CN115446333B - 振镜校准结构及激光校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了振镜校准结构及激光校准方法，属于3D打印技术领域，其包括测量板、测量暗室、光电传感器以及信号处理单元，测量板置于测量暗室的顶部，测量板上开设有测量孔，光电传感器设置在测量暗室的底部，信号处理单元与光电传感器连接。本发明不需要传感器进行激光能量的直接接收，不会造成传感器损伤，同时散射分量后的激光束被光电传感器接收，不会对光电传感器造成损伤，通过信号处理单元实现了振镜的自动化校准，提高了设备使用的自动化程度。

Description

振镜校准结构及激光校准方法

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，涉及3D打印的激光振镜式扫描系统，具体为振镜校准结构及激光校准方法。

背景技术

在金属3D打印领域中，激光振镜式扫描系统因结构简单、精度高而被广泛应用。以3D打印SLM设备为例，不论是单振镜设备还是多振镜设备，设备的振动、振镜的老化、工作环境温度的改变等原因都会导致振镜精度不良，因此3D打印SLM设备时需要频繁的校正振镜的精度。

目前振镜校准主要是通过“十”字测量法进行校正的，该方法是通过在白贴纸或其他平板上扫描出“十”字等间距阵列，通过如2次元、扫描仪等测量工具测出“十”字阵列的实际位置，然后和理论位置对比，得出各“十”字点的位置偏差，生成校准文件，迭代2～3次，完成振镜的校准；近几年出现了一些其他的自动校正方法，例如通过传感器测量激光的扫描位置，完成自动校准，或者通过相机拍摄白板上的“十”字阵列在设备内部完成偏差计算等；但是由于传感器直接接收高能量的激光会造成传感器损坏，采用增加光学衰减片的方式又很难找到合适的衰减片，“十”字测量法需要用到测量工具，因此，这些方法都需要借助额外的设备，实用性都较差。

发明内容

针对上述所描述现有的振镜校准都需要借助额外的设备，实用性差的问题，本发明提出了振镜校准结构及激光校准方法。

本发明中照射进测量暗室内的激光能量不会向外界区域传播散失，照射进测量暗室内的激光通过测量暗室进行散射分量后被光电传感器接收，不需要激光传感器直接接收激光能量，不会造成传感器损伤，同时通过信号处理单元实现了振镜的自动化校准，提高了设备使用的自动化程度；其具体技术方案如下：

振镜校准结构，包括测量板、测量暗室、光电传感器、信号处理单元和振镜控制单元，所述测量板置于测量暗室的顶部，所述测量板上开设有测量孔，所述光电传感器设置在测量暗室的底部，所述信号处理单元与光电传感器连接，所述信号处理单元与振镜控制单元连接。

进一步限定，所述信号处理单元包括A/D转换模块、DSP处理模块以及通讯模块，所述DSP处理模块通过A/D转换模块与光电传感器连接，所述DSP处理模块与通讯模块连接；

其中，所述光电传感器采集扫描振镜的激光信息，并将激光信息转换为电信号，并将电信号传输给A/D转换模块；

所述A/D转换模块接收电信号，并对电信号进行模数转换，形成数值信息，将数值信息传输给DSP处理模块；

所述DSP处理模块接收数值信息，并将数值信息与标准的预设信息进行比对，计算偏移量，将偏移量通过通讯模块进行发送。

进一步限定，所述振镜校准结构还包括上位机系统，所述上位机系统与通讯模块连接；

所述上位机系统接收通讯模块发送的偏移量，并将偏移量转换为与振镜控制单元匹配的校准配置文件，对校准配置文件进行更新，并将更新后的校准配置文件发给振镜控制单元进行校准。

进一步限定，所述偏移量的计算过程为：

其中，Δx为x方向的偏移量；r为测量孔的半径；Δy为y方向的偏移量；e为y方向弦长的1/2；d为x方向弦长的1/2。

进一步限定，所述振镜校准结构还包括底板，所述测量暗室的底部通过光电传感器与底板连接。

进一步限定，所述测量孔有多个，多个测量孔在测量板上呈阵列式分布。

进一步限定，所述测量暗室呈漏斗状结构。

振镜系统，包括振镜扫描式激光光路、振镜控制单元以及上述的振镜校准结构，所述振镜扫描式激光光路经过测量板上的测量孔照射进测量暗室，所述振镜控制单元用于控制振镜扫描式激光光路在测量孔区域的扫描图案。

激光校准方法，包括以下步骤：

1)制作上述的振镜校准结构；

2)调节振镜扫描式激光光路的聚焦面与测量板的所在平面重合，控制振镜偏移，使出射激光在测量孔区域扫描图案，激光束通过测量孔后，照亮测量暗室，同时激光束的激光信息被光电传感器采集；

3)光电传感器将采集的激光信息传输至信号处理单元进行校准。

进一步限定，所述步骤2)具体为：

调节振镜扫描式激光光路的聚焦面与测量板的所在平面重合，通过振镜控制单元控制振镜偏移，使出射激光在测量孔区域扫描图案，激光束通过测量孔后，照亮测量暗室，激光束在测量暗室进行散射分量，充满测量暗室，经测量暗室散射分量后的激光束所包含的激光信息不断被光电传感器采集。

进一步限定，所述步骤3)具体为：

3.1)A/D转换模块不断接收光电传感器传输给的电信号，并对电信号进行模数转换，形成数值信息，将数值信息传输给DSP处理模块；

3.2)DSP处理模块不断接收A/D转换模块传输的数值信息，并将数值信息与标准的预设信息进行比对，确定偏移量，将确定的偏移量通过通讯模块传递给上位机系统；

3.2)上位机系统不断接收DSP处理模块传输的偏移量，并将偏移量实时转换为与振镜控制单元匹配的校准配置文件，对校准配置文件进行更新，并将更新后的校准配置文件发给振镜控制单元，通过振镜控制单元不断调整振镜偏移，直至出射激光在测量孔区域扫描图案的中心位置与测量孔的圆心重合，完成校正；

所述偏移量的具体确定过程为：

其中，Δx为x方向的偏移量；r为测量孔的半径；Δy为y方向的偏移量；e为y方向弦长的1/2；d为x方向弦长的1/2。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明振镜校准结构，其包括测量板、测量暗室、光电传感器以及信号处理单元，在校准时，激光束通过测量板上的测量孔，在测量暗室的内腔壁上散射分量后被光电传感器接收，通过光电传感器采集激光束的激光信息，将激光信息转换为电信号，并将电信号传输给信号处理单元，通过信号处理单元进行处理、校准。本发明照射进测量暗室内的激光能量不会向外界区域传播散失，避免激光能量损失；照射进测量暗室内的激光通过测量暗室进行散射分量后被光电传感器接收，本发明不需要传感器进行激光能量的直接接收，不会造成传感器损伤，同时散射分量后的激光束被光电传感器接收，不会对光电传感器造成损伤，通过信号处理单元实现了振镜的自动化校准，提高了设备使用的自动化程度。

2、本发明通过DSP处理模块计算振镜的偏移量，并将偏移量通过通讯模块传输给上位机系统，使得3D打印设备在不开启成型室门的状态下启动激光扫描程序和校准单元的采集程序，实现自动化校准。对于大型打印设备而言，一系列的上位机可以控制一个校准单元，不需要借助额外的辅助测量仪器，进一步提高了设备的自动化程度。

3、本发明中不同参数的激光均可使用该校准结构，不局限于振镜扫描式激光光路，对于动态聚焦等变工作平面系统，在此校准单元下增加高度调节结构，也可实现动态聚焦等系统的坐标采集与校正。

附图说明

图1为本发明振镜校准结构的结构示意图；

图2为测量暗室的结构示意图；

图3为扫描线相对于圆心偏移后与弦长的计算过程示意图；

图4为振动坐标无误差时激光扫描剖面示意图；其中，a、b、c、d、e和f均为扫描线；

图5为振动坐标有误差时激光扫描剖面示意图；其中，a、b、c、d、e和f均为扫描线；

其中，1-振镜扫描式激光光路，2-聚焦场镜，3-扫描激光，4-测量板，5-测量孔，6-测量暗室，7-底板，8-光电传感器，9-信号处理单元，10-扫描线。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行进一步地解释说明，但本发明并不限于以下说明的实施方式。

参见图1和图2，本发明提供了一种振镜校准结构，包括测量板4、测量暗室6、光电传感器8、信号处理单元9和振镜控制单元，测量板4置于测量暗室6的顶部，测量板4上开设有测量孔5，光电传感器8设置在测量暗室6的底部，信号处理单元9与光电传感器8连接，信号处理单元9与振镜控制单元连接。本发明的测量暗室6为顶部大、底部小的收口状结构，优选的，本发明的测量暗室6为顶部大、底部小的漏斗状结构，测量板4位于测量暗室6的顶部开口处，测量板4包括底部圆板和与底部圆板的圆周连接的环向侧板，环向侧板设置在底部圆板的上方，同时底部圆板的圆周还与测量暗室6的顶部边缘固定且密封连接；在底部圆板和环向侧板上均设置测量孔5。本发明通过测量暗室6的内侧壁对激光束进行散射分量，使得激光束的散射分量充满整个测量暗室6，继而被光电传感器8接收，且不会对光电传感器8造成损伤，测量暗室6在无光照时，相当于暗室，且测量暗室6可以针对不同波长的激光，匹配选用合适的光电传感器8；测量暗室6为金属材质，其可以是铝材、不锈钢材等，优选的，测量暗室6的材料为铝材。

信号处理单元9包括A/D转换模块、DSP处理模块以及通讯模块，DSP处理模块通过A/D转换模块与光电传感器8连接，DSP处理模块与通讯模块连接；

光电传感器8采集扫描振镜的激光信息，并将激光信息转换为电信号，并将电信号传输给A/D转换模块；

A/D转换模块接收电信号，并对电信号进行模数转换，形成数值信息，将数值信息传输给DSP处理模块；

DSP处理模块接收数值信息，并将数值信息与标准的预设信息进行比对，计算偏移量，将偏移量通过通讯模块进行发送。

优选的，光电传感器8选用以光导效应工作的PIN硅光电二极管，其响应波长包含入射激光谱宽，进一步优选的，光电传感器8探测面的中心与测量暗室6的中心对齐。

振镜校准结构还包括上位机系统，上位机系统与通讯模块连接；

上位机系统接收通讯模块发送的偏移量，并将偏移量转换为与振镜控制单元匹配的校准配置文件，对校准配置文件进行更新，并将更新后的校准配置文件发给振镜控制单元进行校准。在一些实施例中，振镜控制单元可以是振镜控制卡，例如RTC5卡。

偏移量的计算过程为：

激光束在扫描横竖线时，由于扫描速度很快，可以将测量每个测量孔位时激光的扫描路径看成一个剖面图案，这个图案由测量孔5的弦组成，扫描激光3的定位精度差异造成剖面弦位置的不同。

当激光在测量孔5上扫描时，透过的能量与激光经过测量孔5的位置相关，当激光轨迹经过测量孔5的圆心时(激光轨迹与测量孔5的直径重合)，透过测量孔5的能量最多，当激光轨迹偏离测量孔5的圆心时(激光轨迹在测量孔5内为圆的弦)，弦越短，透过能量越小。透过的能量与弦长之间存在线性关系，每套测试系统初始使用前，要依赖已校准好的扫描系统建立弦与光电信号的映射关系函数：可做大样本测试，拟合出弦长与能量的线性回归方程，测试时通过光电传感器8探测到的光照信息，就可反推出激光经过测量孔5时的弦长信息，已知激光通过此处的弦长后，参见图3，求出坐标：

其中，r为测量孔5的半径；Δy为y方向的偏移量；d为x方向弦长的1/2。

同理，可求出x方向的偏移量，

其中，Δx为x方向的偏移量；r为测量孔5的半径；e为y方向弦长的1/2。

参见图4，为振镜坐标无误差时激光扫描剖面示意图，参见图5，为振镜坐标有误差时激光扫描剖面示意图；

以三横三竖为例，扫描线10包括扫描线a、扫描线b、扫描线c、扫描线d、扫描线e和扫描线f；扫描顺序为a→b→c→d→e→f，若扫描线a通过后弦的响应与直径对应的响应相等同，则在Y方向无偏差，若小于直径对应的响应则有偏差，比较扫描线b、扫描线c，当扫描线b响应值小于扫描线c时，可得实际扫描坐标与理论坐标相比偏向Y轴正方向，反之则偏向Y轴负方向，偏移量根据上述坐标计算得出；同理，可根据扫描线d、扫描线e和扫描线f三条线，得出扫描坐标在X轴的偏移方向及偏移量。

扫描线10的条数量越多，拟合越准确，三横三竖为最优，既能准确的坐标拟合，又能花费较少的时间。

X方向和Y方向的坐标都是相对于测量板4上表面的测量孔5而言的，因此测量板4上的测量孔5的孔位精度对测量精度有决定性作用。

优选的，本发明的振镜校准结构还包括聚焦场镜2，聚焦场镜2设置在振镜与测量板4之间，振镜扫描式激光光路穿过聚焦场镜2聚焦在测量板4上。

本发明的振镜校准结构还包括底板7，测量暗室6的底部通过光电传感器8与底板7连接。

本发明的测量孔5有多个，多个测量孔5在测量板4上呈阵列式分布。具体的，可以是线型阵列分布、矩形阵列分布以及环形阵列分布等结构，优选的，测量孔5为矩形阵列分布，测量孔5的孔径为1㎜，相邻两个测量孔5的间距为20㎜，进一步优选的，矩形阵列为11*11个阵列。测量板4为薄板，具体的，测量板4的厚度范围为0.2mm-0.3mm，优选的，测量板4的厚度为0.25mm。

本发明还提出了振镜系统，包括振镜扫描式激光光路1、振镜控制单元以及上述的振镜校准结构，振镜扫描式激光光路1经过测量板4上的测量孔5照射进测量暗室6，振镜控制单元用于控制振镜扫描式激光光路1在测量孔5区域的扫描图案。

本发明还提出了基于上述振镜校准结构所形成的激光校准方法，包括以下步骤：

1)制作上述的振镜校准结构；

2)将测量板4置于激光打印区域，调节振镜扫描式激光光路1的聚焦面与测量板4的所在平面重合，通过工控机控制激光器输出较低的功率且稳定的激光束，通过振镜控制单元控制振镜偏移，使出射激光在测量孔5区域扫描图案，激光束通过测量孔5后，照亮测量暗室6，激光束在测量暗室6进行散射分量，充满测量暗室6，经测量暗室6散射分量后的激光束所包含的激光信息不断被光电传感器8采集。

3)光电传感器8将采集的激光信息传输至信号处理单元9进行校准；具体校准过程为：

3.1)A/D转换模块不断接收光电传感器8传输给的电信号，并对电信号进行模数转换，形成数值信息，将数值信息传输给DSP处理模块；

3.2)DSP处理模块不断接收A/D转换模块传输的数值信息，并将数值信息与标准的预设信息进行比对，确定偏移量，将确定的偏移量通过通讯模块传递给上位机系统；

3.2)上位机系统不断接收DSP处理模块传输的偏移量，并将偏移量实时转换为与振镜控制单元匹配的校准配置文件，对校准配置文件进行更新，并将更新后的校准配置文件发给振镜控制单元，通过振镜控制单元不断调整振镜偏移，直至出射激光在测量孔5区域扫描图案的中心位置与测量孔5的圆心重合，完成校正；

偏移量的具体确定过程为：

其中，Δx为x方向的偏移量；r为测量孔5的半径；Δy为y方向的偏移量；e为y方向弦长的1/2；d为x方向弦长的1/2。

Claims (9)

1.振镜校准结构，其特征在于，包括测量板(4)、测量暗室(6)、光电传感器(8)、信号处理单元(9)和振镜控制单元，所述测量暗室(6)呈漏斗状结构，所述测量板(4)置于测量暗室(6)的顶部，所述测量板(4)上开设有测量孔(5)，所述光电传感器(8)设置在测量暗室(6)的底部，所述信号处理单元(9)与光电传感器(8)连接，所述信号处理单元(9)与振镜控制单元连接；所述信号处理单元将光电传感器(8)传输的电信号进行模数转换处理和校准。

2.如权利要求1所述的振镜校准结构，其特征在于，所述信号处理单元(9)包括A/D转换模块、DSP处理模块以及通讯模块，所述DSP处理模块通过A/D转换模块与光电传感器(8)连接，所述DSP处理模块与通讯模块连接；

其中，所述光电传感器(8)采集扫描振镜的激光信息，并将激光信息转换为电信号，并将电信号传输给A/D转换模块；

所述A/D转换模块接收电信号，并对电信号进行模数转换，形成数值信息，将数值信息传输给DSP处理模块；

所述DSP处理模块接收数值信息，并将数值信息与标准的预设信息进行比对，计算偏移量，将偏移量通过通讯模块进行发送。

3.如权利要求2所述的振镜校准结构，其特征在于，所述振镜校准结构还包括上位机系统，所述上位机系统与通讯模块连接；

所述上位机系统接收通讯模块发送的偏移量，并将偏移量转换为与振镜控制单元匹配的校准配置文件，对校准配置文件进行更新，并将更新后的校准配置文件发给振镜控制单元进行校准。

4.如权利要求2或3所述的振镜校准结构，其特征在于，所述偏移量的计算过程为：

其中，Δx为x方向的偏移量；r为测量孔(5)的半径；Δy为y方向的偏移量；e为y方向弦长的1/2；d为x方向弦长的1/2。

5.如权利要求1所述的振镜校准结构，其特征在于，所述振镜校准结构还包括底板(7)，所述测量暗室(6)的底部通过光电传感器(8)与底板(7)连接。

6.如权利要求1所述的振镜校准结构，其特征在于，所述测量孔(5)有多个，多个测量孔(5)在测量板(4)上呈阵列式分布。

7.振镜系统，其特征在于，包括振镜扫描式激光光路(1)、振镜控制单元以及权利要求1-4任一项所述的振镜校准结构，所述振镜扫描式激光光路(1)经过测量板(4)上的测量孔(5)照射进测量暗室(6)，所述振镜控制单元用于控制振镜扫描式激光光路(1)在测量孔(5)区域的扫描图案。

8.激光校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)制作权利要求4所述的振镜校准结构；

2)调节振镜扫描式激光光路(1)的聚焦面与测量板(4)的所在平面重合，控制振镜偏移，使出射激光在测量孔(5)区域扫描图案，激光束通过测量孔(5)后，照亮测量暗室(6)，同时激光束的激光信息被光电传感器(8)采集；

3)光电传感器(8)将采集的激光信息传输至信号处理单元(9)进行校准。

9.如权利要求8所述的激光校准方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：

3.1)A/D转换模块不断接收光电传感器(8)传输给的电信号，并对电信号进行模数转换，形成数值信息，将数值信息传输给DSP处理模块；

3.2)DSP处理模块不断接收A/D转换模块传输的数值信息，并将数值信息与标准的预设信息进行比对，确定偏移量，将确定的偏移量通过通讯模块传递给上位机系统；

3.2)上位机系统不断接收DSP处理模块传输的偏移量，并将偏移量实时转换为与振镜控制单元匹配的校准配置文件，对校准配置文件进行更新，并将更新后的校准配置文件发给振镜控制单元，通过振镜控制单元不断调整振镜偏移，直至出射激光在测量孔(5)区域扫描图案的中心位置与测量孔(5)的圆心重合，完成校正；

所述偏移量的具体确定过程为：

其中，Δx为x方向的偏移量；r为测量孔(5)的半径；Δy为y方向的偏移量；e为y方向弦长的1/2；d为x方向弦长的1/2。