CN115943056A - 激光阵列位置检测 - Google Patents

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CN115943056A CN202080062597.6A CN202080062597A CN115943056A CN 115943056 A CN115943056 A CN 115943056A CN 202080062597 A CN202080062597 A CN 202080062597A CN 115943056 A CN115943056 A CN 115943056A
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laser
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optical assembly
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Abstract

本文中描述的方面涉及增材制造系统和相关方法。在一些实施方式中，增材制造系统包括激光阵列位置检测器，以确定激光阵列中的激光能量像素的位置和/或取向。激光阵列位置检测器可以包括孔以及定位在孔内的光学传感器，以跨越孔扫描激光阵列时检测来自激光能量像素的激光能量。

Description

激光阵列位置检测
相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求于2019年9月4日提交的美国临时申请序列号62/895,677的优先权的权益，该美国临时申请的公开内容通过引用整体并入本文中。
技术领域
公开的实施方式涉及用于检测激光能量像素阵列的位置和/或取向的系统和方法。
背景技术
粉末床熔融过程是增材制造过程的示例，其中通过在逐层过程中选择性地接合材料来形成三维形状。在金属粉末床熔融过程中，一个或多个激光束在金属粉末薄层上方进行扫描。如果各种激光参数例如激光功率、激光光斑尺寸和/或激光扫描速度处于其中所传递的能量足以熔化金属粉末颗粒的状态，则可以在构建表面上建立一个或更多个熔池。激光束沿预定的轨道进行扫描，使得固化的熔池轨迹产生与三维打印零件的二维切片对应的形状。在完成一层之后，粉末表面按照限定的距离被索引，下一层粉末被散布在构建表面上，并且重复激光扫描过程。在许多应用中，可以设置层厚度和激光功率密度以提供下层的部分再熔化以及连续层的熔融。多次重复层索引和扫描，直到制造出期望的三维形状为止。
使用单激光系统和多激光系统两者。一些系统使用一对安装有检流计的反射镜来扫描构建表面上的期望的图案上方的每个激光束。一些系统使用运动平台来扫描构建表面上方的激光。一些系统使用运动平台和检流计的组合来扫描构建表面上方的激光。使用检流计作为扫描方法的一部分的系统通常使用f-θ透镜或远心透镜来帮助使激光束在构建表面上的入射角针对给定的构建表面尺寸保持尽可能接近垂直。任何激光路径的最终光学部件(例如，最终光学器件、检流计、反射镜、远心透镜或f-θ透镜)之间的间隔可能在几毫米直至一百厘米或更多厘米的数量级。
发明内容
在一个实施方式中，一种增材制造系统包括：构建表面；多个激光能量源；光学组件，其能够相对于构建表面移动，而且该光学组件被配置成朝向构建表面引导来自多个激光能量源的激光能量并且在构建表面上形成激光能量像素阵列；以及激光阵列位置检测器。激光阵列位置检测器包括：孔，其被确定尺寸和确定形状成允许来自激光能量像素阵列中的一个激光能量像素的激光能量穿过该孔；以及传感器，其被配置成在来自激光能量像素的激光能量在穿过孔之后检测该激光能量。该系统还包括控制器，该控制器可操作地耦接至光学组件和传感器。控制器被配置成：相对于孔移动光学组件以跨越孔扫描激光能量像素，并且确定激光能量像素相对于光学组件的参考位置的位置。
在另一实施方式中，一种用于确定激光像素阵列的位置的方法包括：激活激光能量像素阵列中的第一激光能量像素；跨越激光阵列位置检测器的孔扫描激光能量像素阵列；利用激光阵列位置检测器的传感器检测来自第一激光能量像素的激光能量；以及确定第一激光能量像素相对于参考位置的位置。
在又一实施方式中，一种用于确定视觉系统相对于激光阵列的位置的方法包括：激活激光能量像素阵列中的第一激光能量像素；沿构建表面扫描第一激光能量像素以形成图案；以及当形成图案时记录激光能量像素阵列的第一位置。该方法还包括：利用视觉系统来检测图案；当检测到图案时，记录视觉系统的第二位置；以及基于第一位置和第二位置来确定偏移距离。
在又一实施方式中，一种用于确定视觉系统相对于激光阵列的位置的方法包括：激活激光能量像素阵列中的激光能量像素。将激光能量像素阵列从增材制造系统的光学组件投射到构建表面上，该光学组件能够相对于构建表面移动。该方法还包括：跨越激光阵列位置检测器的孔扫描光学组件；利用激光阵列位置检测器的光学传感器检测来自激光能量像素的激光能量；以及当光学传感器检测到激光能量时，确定光学组件的第一位置。该方法还包括：跨越参考目标扫描光学组件；利用安装在光学组件上的视觉系统传感器来检测参考目标；当视觉系统传感器检测到参考目标时，确定光学组件的第二位置；以及至少部分地基于光学组件的第一位置和第二位置以及参考目标与光学传感器之间的距离，确定视觉系统传感器与激光能量像素之间的偏移距离。
应当理解，前述概念和下面讨论的附加概念可以以任何合适的组合被布置，原因是本公开内容在这方面不受限制。此外，当结合附图考虑时，根据以下对各种非限制性实施方式的详细描述，本公开内容的其他优点和新颖特征将变得明显。
附图说明
附图不旨在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或几乎相同的部件可以由相同的附图标记来表示。为了清楚的目的，并非在每个附图中都标记了每个部件。在附图中：
图1是根据一些实施方式的增材制造系统的示意性表示；
图2是激光阵列位置检测器的一个实施方式的示意性表示；
图3是激光阵列位置检测器的另一实施方式的示意性表示；
图4是激光阵列位置检测器的又一实施方式的示意性表示；
图5A是根据一些实施方式的沿第一方向在激光阵列位置检测器上扫描激光阵列的示意性表示；
图5B示出了沿第二方向扫描图5A的激光阵列位置检测器；
图6是根据一些实施方式的激光阵列的示意性顶视图；
图7是根据一些实施方式的激光阵列和激光阵列位置检测器的示意性顶视图；
图8是包括两个孔的激光阵列位置检测器的一个实施方式的示意性顶视图；
图9A是包括伸长孔的激光阵列位置检测器的一个实施方式的示意性表示；
图9B示出了图9A的激光阵列位置检测器并且示出了未对准的入射激光能量束；
图10是包括伸长孔的激光阵列位置检测器的另一实施方式的示意性表示；
图11是根据一些实施方式的增材制造系统的示意性表示；
图12是包括参考目标的激光阵列位置检测器的示意性顶视图；
图13是示出根据一些实施方式的确定激光阵列中一个或更多个激光能量像素的位置的方法的流程图；
图14是示出根据一些实施方式的确定视觉系统相对于激光阵列的位置的方法的流程图；以及
图15是示出根据一些实施方式的确定视觉系统相对于激光阵列的位置的另一方法的流程图。
具体实施方式
发明人已经认识到并且理解：增材制造系统例如粉末床熔融系统的制造速度和生产量受到粉末材料能够熔融的速率的限制。材料熔融的速率取决于多种因素，包括传递至系统的构建体积中的粉末材料的总功率，以及用于熔融粉末材料所需的每单位质量的能量。在一些情况下，例如在利用一个或更多个激光能量源向构建体积传递功率的系统中，可以通过增加一个或更多个激光能量源的功率水平来增加熔融速率。然而，单个激光能量源的功率水平可以增加的程度受到激光熔融的过程物理的限制。例如，当功率水平和扫描速度增加至临界限制以上时，熔池的瑞利不稳定性可能会发生，导致制造的零件中的缺陷。因此，发明人已经认识到与包括多个激光能量源的增材制造系统关联的许多益处，每个激光能量源都在低于这样的临界水平的功率水平下操作。例如，通过增加可以在粉末床熔融过程中同时熔融粉末的激光能量源的数目，可以增加传递至构建体积的总功率，并且因此可以增加熔融速率。鉴于以上，发明人已经理解与增材制造系统关联的许多益处，在该增材制造系统中，多个激光能量源被配置成形成可以被指向构建表面(即，粉末床表面)的激光能量像素的阵列(即，激光阵列)以选择性地熔融构建表面上的粉末材料。例如，多个激光能量源可以经由与每个激光能量源关联的光纤耦接至光学组件，并且光学组件可以被配置成接收来自每个激光能量源的激光能量，并且引导激光能量以在构建表面上形成激光能量像素的阵列。如下所述，光学组件可以包括限定激光阵列的激光能量像素之间的固定布置和间隔的多个光学部件。在增材制造过程期间，可以在构建表面上扫描光学组件，并且阵列中的单个激光能量像素可以被选择性地激励以在构建表面上形成期望的激光能量图案(例如，对应于正在制造的零件的几何形状)。
尽管光学组件可以限定激光阵列中的激光能量像素之间的固定布置和间隔，但是发明人已经理解：光学组件如何安装至台架系统(或增材制造系统中的其他合适的结构)的变化以及/或者光学组件的内部光学部件的变化(例如，制造公差内的变化)可能影响激光能量像素在粉末床表面上的位置。因此，尽管光学组件的大致位置可以在整个增材制造过程中是已知的，但是发明人已经理解：在制造过程期间更精确地确定投射至粉末床表面上的激光阵列的位置和/或取向可能是有益的。如下文更详细地描述的，本文中描述的系统和方法可以允许确定激光阵列相对于参考位置的精确位置和取向，参考位置例如增材制造系统的主参考位置或光学组件的参考位置。以这种方式，激光阵列中的每个激光能量像素的真实位置可以在整个制造过程中是已知的，这可以允许零件的高分辨率和准确制造。
根据一些方面，增材制造系统可以包括激光阵列位置检测器，该激光阵列位置检测器被配置成检测激光阵列中的激光能量像素的位置。在一些实施方式中，激光阵列位置检测器可以被定位成邻近增材制造系统的构建室内的构建表面(即，粉末床表面)。例如，激光阵列位置检测器可以包括形成在板中的孔，其中传感器定位在孔下方。该孔可以被定尺寸和定形状成使得来自激光阵列的仅单个激光能量像素的激光能量可以穿过孔朝向传感器。此外，传感器可以被配置成对增材制造系统中使用的激光能量的特定波长敏感。例如，通过在其中形成有孔的板上扫描增材制造系统的光学组件，可以跨越孔扫描激光阵列。以这种方式，在传感器检测到来自激光阵列中的有源激光能量像素的信号时的激光阵列的位置(例如，光学组件在构建体积内的位置)可以用于确定有源激光能量像素相对于参考位置的位置，参考位置例如系统主参考位置或光学组件的参考位置。例如，可以相对于构建体积内的预定原点位置(其可以限定系统主参考位置)和/或相对于光学组件的当前位置(例如，如由台架系统的编码器所测量的)来确定有源激光能量像素的位置，以确定有源像素位置与光学组件位置之间的偏移。
取决于特定的实施方式，激光阵列位置检测器的传感器和孔可以以任何合适的方式布置。例如，在一些实施方式中，传感器可以直接耦接至板，在板中，孔形成在与光学组件相对的一侧上。在其他实施方式中，传感器可以与孔间隔开。在一些这样的实施方式中，一个或更多个光学部件例如透镜、滤光器(例如，偏振滤光器)、反射镜和/或部分通过滤光器可以定位在孔与传感器之间。例如，这样的光学部件可以帮助将传输通过孔的激光能量导向传感器。在一些实施方式中，一个或更多个光学部件例如部分通过滤光器可以用于减少导向传感器的激光能量的量。例如，部分通过滤光器可以将传输至传感器的激光能量的量限制成来自光学组件的传输通过孔的入射激光能量的一小部分。因此，具有较高灵敏度和/或较低额定功率的传感器可以与高功率激光能量源结合使用。在这样的实施方式中，没有通过部分通过滤光器传输至传感器的多余能量可以被导向一个或更多个光捕获单元，例如黑匣子、散热器和/或冷却的热电堆。
此外，应当理解，当前公开内容不限于用于检测穿过孔的激光能量(或任何其他合适的形式的电磁辐射或其他能量)的任何特定类型的传感器。例如，在一些实施方式中，传感器可以是对与增材制造系统中所使用的激光能量源对应的激光能量的特定波长(例如与光纤激光源对应的约1080nm的波长)敏感的光学传感器(例如，光电二极管、光电二极管阵列、电荷耦合器件(ccd)等)。根据实施方式，传感器可以被配置成基于最小入射能量阈值提供数字输出，或者传感器可以是模拟传感器，其可以被配置成输出与由传感器感测的入射能量成比例的控制信号。传感器可以耦接至增材制造系统的控制器，该控制器可以被配置成控制光学组件的移动(例如，沿台架或其他合适的系统)。以这种方式，可以与来自激光阵列中的激光能量像素的激光能量的检测对应的传感器的输出可以与光学组件的位置相关，以确定激光能量像素和光学组件的相对位置。此外，在一些情况下，如以下更详细地描述的，控制器可以使用传感器输出作为信号来控制用于确定激光阵列中激光能量像素的位置的方法的一个或更多个方面。
在一些实施方式中，激光阵列位置检测器可以包括多于一个孔以及与每个孔关联的传感器。例如，第一孔和第一传感器可以被配置成检测激光能量像素沿第一轴的位置，并且第二孔和第二传感器可以被配置成检测激光能量像素沿第二轴的位置。在一些这样的实施方式中，每个孔可以在其中形成孔的板的平面内具有伸长形状(例如，矩形形状)。因此，应当理解，激光阵列位置检测器中的孔可以具有任何合适的形状，包括但不限于圆形、椭圆形、正方形、矩形、其他多边形和/或不规则形状。
此外，在一些情况下，一个或更多个孔可以在其中形成孔的板下方延伸(即，朝向传感器)，以限定在孔的上开口与传感器之间延伸的通道。这样的布置可以用于确保光学组件相对于增材制造系统的构建表面正确地定向。例如，孔可以被布置成确保来自光学组件的激光能量沿基本上正交于构建表面的方向导向构建表面。在其他实施方式中，延伸的孔可以以一定角度取向，以确保激光能量沿非正交的角度被引导在构建表面处。例如，可能期望这样的布置以减少从构建表面朝向光学组件反射回的激光能量。因此，应当理解，当前公开内容不限于光学组件被配置成将激光能量导向构建表面的任何特定角度，并且激光阵列位置检测器可以被配置成检测以任何期望的角度入射至检测器上的激光能量像素的位置。
在一些实施方式中，光学组件可以限定激光阵列，其中在该阵列中的每个激光能量像素的相对位置、间隔和/或取向是固定的。在这样的实施方式中，本文中描述的系统和方法可以利用该已知关系，通过检测小数目的激光能量像素的位置来确定激光阵列中的每个激光能量像素的位置。例如，在采用线性阵列(即激光能量线)的系统中，激光阵列位置检测器可以用于确定线中第一个激光能量像素和最后一个激光能量像素的位置，这可以限定线相对于参考位置和/或取向的位置和取向(例如，旋转)。类似地，在采用激光能量像素的二维阵列的系统中，两个或更多个激光能量像素的位置可以用于确定阵列相对于参考位置和/或取向的位置和取向。一旦由激光阵列位置检测器确定了激光阵列的位置，就可以基于激光阵列的先前已知的几何形状来确定阵列中的每个像素相对于参考位置的位置，并且系统可以在构建过程期间使用每个像素的这些位置以确保正确地制造零件。
替选地或附加地，在一些实施方式中，包括激光阵列的激光能量像素的至少一部分可以彼此间隔开。在一些这样的实施方式中，本文中描述的激光阵列位置检测器可以用于检测单个像素之间的间隔。例如，可以在检测器的孔上扫描每个像素，并且可以在传感器检测来自每个相应像素的激光能量时记录每个像素的位置。此外，在一些情况下，孔的尺寸可以近似于或小于激光阵列中每个激光能量像素的尺寸。例如，在孔小于激光能量像素的尺寸的实施方式中，激光阵列位置检测器可以用于确定激光能量像素的尺寸。特别地，可以在其中激光能量像素激活的情况下跨越孔方扫描光学组件，并且可以基于当激光阵列位置检测器的传感器开始检测来自激光能量像素的激光能量时光学组件的第一位置以及当不再检测来自激光能量像素的激光能量时光学组件的第二位置来确定激光能量像素的尺寸。
根据一些方面，用于检测激光阵列中一个或更多个激光能量像素的位置的方法可以包括激活激光阵列中的第一激光能量像素，并且随后沿第一方向跨越激光阵列位置检测器的孔扫描激光能量像素。例如，可以通过经由台架系统或者被配置成在增材制造系统内沿一个或更多个方向移动光学组件的其他合适结构移动从其发出激光阵列的光学组件来在检测器上扫描激光能量像素。当激光阵列位置检测器的传感器检测到来自激活的激光能量像素的激光能量时，可以记录激光能量像素沿第一方向的位置。如果需要，可以通过沿第二方向在检测器上扫描激光能量像素来重复上述过程，以确定激光能量像素沿第二方向的位置。以这种方式，第一位置和第二位置可以限定激光能量像素在平面中的位置，该平面可以对应于增材制造系统的构建表面(即，粉末床表面)的平面。在一些情况下，可以对激光阵列中的一个或更多个附加的激光能量像素重复上述方法。例如，在定位第一激光能量像素之后，可以对该像素进行去激活并且可以对阵列中的第二激光能量像素重复第二上述过程。取决于特定实施方式，可以对阵列中的每个激光能量像素或者对阵列中的激光能量像素的子集重复该过程。
取决于特定实施方式，可以以任何合适的方式在激光阵列位置检测器上扫描激光能量像素。例如，在一些实施方式中，可以以固定速度在单个路径中扫描激光能量像素。在其他实施方式中，可以使用多个扫描路径。例如，多个扫描路径可以包括被执行的一组高速路径，直到激光能量像素的大致位置被确定，此时可以执行一个扫描路径或较慢但较高准确性的扫描路径，以更精确地确定激光能量像素的位置。
在一些情况下，例如在系统的初始设置期间、在新的光学组件被安装在系统中之后和/或当光学组件在系统维护期间被调整时，激光阵列中的第一激光能量像素的位置可能仅是大致已知的。在这样的情况下，可能需要沿第一方向在激光阵列位置检测器上多次扫描第一激光能量像素，同时在连续的扫描之间沿第二方向递增地移动激光能量像素。例如，支承增材制造系统的光学组件的台架(或类似的结构)可以沿第一方向在预定的长度(例如，沿约10mm)上扫描光学组件，并且在连续的扫描之间，台架可以沿第二方向将光学组件移动小的递增距离(例如，约50微米)。该过程可以继续进行直到光学组件的位置被确定成对应于第一激光能量像素的位置为止。
在一些实施方式中，可以通过控制系统调整被检测的激光能量像素的入射激光功率。特别地，入射激光功率可以基于对每个激光能量源(与对应的激光能量像素关联)的控制输入来增加或减少。例如，在使用具有吸收和汇集(sink)大量功率的能力的较低灵敏度传感器的实施方式中，激光功率可以增加。在使用较高灵敏度传感器和/或具有仅吸收和汇集较少量能量的能力的传感器的其他实施方式中，可以使用较低的激光功率。取决于特定实施方式，每个激光能量源可以以高功率或低功率在连续模式下操作，或者每个激光能量源可以以高功率或低功率在脉冲模式下操作。在一些情况下，使用脉冲模式可以允许比在连续模式操作中通常可获得的净功率设置低的净功率设置。例如，一些光纤激光被限制成：对于连续操作，以最小10％的系统功率操作；通过以最小10％的功率水平操作并且以10％的占空比脉冲调节激光，有效激光功率可以降低至1％。以这种方式，即使低功率检测器也可以与高功率激光源例如高功率光纤激光器结合使用。如果使用脉冲激光方法，则可以降低光学阵列跨越激光阵列位置检测器的孔方的扫描速度，以防止对感测像素的定位精度的损失。特别地，如果脉冲阵列在传感器孔上方扫描过快，则传感器可能检测到不正确的像素偏移位置或者可能完全错过像素位置。
根据一些方面，其中形成有激光阵列位置检测器的孔的基板可以被构造和布置成减少来自在该基板上进行扫描的激光能量像素的损坏，或者使该损坏最小化。例如，用于减少这样的损坏或使这样的损坏最小化的合适方式可以包括：使用具有高导热性的材料例如铜，使用具有整体散热能力例如液体冷却通道的基板，以及/或者向基板施加增加反射率并且减少吸收至基板中的能量的表面涂层或饰面。以这种方式，在激光阵列的扫描期间，可以减少或防止对基板以及形成在基板中的孔的表面损坏，同时为孔传感器维持足够的能量以检测激光能量像素的位置。在一些实施方式中，可以通过调整入射激光束功率、扫描速度、传感器类型、孔板材料/配置和/或光学表面条件来获得期望的操作设计点。
尽管上述一些实施方式包括形成在基板中的孔，但是应当理解，当前公开内容不限于这样的布置，并且针对不包括基板的激光阵列位置检测器的其他布置可以是合适的。例如，在一些实施方式中，激光阵列位置检测器可以包括定位在孔管内的激光能量传感器，并且该组件可以安装在增材制造系统内的自由体积内。发明人已经理解，当在激光阵列位置检测器上方扫描激光阵列时，这样的布置可以帮助避免与损坏基板有关的上述问题。与上述实施方式类似，孔管可以包括与增材制造系统的构建表面齐平形成的孔，并且传感器可以定位在孔内以将激光能量的检测限制在期望的入射角(例如正交于构建表面)。然而，通过将孔管和传感器安装在构建体积内的自由空间中，可以使暴露于激光阵列的激光能量源的焦平面的材料量最小化，这可以在每次位置检测操作期间帮助减少损坏。例如，传感器和孔管组件的安装结构可以在与焦平面相比入射激光能量更分散的位置处与激光的焦平面间隔开，并且因此不太可能造成损坏。
如上所述，增材制造系统可以包括控制器，该控制器被配置成控制增材制造过程的操作的一个或更多个方面，例如光学组件在构建表面上方的移动(例如，经由台架或者光学组件安装在其上的其他合适的系统)。激光阵列位置检测器的传感器的输出可以可操作地耦接至控制器，使得传感器的输出可以与光学组件的位置相关，以确定激光像素相对于光学组件位置的位置。例如，可以通过用于沿台架系统移动光学组件的电机的编码器来确定光学组件的位置，并且控制器可以被配置成在接收到来自传感器的对应于激光阵列中激光能量像素的检测的信号时记录光学组件的位置。在一些实施方式中，传感器和控制器可以被配置成限定检测阈值，使得控制器接收来自传感器的开/关数字信号。替选地，传感器可以被配置成提供可以由控制器评估的模拟信号。例如，可以基于与激光能量像素的检测对应的固定阈值来评估模拟信号，或者阈值可以基于被检测的入射激光能量像素的功率水平(即，基于与激光能量像素对应的激光能量源的功率设置)而变化。
取决于特定实施方式，本文中描述的激光阵列的测量可以针对任何合适的目的来使用。例如，如以上所讨论的，激光阵列中每个激光能量像素的位置可以被确定为用于校准目的(例如，用于确定激光阵列相对于参考位置的真实位置)、用于质量保证目的(例如，用于确保光学组件内的内部光学部件在其要求的性能规格内执行以及/或者确保系统没有损坏)，以及/或者作为用于增材制造系统的初始机器鉴定程序的一部分。在一些情况下，如果激光阵列的位置和/或取向相对于参考位置和/或取向不在期望的位置和/或取向处，则可以校正激光阵列的位置和/或取向。例如，校正可以包括对台架安装件上的光学组件的位置和/或取向的机械调整(例如，旋转)，这可以经由手动垫片和/或手动调整调整螺钉或其他调整特征来实现。替选地或附加地，增材制造系统的控制器可以被配置成响应于从激光阵列位置检测器的传感器接收的信号来自动确定适当的调整，并且控制器可以被配置成自动移动光学组件以促进调整。例如，这样的自动调整可以使用硬件例如基于压电的旋转调整和/或转盘安装件来执行。在另外的实施方式中，控制器可以被配置成在增材制造过程期间使用软件和控制方案来对光学组件的未对准和/或取向错误进行补偿，使得与承载光学组件的台架的移动相比，可以在正确的位置和取向上在构建表面上扫描激光阵列。
除了以上之外，在一些实施方式中，本文中描述的系统还可以包括视觉系统，该视觉系统被配置成确定激光阵列相对于参考目标例如视觉系统目标图案的位置和/或取向。例如，在一些实施方式中，可以将参考目标定位在激光阵列位置检测器的板上，在该板上形成有位置检测器的孔，并且参考目标的绝对位置可以相对于孔的位置固定。以这种方式，参考目标与位于孔内的光学传感器之间的第一偏移距离可以是固定的并且以高精度已知。通过用光学传感器检测包括激光阵列的激光能量像素的位置以及用视觉系统传感器检测参考目标的位置两者，系统可以能够精确地确定阵列中的激光能量像素与视觉系统的传感器之间的第二偏移距离。例如，第二偏移距离可以对应于视觉系统传感器的中心线与激光阵列或阵列的一个或更多个像素的中心线之间的距离。在一些情况下，第二偏移距离可以由沿两个方向(例如，沿在增材制造系统的参考系中定义的X方向和Y方向)测量的偏移距离来定义。该第二偏移距离随后可以在增材制造过程期间使用，以基于利用视觉系统检测到的特征的位置来精确地控制激光阵列的位置。
例如，在一些实施方式中，视觉系统可以用于定位构建表面上(即，粉末床上)的对象或特征，并且第二偏移距离可以用于将来自激光阵列的激光能量导向所识别的对象或特征。例如，视觉系统可以用于定位构建表面上的圆形目标表面，并且视觉系统与激光阵列之间的已知偏移可以用于相对于所识别的圆形目标表面来定位激光阵列。随后，该信息可以被增材制造系统使用以在圆形目标上形成准确定位在目标上的形状。尽管以上描述了圆形目标特征，但是应当理解，当前公开内容不限于由视觉系统识别的目标特征的任何特定形状或几何形状。在一些情况下，视觉系统可以减少针对可以在其上执行制造过程(例如，三维打印过程)的构建表面上对特征进行定位的要求，并且可以允许在现有工具、构建表面和/或制造的零件特征上准确地定位子特征，而不要求在开始制造过程之前对这些特征的位置的精确的先验知识。
根据一些方面，本文中描述的系统可以允许确定激光能量像素阵列与视觉系统之间的偏移距离。例如，一个或更多个激光能量像素可以被激活以在增材制造系统的粉末床表面或构建板上形成形状或图案，并且随后，可以在形状或图案上扫描视觉系统并且可以计算偏移距离。在一个示例性实施方式中，可以沿两个正交的方向(例如，沿X方向和Y方向)在构建板上扫描激光阵列的第一激光能量像素，以在构建板上形成十字形状。如果对第一激光能量像素的功率设置足够，则该扫描图案可以在构建板上形成对应于十字形状的焊接轨迹。然后可以由视觉系统扫描该十字形状(或其他合适的形状)，并且然后当由视觉系统检测到形状时，可以基于视觉系统传感器的位置来计算视觉系统传感器与第一激光能量像素之间的偏移距离。替选地或附加地，阵列中的一个或更多个附加的激光能量像素可以用于在粉末床表面或构建板上产生焊接轨迹或焊接轨迹组，该焊接轨迹或焊接轨迹组可以由视觉系统检测以按期望确定激光能量像素之间的各种偏移和/或间隔。
转向附图，进一步详细地描述了特定的非限制性实施方式。应当理解，相对于这些实施方式描述的各种系统、部件、特征和方法可以单独使用和/或以任何期望的组合使用，这是因为本公开内容不仅限于本文中描述的特定实施方式。
图1是增材制造系统100的一个实施方式的示意性表示。系统包括机器外壳102，其在一些情况下可以在该机器外壳内限定封闭的构建体积。例如，在增材制造过程期间，机器外壳102内的构建体积可以包括惰性气体气氛。系统还包括构建表面104，在该构建表面104上可以针对要制造的零件的每个层沉积粉末材料。因此，构建表面上的粉末材料可以限定粉末床表面。粉末可以经由重涂器系统(未描绘)沉积至构建表面上。系统100还包括多个激光能量源106，激光能量源106经由可以包括多个光纤的一个或更多个光缆110光学地耦接至机器外壳内的光学组件108。例如，多个激光能量源106可以包括至少10个、至少20个、至少50个、至少100个、至少1000个或更多个单独的激光能量源，并且每个激光能量源可以经由关联的光纤耦接至光学组件108，以将来自多个激光能量源106的每个相应激光能量源的激光能量引导至光学组件中。光学组件108安装在台架150上，这可以允许光学组件108在构建表面104上方沿至少两个方向(例如，平行于构建表面104的平面的方向)移动。
光学组件108包括光学元件112，光学元件112被配置成将来自激光能量源的激光能量114引导至构建表面104上，并且在构建表面上形成期望的激光能量阵列(即，激光阵列116)。例如，光学元件112可以包括光束形成光学器件，例如可以在光学组件内对激光能量进行成形和引导的透镜和反射镜。在一些实施方式中，透镜可以包括微透镜阵列和物镜中的一个或更多个。例如，微透镜阵列可以被布置成使从每个光纤输出的激光能量准直以及对激光能量的光束形状进行变换，并且物镜可以被布置成限定针对激光能量的组合阵列的焦距以及用于缩小来自微透镜阵列的输出。在一些情况下，这种缩小可以用于调整在构建表面上形成的激光能量阵列中的激光能量像素的间隔。例如，物镜可以被布置成使阵列缩小，使得相邻像素之间没有间隔。此外，应当理解，当前公开内容不限于在构建表面上形成的激光能量阵列中的激光能量像素的任何特定形状和/或布置。例如，该阵列可以是具有规则地间隔的激光能量像素的矩形阵列，或者该阵列可以是具有像素之间的不均匀间隔的不规则形状。
图1的增材制造系统100还包括激光阵列位置检测器118，该激光阵列位置检测器118被配置成检测由光学组件108形成的激光阵列116的位置和/或取向。在所描绘的实施方式中，激光阵列位置检测器包括板122，在板122中形成有孔124。孔可以具有任何合适的形状，包括但不限于圆形、椭圆形、正方形、矩形、其他多边形和/或不规则形状。此外，孔可以具有任何合适的尺寸。例如，可以基于激光阵列位置检测器的期望位置感测精度以及入射激光能量像素的功率水平和检测器118的功率汇集能力来选择孔的尺寸(例如，圆形孔的直径)。在一些实施方式中，孔的尺寸可以与由光学组件108在构建表面上形成的最大单个激光能量像素的尺寸大致相同，或者小于由光学组件108在构建表面上形成的最大单个激光能量像素的尺寸。
如图1所示，板122可以被定位成邻近机器外壳102内的构建表面104，并且板可以与构建表面处于相同水平。以这种方式，在增材制造过程期间，如由激光阵列位置检测器118检测到的包括激光阵列116的激光能量像素的相对位置、取向和/或间隔将与激光阵列116被投射至构建表面104上时相同。
激光阵列位置检测器118还包括定位在孔124下方(即，在孔的与光学组件108相对的一侧上)的传感器126。如以上所讨论的，传感器126可以对增材制造系统100中采用的激光能量的特定波长(例如，在一个实施方式中约为1080nm)敏感。以这种方式，当在孔124上扫描激光阵列116的激光能量像素时(例如，通过经由台架150移动跨越孔的光学组件)，来自激光能量像素的激光能量可以被传感器126检测到。
在检测到激光能量像素时，传感器126可以向可操作地耦接至传感器的控制器132发送信号以记录激光能量像素的位置。例如，如图1所示，控制器也可操作地耦接至光学组件112以及多个激光能量源106，使得控制器可以控制一个或更多个单独的激光能量像素的激活(例如，通过激活与特定激光能量像素关联的激光能量源)，以及光学组件112沿台架150的移动。因此，当传感器126检测到激光能量像素时，控制器132可以基于光学组件112沿台架150的位置(例如，二维坐标)来确定激光能量的位置。
在所描绘的实施方式中，激光阵列位置检测器还包括定位在孔124内在孔的开口与传感器126之间的光学部件128。如下所述，这样的光学部件可以包括透镜、反射镜、偏振滤光器和/或部分通过滤光器中的一个或更多个。此外，散热器130例如冷却的热电堆或黑匣子可以被定位成邻近于孔124和传感器126，以帮助消散来自激光阵列位置检测器118内吸收的激光能量的热量。
除了以上之外，图1的系统100还可以包括视觉系统，该视觉系统包括安装在光学组件108上的视觉系统传感器(例如，摄像装置或其他合适的传感器)134，以及定位在激光阵列位置检测器118上的邻近孔124的视觉系统目标136。传感器134安装在光学组件上，以便在激光阵列116的位置与传感器134的位置之间提供固定偏移。类似地，目标136定位在相对于孔124固定且已知的偏移距离处，使得在确定激光能量像素的位置时，控制器132也可以确定目标136与激光阵列116的激光能量像素之间的偏移距离。在增材制造过程期间，视觉系统传感器132可以识别构建表面上的一个或更多个目标特征，在该构建表面上可以形成一个或更多个特征(例如，经由粉末床熔融过程)，并且控制器132可以使用这两个已知的偏移距离来移动光学组件，使得激光阵列116(或激光阵列的激光能量像素的期望的子集)被投射至由视觉系统识别的目标特征上。例如，如以上所讨论的，在一些情况下，视觉系统可以识别构建表面上的预定特征(例如，诸如圆形形状、多边形形状、不规则形状等的形状)并且自动移动光学组件，使得期望的激光能量图案被投射至特征上，而不需要在增材制造过程期间这些特征或形状将在构建表面上精确定位的位置的先验知识。因此，这样的系统可以允许构建过程的初始规划和/或编程的简化，同时不降低制造过程的准确度和/或精确度。
如上所述，在一些情况下，视觉系统传感器134可以与光学组件108结合操作以确定视觉系统传感器134与激光阵列116的激光能量像素之间的偏移距离以及/或者激光阵列116的各种像素之间的间隔。例如，一个或更多个激光能量像素可以被激活并且在构建表面104上扫描一个或更多个激光能量像素，以在构建板或粉末床表面上形成期望的形状或图案(例如，通过形成构建表面上的焊接轨迹或者粉末床表面上的熔化粉末形状)，该期望的形状或图案随后可以被视觉系统传感器134检测到。可以通过对当形状或图案由激光阵列116的一个或更多个激光能量像素形成时光学组件108在台架150上的第一位置和当形状或图案由视觉系统传感器134检测到时光学组件的第二位置进行比较来确定期望的偏移距离。
图2描绘了激光阵列位置检测器200的一个实施方式。在该实施方式中，检测器包括板202，在板202中形成有孔204。传感器206直接耦接至孔204。特别地，传感器206耦接至孔的与光学组件(未描绘)相对的一侧，激光能量可以从该光学组件被引导至孔204中并且由传感器206检测到。
图3描绘了激光阵列位置检测器300的另一实施方式。在该实施方式中，传感器306与其中形成有孔304的板302间隔开。以这种方式，检测器300包括在板302的表面下方延伸的伸长孔304，并且传感器306定位在孔的底部处。如所示出的，检测器还包括定位在传感器306上方孔304内的光学堆叠308。光学堆叠可以包括多个光学元件，例如透镜310、滤光器312和/或反射镜314，其可以帮助将入射激光能量引导至传感器中，以及/或者可以在激光能量到达传感器之前修改进入孔的激光能量。例如，一个或更多个滤光器和/或反射镜可以改变入射激光能量的一个或更多个特性例如偏振或强度，以更好地匹配传感器306的特性。
图4描绘了激光阵列位置检测器400的又一实施方式。与以上结合图3描述的实施方式类似，检测器400包括与形成在板402中的孔404的开口间隔开的传感器406。在该实施方式中，部分通过反射镜408被定位在孔404与传感器406之间。部分通过反射镜408可以被配置成限制在通过孔404传输之后到达传感器406的激光能量的量。例如，部分通过反射镜408可以仅允许一小部分入射激光能量到达传感器406，这可以有助于使用较低功率和/或较高灵敏度的传感器。没有传输至传感器406的多余激光能量可以被转移至散热器410，例如冷却的热电堆、黑匣子或任何其他合适的散热器结构。
现在参照图5A和图5B，更详细地描述了对于使用激光阵列位置检测器的示例性过程。特别地，这些图示出了激光阵列位置检测器的板502和孔504的示意性顶视图。可以跨越孔扫描包括单个激光能量像素508的激光阵列506以确定激光阵列506的像素508的位置。例如，如图5A所示，在第一激光能量像素508a被激活的情况下，可以沿平行于X方向的第一方向510在孔502上扫描激光阵列506。当孔504下方的传感器(未描绘)检测到激光能量时，系统可以记录第一激光能量像素508a的X坐标。如图5B所示，可以沿平行于Y方向的第二方向512在孔504上扫描激光阵列506，使得系统可以确定第一激光能量像素508a的Y坐标。在一些情况下，可以对阵列506中的一个或更多个附加的激光能量像素508重复上述过程。例如，第一像素508a可以被去激活，第二激光能量像素508b可以被激活，并且可以重复图5A和图5B中示出的扫描过程以确定第二激光能量像素508b的X坐标和Y坐标。如果阵列506的几何形状是已知的，则第一激光能量像素508a和第二激光能量像素508b的位置可以用来确定每个激光能量像素508的位置以及阵列506相对于可以与系统主坐标系对应的X-Y坐标系的取向(例如，旋转)。
例如，图6描绘了包括单个激光能量像素604的激光阵列602的示意性顶视图，其中激光阵列602相对于系统主坐标系606未对准。例如，如以上所讨论的，可能已经利用激光阵列位置检测器测量了一个或更多个激光能量像素604的位置。未对准可以限定偏移角608。使用该偏移角，可以调整系统(例如，光学组件)以校正未对准(手动和/或经由自动调整机构)，以及/或者系统的控制器可以在制造过程期间针对未对准进行自动适应。例如，控制器可以在整个制造过程期间确定用于光学组件的更新的位置以补偿未对准。
如图7所示，本文中描述的系统和方法可以用于确定激光阵列中激光能量像素之间的间隔和/或每个像素的尺寸。例如，特别地，图7描绘了激光阵列702，其中激光能量像素被像素间间隔706间隔开。可以沿方向712在激光阵列位置检测器的板710的孔708上扫描激光阵列，并且检测器可以检测对应于每个激光能量像素704的开始和结束的位置。以这种方式，检测器可以确定每个像素的宽度(基于每个像素的开始和结束的位置)，以及相邻像素之间的间隔(基于一个像素的结束位置和后续像素的开始位置)。
尽管上述实施方式包括激光阵列位置检测器，该激光阵列位置检测器包括单个孔以及关联的传感器，但是应当理解，也设想了其他布置，例如采用多于一个孔以及关联的传感器的系统。例如，图8描绘了包括形成在板806中的两个矩形孔808和810的激光阵列位置检测器的实施方式。第一孔808可以被配置成在阵列沿第一方向812扫描时检测激光阵列802的激光能量像素804的位置以确定激光能量像素的第一坐标(例如，沿X轴的坐标)。类似地，第二孔810可以被配置成在阵列802沿第二方向814扫描时检测激光能量像素804的位置以确定激光能量像素的第二坐标(例如，沿Y轴的坐标)。
如上所述，在一些实施方式中，激光阵列的孔可以在激光阵列位置检测器的板下方延伸，以限定在孔的开口与定位在通道底部处的传感器之间延伸的伸长通道。根据当前公开内容的一些方面，这样的布置可以促进对光学组件的旋转未对准的检测，使得指向构建表面的激光能量相对于期望的入射角(例如，正交于构建表面)未对准。图9A和图9B描绘了包括形成在板902中的这样的伸长孔904的激光阵列位置检测器900的示意性实施方式。如图9A所示，如果入射激光能量908正确地对准，则激光能量可以到达传感器906并且被检测到。然而，如果如图9B所示入射激光能量未对准，则激光能量可能接触孔的侧面并且因此不会到达传感器906。尽管图9A至图9B描绘了其中期望的入射角正交于板902的表面的布置，但是应当理解，其他布置可以是合适的。例如，图10描绘了其中期望的入射角相对于板1002的表面法线偏移的激光阵列检测器1000的实施方式。在一些情况下，这样的布置可能需要减少从构建表面朝向光学组件直接反射回的激光能量的量。因此，孔1004可以被配置成沿相对于板的表面的角度延伸，使得由传感器1006检测到的激光能量被限制成以期望的偏移角入射的能量。在一些实施方式中，伸长孔可以由高导热率材料制成，其允许吸收的入射能量将以热的形式被传导走。这样的材料可以在入射角没有与伸长孔对准时减少或防止对伸长孔的损坏。替选地或附加地，孔可以被夹套并且被主动冷却例如通过水冷却。
如以上所讨论的，在一些实施方式中，激光阵列位置检测器可以不包括其中形成有孔的基板，而是可以包括定位在安装在增材制造系统的构建体积内的自由空间中的孔管内的激光能量传感器。图11描绘了增材制造系统1100的一个这样的实施方式的示意性表示。类似于以上结合图1描述的实施方式，系统1100包括机器外壳1102、构建表面1104以及经由一个或更多个光缆1110光学地耦接至机器外壳内的光学组件1108的多个激光能量源1106，该一个或更多个光缆1110可以包括多个光纤。光学组件1108安装在台架1150上，台架1150可以允许光学组件1107在构建表面1104上方沿至少两个方向的移动。此外，光学组件1108包括光学元件1112，光学元件1112被配置成将来自激光能量源的激光能量1114引导至构建表面1104上，并且在构建表面上形成期望的激光能量阵列(即，激光阵列1116)。
图11的增材制造系统1100还包括激光阵列位置检测器1118，该激光阵列位置检测器1118被配置成检测由光学组件1108形成的激光阵列1116的位置和/或取向。在所描绘的实施方式中，激光阵列位置检测器包括限定孔1124的孔管1122。孔可以具有任何合适的形状，包括但不限于圆形、椭圆形、正方形、矩形、其他多边形和/或不规则形状。此外，孔可以具有任何合适的尺寸。例如，可以基于激光阵列位置检测器的期望位置感测精度以及入射激光能量像素的功率水平和检测器1118的功率汇集能力来选择孔的尺寸(例如，圆形孔的直径)。在一些实施方式中，孔的尺寸可以与由光学组件1108在构建表面上形成的最大单个激光能量像素的尺寸大致相同，或者小于由光学组件1108在构建表面上形成的最大单个激光能量像素的尺寸。
如图11所示，孔管1122可以经由安装件1130安装在机器外壳1102内的自由空间内，使得孔1124被定位成邻近构建表面1104并且与构建表面处于相同水平，而激光阵列位置检测器的其他部件(例如安装件1130)与构建表面间隔开，并且因此与激光能量1114的焦平面间隔开。如以上所讨论的，这样的布置可以帮助避免或减少由入射激光能量引起的损坏。
与上述实施方式类似，激光阵列位置检测器1118还包括定位在孔1124下方(即，在孔的与光学组件108相对的一侧上)的传感器1126，并且该传感器1126被配置成检测激光能量1114。在检测到激光像素阵列1116的激光能量像素时，传感器1126可以向可操作地耦接至传感器的控制器1132发送信号以记录激光能量像素的位置。在所描绘的实施方式中，激光阵列位置检测器还包括定位在孔1124内、在孔的开口与传感器1126之间的光学部件1128。如以上所讨论的，这样的光学部件可以包括透镜、反射镜、偏振滤光器和/或部分通过滤光器中的一个或更多个。
如以上所讨论的，在一些实施方式中，包括视觉系统的增材制造系统可以利用视觉目标与激光阵列位置检测器的光学传感器之间的已知偏移距离来确定视觉系统传感器与激光阵列之间的偏移距离。例如，图12示出了包括形成在板1202中的孔1204的激光阵列位置检测器的一部分的示意性顶视图。与上述实施方式类似，光学传感器可以定位在孔1204内以跨越孔扫描激光能量像素时检测激光阵列的激光能量像素。在所描绘的实施方式中，参考目标1206设置在板1202上距孔1204的第一偏移距离1208处。第一偏移距离1208可以是已知的或者以高精度测量的，并且在一些情况下可以根据沿正交轴(例如，增材制造系统中的预定X轴和Y轴)测量的偏移距离1210和1212进行描述。如以上所讨论的，增材制造系统可以包括视觉系统，该视觉系统包括可以安装在光学组件上并且可以与光学组件一起移动的视觉系统传感器(例如摄像装置)。以这种方式，系统可以使用已知的第一偏移1208来确定激光阵列与视觉传感器之间的第二偏移。例如，可以在孔1204上扫描光学组件，并且可以在由孔1204内的光学传感器检测到激光能量像素时记录光学组件的第一位置。还可以在参考目标1206上扫描光学组件，并且可以在由视觉系统传感器检测到参考目标1206时记录光学组件的第二位置。基于第一记录位置和第二记录位置以及已知的第一偏移距离，可以精确地确定激光阵列的激光能量像素与视觉系统传感器之间的第二偏移距离。随后，在增材制造过程期间，系统可以使用该第二偏移距离来基于由视觉系统识别的特征精确地定位光学组件。
现在参照图13，更详细地描述了用于确定激光阵列中一个或更多个激光能量像素的位置的过程1300。取决于特定实施方式，过程1300可以以任何合适的方式实现，例如经由合适的硬件和/或软件控制器。例如，过程1300可以在任何合适的计算设备(例如，单个计算设备、共同位于单个物理位置或位于彼此远离的多个物理位置的多个计算设备、云计算系统的一个或更多个计算设备部分等)上执行，这是因为本文中描述的技术的方面在这方面不受限制。在一些实施方式中，计算设备可以是实现所公开的方法的系统的控制器。此外，类似于控制器，计算设备可以包括至少一个硬件处理器和至少一个存储处理器可执行指令的非暂态计算机可读存储介质，当该处理器可执行指令由至少一个硬件处理器执行时，使该至少一个硬件处理器执行如本文中所描述的用于确定一个或更多个激光能量像素的位置的方法。
过程1300开始于步骤1310，其中激光能量阵列的激光能量像素被激活。例如，可以通过激活与激光能量像素关联的激光能量源来激活激光能量像素。接下来，该过程进行至步骤1320，其中沿第一方向跨越激光阵列位置检测器的孔扫描激光阵列。接下来，在步骤1330处，确定激活的激光能量像素是否被激光阵列位置检测器的传感器检测到。如果在步骤1330处没有检测到激光能量像素，则过程进行至步骤1340，其中激光阵列沿第二方向被索引，并且随后过程返回至步骤1320。如果在步骤1330处检测到激光能量像素，则过程进行至步骤1350，其中激活的激光能量像素的位置被记录(例如，在控制器的数据结构中)。
然后，过程可选地进行至步骤1360，其中检测到的激光能量像素被去激活并且激光阵列的第二(不同的)激光能量像素被激活。如果执行该可选的步骤，则过程返回至步骤1320以确定第二激光能量像素的位置。然后过程进行至步骤1370，其中基于激光能量像素的位置来确定激光阵列相对于参考取向的位置和/或取向。例如，步骤1370可以包括使用激光阵列的已知几何形状和阵列中一个或更多个激光能量像素的位置来确定阵列相对于参考位置的位置和/或取向。
过程1300在可选的步骤1380处结束，其中可以基于在步骤1370中确定的激光阵列的位置和/或取向来调整增材制造系统的光学组件和/或增材制造过程的一个或更多个扫描参数。例如，可以(手动地和/或自动地)调整光学组件以校正激光阵列相对于光学组件的未对准。替选地或附加地，增材制造系统的控制器可以使用在步骤1370处确定的激光阵列的相对位置和/或取向来调整增材制造过程的一个或更多个参数以补偿未对准。
现在参照图14，更详细地描述了用于确定视觉系统相对于激光阵列中的一个或更多个激光能量像素的位置的过程1400。取决于特定实施方式，过程1400可以以任何合适的方式实现，例如经由合适的硬件和/或软件控制器。例如，过程1400可以在任何合适的计算设备(例如，单个计算设备、共同位于单个物理位置或位于彼此远离的多个物理位置的多个计算设备、云计算系统的一个或更多个计算设备部分等)上执行，这是因为本文中描述的技术的方面在这方面不受限制。在一些实施方式中，计算设备可以是实现所公开的方法的系统的控制器。此外，类似于控制器，计算设备可以包括至少一个硬件处理器和至少一个存储处理器可执行指令的非暂态计算机可读存储介质，当该处理器可执行指令由至少一个硬件处理器执行时，使该至少一个硬件处理器执行如本文中所描述的用于确定一个或更多个激光能量像素的位置的方法。
过程1400开始于步骤1410，其中激光能量阵列的激光能量像素被激活。例如，可以通过激活与激光能量像素关联的激光能量源来激活激光能量像素。接下来，该过程进行至步骤1420，其中在构建表面上扫描激光阵列以形成第一图案。例如，第一图案可以是由增材制造系统的构建板中的焊接轨迹或由在粉末床表面上形成的熔化粉末形状或图案形成的形状或图案。接下来，在步骤1430处，记录与当在构建表面上形成图案时激光阵列的位置对应的激光阵列的第一位置。例如，第一位置可以是激光阵列安装在其上的台架的位置。接下来，过程进行至步骤1440，其中在构建表面上扫描视觉系统传感器以检测在步骤1430处形成的图案。然后过程进行至步骤1450，其中记录与当检测到图案时视觉系统传感器的位置对应的视觉系统的第二位置。例如，类似于激光阵列，视觉系统可以安装在台架上，并且第二位置可以是由视觉系统检测到图案时的台架位置。最后，在步骤1460处，基于在步骤1430和步骤1450处分别记录的第一位置和第二位置来确定激光能量像素与视觉系统传感器之间的偏移距离。
现在参照图15，更详细地描述了用于确定激光阵列与视觉系统传感器之间的偏移距离的过程1500。取决于特定实施方式，过程1500可以以任何合适的方式实现，例如经由合适的硬件和/或软件控制器。例如，过程1500可以在任何合适的计算设备(例如，单个计算设备、共同位于单个物理位置或位于彼此远离的多个物理位置的多个计算设备、云计算系统的一个或更多个计算设备部分等)上执行，这是因为本文中描述的技术的方面在这方面不受限制。在一些实施方式中，计算设备可以是实现所公开的方法的系统的控制器。此外，类似于控制器，计算设备可以包括至少一个硬件处理器和至少一个存储处理器可执行指令的非暂态计算机可读存储介质，当该处理器可执行指令由至少一个硬件处理器执行时，使该至少一个硬件处理器执行如本文中所描述的用于确定一个或更多个激光能量像素的位置的方法。
过程1500开始于步骤1510，其中确定激光阵列位置检测系统上的光学传感器与参考目标之间的第一偏移距离。如以上所讨论的，光学传感器可以定位在激光阵列位置检测系统的板上形成的孔内，并且可以在板上设置参考目标。例如，可以通过测量参考目标与光学传感器(或光学传感器定位在其中的孔)之间的距离以及/或者通过放置、形成或以其他方式定位参考目标以及相对于光学传感器的预定位置来精确地确定第一偏移距离。接下来，在步骤1520处，激光阵列的激光能量像素被激活，并且在步骤1530处，在光学传感器上扫描光学组件以在光学传感器上扫描激光能量像素。如上所述，光学传感器可以被定位在激光阵列位置检测器的孔内。然后过程进行至步骤1540，在该步骤1540处，当由光学传感器检测到激光能量像素时，记录光学组件的第一位置。例如，第一位置可以是当检测到激光能量像素时光学组件安装在其上的台架系统的位置。接下来，在步骤1550处，在可以由安装在光学组件上的视觉系统的传感器检测到的参考目标上扫描光学组件，并且在步骤1560处，当由视觉系统检测到参考目标时记录光学组件的第二位置。最后，过程进行至步骤1570，在该步骤1570处，基于在步骤1510处确定的第一偏移距离、在步骤1540处确定的光学组件的第一位置以及在步骤1560处确定的光学组件的第二位置来确定第二偏移距离。如以上所讨论的，在一些情况下，增材制造系统可以基于在增材制造过程期间由视觉系统检测到的一个或更多个特征，使用第二偏移距离来精确且准确地定位激光阵列。此外，应当理解，可以重复过程1500以确定视觉系统传感器与激光阵列的一个或更多个附加的激光能量像素之间的偏移距离。替选地，如果激光阵列中每个激光能量像素的相对位置是已知的(例如，使用上述过程1300或另一合适的过程)，则可以执行一次过程1500以确定视觉系统传感器与每个激光能量像素之间的偏移距离。
本文中描述的技术的上述实施方式可以以多种方式中的任一种来实现。例如，可以使用硬件、软件或其组合来实现实施方式。当以软件实现时，软件代码可以在任何合适的处理器或处理器集合上执行，无论是在单个计算机中提供还是分布在多个计算机中。这样的处理器可以实现为集成电路，在集成电路部件中具有一个或更多个处理器，该集成电路部件包括本领域中已知的名为例如CPU芯片、GPU芯片、微处理器、微控制器或协处理器的市售的集成电路部件。替选地，处理器可以在定制电路例如ASIC或由配置可编程逻辑器件而产生的半定制电路中实现。作为又一替选方案，处理器可以是较大电路或半导体器件的一部分，无论是市售的、半定制的还是定制的。作为具体示例，一些市售的微处理器具有多个核，使得这些核中的一个或子集可以构成处理器。然而，可以使用呈任何合适格式的电路系统来实现处理器。
此外，应当理解，计算机可以以多种形式中的任何一种来体现，例如机架安装式计算机、台式计算机、膝上型计算机或平板计算机。附加地，计算机可以嵌入通常不被视为计算机但具有合适的处理能力的设备中，包括个人数字助理(PDA)、智能电话或任何其他合适的便携式或固定电子设备。
此外，计算机可以具有一个或更多个输入设备和输出设备。除了其他方面，这些设备还可以用于呈现用户界面。可以用于提供用户界面的输出设备的示例包括用于输出的视觉呈现的打印机或显示屏，以及用于输出的听觉呈现的扬声器或其他声音生成设备。可以用于用户界面的输入设备的示例包括键盘以及指向设备例如鼠标、触摸板和数字化平板电脑。作为另一示例，计算机可以通过语音识别或以其他听觉格式接收输入信息。
这样的计算机可以通过任何合适形式的一个或更多个网络互连，网络包括局域网或广域网，例如企业网络或互联网。这样的网络可以基于任何合适的技术并且可以根据任何合适的协议来操作并且可以包括无线网络、有线网络或光纤网络。
此外，本文中概述的各种方法或过程可以被编码为软件，该软件可以在采用各种操作系统或平台中的任何一个的一个或更多个处理器上执行。附加地，这样的软件可以使用多种合适的编程语言以及/或者编程或脚本工具中的任何一种来编写，并且还可以被编译为在框架或虚拟机上执行的可执行机器语言代码或中间代码。
在该方面，本文中描述的实施方式可以体现为编码有一个或更多个程序的计算机可读存储介质(或多个计算机可读介质)(例如，计算机存储器、一个或更多个软盘、致密盘(CD)、光盘、数字视频盘(DVD)、磁带、闪存、现场可编程门阵列或其他半导体器件中的电路配置，或其他有形计算机存储介质)，当所述一个或更多个程序在一个或更多个计算机或其他处理器上执行时，执行实现以上讨论的各种实施方式的方法。如根据前述示例明显的是，计算机可读存储介质可以将信息保留足够的时间以提供非暂态形式的计算机可执行指令。这样的计算机可读存储介质或多个介质可以是可传输的，使得存储在其上的一个或多个程序可以被加载至一个或更多个不同的计算机或其他处理器上，以实现如以上所讨论的本公开内容的各个方面。如本文中所使用的，术语“计算机可读存储介质”仅包括可以被认为是制造品(即，制品)或机器的非暂态计算机可读介质。替选地或附加地，本公开内容可以被体现为除了计算机可读存储介质以外的计算机可读介质，例如传播信号。
术语“程序”或“软件”在本文中以一般意义使用，以指代可以用于对计算机或其他处理器进行编程以实现如以上所讨论的本公开内容的各个方面的任何类型的计算机代码或计算机可执行指令集。附加地，应当理解，根据本实施方式的一个方面，在被执行时执行本公开内容的方法的一个或更多个计算机程序不需要驻留在单个计算机或处理器上，而是可以以模块化的方式分布在多个不同的计算机或处理器之间，以实现本公开内容的各个方面。
计算机可执行指令可以是多种形式，例如由一个或更多个计算机或其他设备执行的程序模块。通常，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。通常，程序模块的功能可以在各种实施方式中按照期望进行组合或分布。
此外，数据结构可以以任何合适的形式存储在计算机可读介质中。为了简化说明，数据结构可以被示为具有通过数据结构中的位置相关的字段。这样的关系同样可以通过在计算机可读介质中利用位置为字段分配传达字段之间的关系的存储空间来实现。然而，可以使用任何合适的机制来建立数据结构的字段中的信息之间的关系，包括通过使用指针、标签或建立数据元素之间的关系的其他机制。
本公开内容的各个方面可以单独使用、组合使用或者以在前面描述的实施方式中没有具体讨论的各种布置使用，并且因此在其应用中不限于前面的描述中阐述的或在附图中示出的部件的细节和布置。例如，可以将一个实施方式中描述的各方面与其他实施方式中描述的各方面以任何方式进行组合。因此，尽管已经结合各种实施方式和示例描述了本教导，但是不旨在将本教导限于这样的实施方式或示例。相反，如本领域技术人员将理解的，本教导包括各种替选方案、修改和等同方案。因此，前面的描述和附图仅作为示例。
此外，本文中描述的实施方式可以被体现为已经提供了示例的方法。作为方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式进行排序。因此，可以构造其中以不同于所示的顺序执行动作的实施方式，这可以包括同时执行一些动作，即使在说明性实施方式中被示出为顺序的动作。
此外，一些动作被描述为由“用户”进行。应当理解，“用户”不必是单个个体，并且在一些实施方式中，可归因于“用户”的动作可以由一组个体和/或与计算机辅助工具或其他机制联合的个体执行。

Claims (26)

1.一种增材制造系统，包括：
构建表面；
多个激光能量源；
光学组件，所述光学组件能够相对于所述构建表面移动，并且所述光学组件被配置成：朝向所述构建表面引导来自所述多个激光能量源的激光能量并且在所述构建表面上形成激光能量像素阵列；
激光阵列位置检测器，所述激光阵列位置检测器包括：
孔，所述孔被确定尺寸和确定形状成允许来自所述激光能量像素阵列中的一个激光能量像素的激光能量穿过所述孔；以及
传感器，所述传感器被配置成：在来自所述激光能量像素的激光能量穿过所述孔之后检测所述激光能量；以及
控制器，所述控制器可操作地耦接至所述光学组件和所述传感器，其中，所述控制器被配置成：相对于所述孔移动所述光学组件以跨越所述孔扫描所述激光能量像素，并且确定所述激光能量像素相对于所述光学组件的参考位置的位置。
2.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述光学组件能够相对于所述激光阵列位置检测器移动以跨越所述孔扫描所述激光能量像素阵列中的至少两个激光能量像素，并且其中，所述控制器被配置成：确定所述至少两个激光能量像素中的每一个相对于所述参考位置的位置。
3.根据权利要求2所述的增材制造系统，其中，所述控制器被配置成：基于所述至少两个激光能量像素的位置来确定所述激光能量像素阵列相对于所述光学组件的参考取向的取向。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的增材制造系统，其中，所述光学组件能够相对于所述激光阵列位置检测器移动以跨越所述孔扫描所述激光能量像素阵列中的每个激光能量像素，并且其中，所述控制器被配置成确定每个激光能量像素相对于所述参考位置的位置。
5.根据任一前述权利要求所述的增材制造系统，其中，所述孔形成在被定位成与所述构建表面基本上齐平的板中。
6.根据任一前述权利要求所述的增材制造系统，其中，所述孔由安装在所述增材制造系统的构建体积内的自由空间内的管限定。
7.根据任一前述权利要求所述的增材制造系统，其中，所述孔限定朝向所述传感器延伸的伸长通道。
8.根据任一前述权利要求所述的增材制造系统，其中，所述激光阵列位置检测器还包括被定位在所述孔与所述传感器之间的一个或更多个光学部件。
9.根据权利要求8所述的增材制造系统，其中，所述一个或更多个光学部件包括透镜、偏振滤光器、反射镜和/或部分通过滤光器中的一个或更多个。
10.根据任一前述权利要求所述的增材制造系统，其中，所述激光阵列位置检测器还包括与所述孔间隔开的视觉参考目标，并且所述光学组件还包括第二传感器，所述第二传感器被配置成检测所述视觉参考目标。
11.根据权利要求10所述的增材制造系统，其中，所述控制器可操作地耦接至所述第二传感器，并且所述控制器被配置成：确定所述视觉参考目标的位置与所述激光能量像素阵列的位置之间的偏移。
12.根据权利要求10或11中任一项所述的增材制造系统，其中，所述第二传感器被配置成确定目标特征在所述构建表面上的位置，并且其中，所述控制器被配置成：使用所述偏移来移动所述光学组件以相对于所述目标特征定位所述激光能量像素阵列。
13.一种用于确定激光像素阵列的位置的方法，所述方法包括：
激活激光能量像素阵列中的第一激光能量像素；
跨越激光阵列位置检测器的孔扫描所述激光能量像素阵列；
利用所述激光阵列位置检测器的传感器检测来自所述第一激光能量像素的激光能量；以及
确定所述第一激光能量像素相对于参考位置的位置。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，跨越所述孔扫描所述激光能量像素阵列包括：沿第一方向移动所述激光能量像素阵列。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：跨越第二方向扫描所述激光能量像素阵列。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第二方向基本上垂直于所述第一方向。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，还包括：确定所述传感器是否跨越所述孔在第一扫描路径中检测到激光能量。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：如果在所述第一扫描路径中没有检测到激光能量，则沿第二方向对所述激光阵列进行索引，并且跨越所述孔在第二扫描路径中扫描所述激光能量像素阵列。
19.根据权利要求13至18中任一项所述的方法，还包括：基于所述第一激光能量像素的位置来确定所述激光阵列相对于所述参考位置的位置和/或取向。
20.根据权利要求13至19中任一项所述的方法，还包括：基于所述激光阵列的位置和/或取向来调整光学组件和/或增材制造过程的至少一个参数。
21.一种用于确定视觉系统相对于激光阵列的位置的方法，所述方法包括：
激活激光能量像素阵列中的第一激光能量像素；
沿构建表面扫描所述第一激光能量像素以形成图案；
当形成所述图案时，记录所述激光能量像素阵列的第一位置；
利用视觉系统来检测所述图案；
当检测到所述图案时，记录所述视觉系统的第二位置；以及
基于所述第一位置和所述第二位置来确定偏移距离。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述构建表面包括增材制造系统的构建板，并且其中，所述图案包括形成在所述构建板上的焊接轨迹。
23.根据权利要求21或22中任一项所述的方法，其中，所述构建表面包括增材制造系统的粉末床表面，并且所述图案包括形成在所述粉末床表面上的熔化粉末图案。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的方法，其中，将所述激光能量像素阵列从增材制造系统的光学组件投射到所述构建表面上，所述光学组件能够相对于所述构建表面沿至少两个方向移动。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述视觉系统耦接至所述光学组件。
26.一种用于确定视觉系统相对于激光阵列的位置的方法，所述方法包括：
激活激光能量像素阵列中的激光能量像素，其中，将所述激光能量像素阵列从增材制造系统的光学组件投射到所述构建表面上，所述光学组件能够相对于所述构建表面移动；
跨越激光阵列位置检测器的孔扫描所述光学组件；
利用所述激光阵列位置检测器的光学传感器检测来自所述激光能量像素的激光能量；
当所述光学传感器检测到激光能量时，确定所述光学组件的第一位置；
跨越参考目标扫描所述光学组件；
利用安装在所述光学组件上的视觉系统传感器来检测所述参考目标；
当所述视觉系统传感器检测到所述参考目标时，确定所述光学组件的第二位置；以及
至少部分地基于所述光学组件的第一位置和第二位置以及所述参考目标与所述光学传感器之间的距离，确定所述视觉系统传感器与所述激光能量像素之间的偏移距离。
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