为网格节点，i和j分别为节点P在世界坐标系中的横坐标值和纵坐标值；
步骤4：在激光修正服务器中建立修正模块，并在激光修正服务器中输入SLM打印机的振镜的X轴镜片到Y轴镜片中心的距离d和振镜Y轴镜片中心到加工平面的高度h，修正模块根据激光枕形失真修正方法，计算出理论定位点集合Z中所有的理论定位点对应的振镜的转角α，建立振镜转角集合
Figure BDA0003720272630000051
其中，α为振镜的转角，α的取值由θx和θy决定，θx和θy分别为振镜的X轴镜片的转角和Y轴镜片的转角，Pi,j为α对应的网格节点；
激光枕形失真修正方法的计算公式如下：
Figure BDA0003720272630000052
Figure BDA0003720272630000053
其中，i和j分别为网格节点Pi,j在世界坐标系中的横坐标和纵坐标。
如图3所示，由于安装时的机械误差，激光光斑在枕形修正后依然存在偏差，即，光斑的实际位置在P’i,j，而并不是理想的网格节点Pi,j。
步骤5：激光修正服务器将振镜转角集合T发送给SLM打印机，SLM打印机根据振镜转角集合T中的振镜转角，依次向实际加工平面投射测试激光，高速CCD摄像机捕获测试激光投射的光斑图像，激光修正服务器实时获取光斑图像，生成光斑图像集合，图像处理模块对光斑图像集合中的所有图像进行预处理，并根据以下步骤计算光斑的圆心在相对坐标系中的位置以及在世界坐标系中的位置：
在实际应用时，激光投射的光斑往往并不是一个正圆形，而是一个类椭圆的形状，在测量激光光斑的圆心时，往往需要采用三切线法或圆拟合的原理进行测量，但是在光斑的像素图中，其光斑的边界并不清晰，很难获取合适的切点，而采用圆拟合时，需要加载refionprops函数进行长轴、短轴和离心率等计算，这样就会增加很大的计算量，拖慢加工速度。
本实施例中，采用设定正方形方框并进行网格化处理的方式来确定圆心，在允许的误差范围内加快了判断圆心的速度，减小了计算量。
步骤S5-1：获取光斑图像集合中的任意一张光斑图像，对光斑图像进行二值化处理后，再进行降噪处理，得到光斑灰度图，并识别表示光斑的像素，即光斑像素；
步骤S5-2：设定一个正方形方框，根据以下公式计算出正方形方框的边长L：
Figure BDA0003720272630000061
其中，φ为SLM打印机预设的激光光斑的直径，n为正整数；即，将激光光斑的直径评分成n份后，正方形方框的边长为直径φ再加上
Figure BDA0003720272630000062
对以这方形方框的左下角顶点为圆心，建立正方形方框所在的相对坐标系；
将正方形方框加载在光斑灰度图中，移动正方形方框，使正方形方框完全框住所有光斑像素；如图9所示，加入正方形方框并进行网格化后的图像。
在实际操作的过程中，n的取值由正方形方框是否能完全框住表示光斑的所有像素而决定，当n的取值过大时，正方形方框会因为L与φ之间的差值太小而有几率不能完全框住表示光斑的所有像素，此时则缩小n的取值并从新进行设定正方形方框的大小，直到能够完全框住表示光斑的所有像素为止。
n的取值由加工工件的误差范围决定，本实施例中采用n＝5，其正方形方框的边长大小为
Figure BDA0003720272630000063
其实际的网格数量为6×6的网格，可以减小大量的计算。
移动正方形方框时，相对坐标系的横坐标轴适中与世界坐标系的横坐标轴平行，相对坐标系的纵坐标轴适中与世界坐标系的纵坐标轴平行。
步骤S5-3：以
Figure BDA0003720272630000064
作为间隔距离，建立网格GA，并对网格GA中所有的单元网格进行编号，利用网格GA将正方形方框进行网格化处理，建立单元网格的中心在相对坐标系中的位置坐标与编号之间的映射列表，即相对坐标映射列表；
标记网格GA中包含光斑像素的所有单元网格，即为光斑单元网格；
如图5和图6所示，网格GA中的单元网格的编号记为G(i′,j′)，其中i′和j′分别表示单元网格的行编号和列编号，i′和j′的取值均小于等于n，网格GA的最左下角的单元网格的编号记为G(0,0)，单元网格G(0,0)的左下角的顶点为相对坐标系的原点O”。
步骤S5-4：在相对坐标系的横坐标轴方向上，判断光斑单元网格的数量为偶数还是奇数：当为偶数时，在横坐标轴的方向上取居中的两个光斑单元网格的中心的连线的中点，作为光斑的圆心在相对坐标系中的横坐标x’；当为奇数时，在横坐标轴的方向上取居中的光斑单元网格的中心，作为光斑的圆心在相对坐标系中的横坐标x’；
如图5所示为光斑单元网格的数量为偶数的情况，此时取居中的两个单元网格G(i′,j′)和G(i′+1,j′)，得到G(i′,j′)的中心D1和G(i′+1,j′)的中心D2后，将两个中心连线，并求线段D1-D2的中点，以该中点作为光斑的圆心O。
又如图6所示为光斑单元网格的数量为奇数的情况，此时取居中的单元网格G(i′,j′)，并获取单元网格G(i′,j′)的中点作为光斑的圆心O。
同理，在相对坐标系的纵坐标轴方向上，判断光斑单元网格的数量为偶数还是奇数：当为偶数时，在纵坐标轴的方向上取居中的两个光斑单元网格的中心的连线的中点，作为光斑的圆心在相对坐标系中的纵坐标y′；当为奇数时，在纵坐标轴的方向上取居中的光斑单元网格的中心，作为光斑的圆心在相对坐标系中的纵坐标y′；
根据相对坐标映射列表，得到光斑的圆心O’(x’,y′)在相对坐标系中的坐标。
本实施例中，光斑的实际圆心的位置与得出的光斑的圆心O’(x’,y′)中间的偏差在
Figure BDA0003720272630000071
的距离之内，而SLM打印机的精度一般可以以激光光斑的直径作为标准，本发明可以满足大多数加工工件的精度需求。
步骤S5-5：将相对坐标系与世界坐标系进行对比，得出每一个单元网格的中心在世界坐标系中的实际位置，并计算出圆心O’(x’,y′)在世界坐标系中的实际坐标O(i,j)；
步骤6：根据步骤5的方法，对光斑图像集合中的所有图像进行处理，得到光斑在实际加工平面上打靶的点阵图形，模型构建模块获取点阵图形并建立光斑圆心的数学点阵模型，对比数学点阵模型中光斑圆心的实际坐标O(i,j)与理论定位点之间的坐标偏差作为激光误差修正参数，得到一个激光修正点P′i,j；
步骤7：激光修正服务器根据激光误差修正参数重新进行激光枕形失真修正的计算，得到振镜的修正转角α’，建立振镜修正转角集合
Figure BDA0003720272630000072
P′i,j为α’对应的网格节点，并发送给SLM打印机，SLM打印机根据振镜修正转角集合T’对激光进行修正。
所述3D打印加工平面为SLM打印机的打印加工平面。
所述世界坐标系的原点为坐标定位图最左下角的像素点。
本发明所述的一种激光修正方法，解决了快速定位激光光斑圆心并对激光光斑位置进行枕形修正和误差修正的技术问题，本发明可以快速的对激光光斑圆心进行定位，无需采用三切法或圆拟合的方式，减小了计算量，加快了加工速度，本发明在对激光进行枕形修正的同时，还对激光进行机械误差修正，极大的增加了加工精度。

Claims (6)

1.一种激光修正方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1：部署激光修正服务器，激光修正服务器通过网线与SLM打印机通信，获取SLM打印机的高速CCD摄像机捕获的SLM打印机的加工平面的实时图像，并同时获取SLM打印机预设的激光光斑的直径φ；
步骤2：在激光修正服务器中建立图像处理模块，图像处理模块用于对实时图像进行图像预处理后，再对预处理后的图像中的像素进行坐标标注，生成加工平面的坐标定位图；
步骤3：在激光修正服务器中建立模型构建模块，模型构建模块根据坐标定位图建立加工平面的实际加工平面模型，并根据像素的坐标标注对实际加工平面模型进行尺寸标注并建立世界坐标系；
模型构建模块对实际加工平面模型进行网格化处理，并根据预设值设定网格的间隔大小，将所有网格节点均作为理论定位点，建立理论定位点集合；
步骤4：在激光修正服务器中建立修正模块，修正模块根据激光枕形失真修正方法，计算得到每一个理论定位点对应的振镜的转角，建立振镜转角集合；
步骤5：激光修正服务器将振镜转角集合发送给SLM打印机，SLM打印机根据振镜转角集合中的振镜转角，依次向实际加工平面投射测试激光，高速CCD摄像机捕获测试激光投射的光斑图像，激光修正服务器实时获取光斑图像，生成光斑图像集合，图像处理模块对光斑图像集合中的所有图像进行预处理，并计算光斑的圆心在世界坐标系中的位置：
步骤6：根据步骤5的方法，对光斑图像集合中的所有图像进行处理，得到光斑在实际加工平面上打靶的点阵数据，模型构建模块获取点阵数据并建立光斑圆心的数学点阵模型，依次对比数学点阵模型中光斑圆心的实际坐标与对应的理论定位点之间的坐标偏差，将偏差值作为激光误差修正参数，得到相应的激光修正点；
步骤7：激光修正服务器对激光修正点重新进行激光枕形失真修正的计算，得到振镜的修正转角，建立振镜修正转角集合，并发送给SLM打印机，SLM打印机根据振镜修正转角集合T’对激光进行修正。
2.如权利要求1所述的一种激光修正方法，其特征在于：所述3D打印加工平面为SLM打印机的打印加工平面。
3.如权利要求1所述的一种激光修正方法，其特征在于：所述世界坐标系的原点为坐标定位图左下角的像素点。
4.如权利要求1所述的一种激光修正方法，其特征在于：在执行步骤S5-2时，n的取值由正方形方框是否能完全框住表示光斑的所有像素而决定。
5.如权利要求1所述的一种激光修正方法，其特征在于：在执行步骤S5-2时，移动正方形方框时，相对坐标系的横坐标轴适中与世界坐标系的横坐标轴平行，相对坐标系的纵坐标轴适中与世界坐标系的纵坐标轴平行。
6.如权利要求1所述的一种激光修正方法，其特征在于：在执行步骤5时，具体包括如下步骤：
步骤S5-1：获取光斑图像集合中的任意一张光斑图像，对光斑图像进行二值化处理后，再进行降噪处理，得到光斑灰度图，并识别表示光斑的像素，即光斑像素；
步骤S5-2：设定一个正方形方框，根据以下公式计算出正方形方框的边长L：
Figure FDA0003720272620000021
其中，φ为SLM打印机预设的激光光斑的直径，n为正整数；即，将激光光斑的直径评分成n份后，正方形方框的边长为直径φ再加上
Figure FDA0003720272620000022
以方形方框的左下角顶点为圆心，建立正方形方框所在的相对坐标系；
将正方形方框加载在光斑灰度图中，移动正方形方框，使正方形方框完全框住所有光斑像素；
步骤S5-3：以
Figure FDA0003720272620000023
作为间隔距离，建立网格GA，并对网格GA中所有的单元网格进行编号，利用网格GA将正方形方框进行网格化处理，建立单元网格的中心在相对坐标系中的位置坐标与编号之间的映射列表，即相对坐标映射列表；
标记网格GA中包含光斑像素的所有单元网格，即为光斑单元网格；
步骤S5-4：在相对坐标系的横坐标轴方向上，判断光斑单元网格的数量为偶数还是奇数：当为偶数时，在横坐标轴的方向上取居中的两个光斑单元网格的中心的连线的中点，作为光斑的圆心在相对坐标系中的横坐标x’；当为奇数时，在横坐标轴的方向上取居中的光斑单元网格的中心，作为光斑的圆心在相对坐标系中的横坐标x’；
同理，在相对坐标系的纵坐标轴方向上，判断光斑单元网格的数量为偶数还是奇数：当为偶数时，在纵坐标轴的方向上取居中的两个光斑单元网格的中心的连线的中点，作为光斑的圆心在相对坐标系中的纵坐标y′；当为奇数时，在纵坐标轴的方向上取居中的光斑单元网格的中心，作为光斑的圆心在相对坐标系中的纵坐标y′；
根据相对坐标映射列表，得到光斑的圆心O’(x’,y′)在相对坐标系中的坐标；
步骤S5-5：将相对坐标系与世界坐标系进行对比，得出每一个单元网格的中心在世界坐标系中的实际位置，并计算出圆心O’(x’,y′)在世界坐标系中的实际坐标O(i,j)。
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CN116704015A (zh) * 2023-08-07 2023-09-05 中国科学院合肥物质科学研究院 一种噪声光斑图像自适应窗口预处理质心算法及系统

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