CN117799160B - 用于增材制造设备的光路调整系统和增材制造设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种用于增材制造设备的光路调整系统和增材制造设备。该光路调整系统包括位姿测量部、位姿调整部和控制装置，位姿测量部被构造在材料分布器上以测量第一阶段和经过至少一铺料工序后的第二阶段，材料分布器在空间内相对于参考位置的位姿信息；位姿调整部被构造为与光路系统驱动连接以调整光路系统的在空间内的位姿状态；控制装置被配置为根据位姿信息的变化计算材料分布器在第二阶段所形成的铺料平面，并控制位姿调整部调整光路系统的位姿状态，使得调整后的光路系统的能量光束的聚焦平面与铺料平面平行，以满足对更高精度成形的需求。

Description

用于增材制造设备的光路调整系统和增材制造设备

技术领域

本申请涉及增材制造领域，尤其涉及一种用于增材制造设备的光路调整系统和增材制造设备。

背景技术

增材制造是一种逐层堆积材料来构建3D物体的制造技术，也即3D打印技术。

3D打印过程中，光路系统的聚焦平面、基板平台平面和铺料平面的平行性和稳定性至关重要。然而，在实际打印过程中，设备运转状态以及材料分布器的变形或位移等因素可能导致铺料平面的平行度发生变化，进而影响光路系统的聚焦平面与成形平面的对准，产生畸变，影响最终的成形精度和质量。

虽然对于现有的3D打印技术而言，由于成形精度要求通常在毫米级，小角度的聚焦平面和成形平面不平行通常并不会影响成形精度，但对于更高精度成形要求的3D打印技术而言，如微米级，即使微小的聚焦平面与成形平面的变动也可能对成形精度产生重要影响。

因此，现有技术亟需一种能够在3D打印过程中实时调整光路系统，确保聚焦平面与成形平面保持平行的解决方案，以保证打印过程中的成形精度和质量，满足对于更高精度成形的需求。

发明内容

本申请实施例提供一种用于增材制造设备的光路调整系统和增材制造设备，以确保光路系统的聚焦平面与成形(铺料)平面保持平行，从而提高3D打印的成形精度和质量。

为达到上述目的，本申请实施例采用如下技术方案：

第一方面，提供一种用于增材制造设备的光路调整系统，所述增材制造设备用于通过光路系统产生的能量光束对通过材料分布器逐层铺设在基板平台上方的材料进行选择性固化来构建3D物体，所述光路调整系统包括：位姿测量部，其被构造在所述材料分布器上，用于测量第一阶段和经过至少一铺料工序后的第二阶段，所述材料分布器在空间内相对于参考位置的位姿信息；位姿调整部，其被构造为与所述光路系统驱动连接，用于调整所述光路系统在空间内的位姿状态；和控制装置，其分别连接于所述位姿测量部和位姿调整部，被配置为根据所述位姿信息的变化计算所述材料分布器在所述第二阶段所形成的铺料平面，并控制所述位姿调整部调整所述光路系统的位姿状态，使得调整后的所述光路系统的能量光束的聚焦平面与所述铺料平面平行。

在第一方面的可选实施方式中，所述位姿测量部包括至少两个第一测距传感器，其被分别构造在所述材料分布器的两端，用于测量所述材料分布器在所述第一阶段和第二阶段相对于所述参考位置的距离；所述控制装置被配置为比较所述至少两个第一测距传感器测量的所述材料分布器在所述第一阶段和第二阶段相对于所述参考位置的距离，若变化或变化值超出第一阈值则计算所述材料分布器在所述第二阶段所形成的铺料平面。

在第一方面的可选实施方式中，所述位姿测量部包括一个或多个角度传感器，所述一个或多个角度传感器用于测量所述材料分布器在所述第一阶段和第二阶段相对于所述参考位置的角度；所述控制装置被配置为比较所述一个或多个角度传感器测量的所述材料分布器在所述第一阶段和第二阶段相对于所述参考位置的角度，若变化或变化值超出第二阈值则计算所述材料分布器在所述第二阶段所形成的铺料平面。

在第一方面的可选实施方式中，所述位姿测量部包括至少两个压力传感器，所述至少两个压力传感器被分别构造在所述材料分布器的两端，用于测量所述材料分布器在所述第一阶段和第二阶段对铺料平面施加的压力；所述控制装置被配置为比较所述至少两个压力传感器测量的所述材料分布器在所述第一阶段和第二阶段对所述铺料平面施加的压力，若变化或变化值超出第三阈值则计算所述材料分布器在所述第二阶段所形成的铺料平面。

在第一方面的可选实施方式中，所述位姿调整部包括多角度调节装置，所述多角度调节装置用于驱动所述光路系统在空间内的多个方向进行调节。

在第一方面的可选实施方式中，所述位姿调整部包括固定支架，所述多角度调节装置安装在所述固定支架上。

在第一方面的可选实施方式中，所述位姿调整部包括升降装置，所述升降装置用于驱动所述光路系统在空间内升降。

在第一方面的可选实施方式中，所述光路调整系统还包括：一个或多个第二测距传感器，其被构造在所述光路系统上，用于测量所述光路系统相对于所述基板平台的距离；所述控制装置被配置为比较所述一个或多个第二测距传感器测量的所述光路系统相对于所述基板平台的距离是否等于第四阈值，若否则控制所述升降装置驱动所述光路系统升降，以使所述光路系统相对于所述基板平台的距离等于所述第四阈值。

在第一方面的可选实施方式中，所述光路调整系统还包括：执行器，其被构造为与所述材料分布器驱动连接，用于根据所述控制装置的指令调整所述材料分布器在空间内的位姿状态，使其与所述铺料平面平行。

第二方面，提供一种增材制造设备，所述增材制造设备包括第一方面任一项所述的光路调整系统。

第三方面，提供一种用于增材制造设备的光路调整方法，所述增材制造设备用于通过光路系统产生的能量光束对通过材料分布器逐层铺设在基板平台上方的材料进行选择性固化来构建3D物体，所述方法包括：获取位姿测量部测量的第一阶段和经过至少一铺料工序后的第二阶段，所述材料分布器在空间内相对于参考位置的位姿信息；根据所述位姿信息的变化计算所述材料分布器在所述第二阶段所形成的铺料平面，并控制位姿调整部调整所述光路系统的位姿状态，使得调整后的所述光路系统的能量光束的聚焦平面与所述铺料平面平行。

第四方面，提供一种用于在增材制造设备中构建3D物体的制造方法，所述方法包括：利用材料分布器在基板平台上方逐层铺设材料；利用光路系统选择性固化经铺设的材料层；重复所述逐层铺设材料和选择性固化，直至制成所述3D物体；所述增材制造设备包括光路调整系统；所述光路调整系统至少在所述3D物体的制造期间执行第三方面所包含的步骤。

基于上述方案，本申请实施例所提供光路调整系统通过实时监测和调整光路系统，确保聚焦平面与成形平面保持平行，从而提高了3D打印过程中的成形精度和质量，满足对更高精度成形的需求。

前述发明内容仅是说明性的，而不旨在以任何方式进行限制。除了上述的说明性方面、实现方式和特征之外，通过参考附图和以下详细说明，其它方面、实现方式和特征将变得显而易见。

附图说明

在这里所结合的并且形成说明书的一部分的附图示出了本申请的一个或更多实施例，并且与描述一起用于解释本申请的原理以及用于使相关领域的普通技术人员能够制作和使用本申请。

图1示出根据本申请实施例的增材制造设备的构造示意图；

图2示出根据本申请实施例的光路调整系统的第一种示意框图；

图3示出根据本申请实施例的位姿测量部的布置位置示意图；

图4示出根据本申请实施例的光路调整系统的应用示意图；

图5示出根据本申请实施例的光路调整系统的第二种示意框图；

图6示出根据本申请实施例的光路调整系统的第三种示意框图；

图7示出根据本申请实施例的位姿调整部的构造示意图；

图8示出根据本申请实施例的位姿调整部的另一种构造示意图；

图9示出根据本申请实施例的光路调整系统的第四种示意框图；

图10示出根据本申请实施例的光路调整方法的流程示意图。

附图标记说明

20…光路调整系统；21…位姿测量部；211…第一测距传感器a；212…第一测距传感器b；213…角度传感器；214…第一压力传感器；215…第二压力传感器；22…位姿调整部；221…多角度调节装置；222…固定支架；223…升降装置；23…控制装置；24…第二测距传感器；25…执行器；10…增材制造设备；11…光路系统；111…能量光束发生器；112…振镜系统；113…聚焦镜；114…能量光束；12…材料分布器；13…基板平台；14…建造缸；141…升降机构；15…第一料缸；16…第二料缸；17…成形仓。

现在将参考附图描述本申请的一个或更多实施例。在附图中，相同的参考数字表示相同的或功能类似的元件。

具体实施方式

应理解，本申请实施例中涉及的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”、“包含”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、软件、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是还包括没有列出的步骤或单元，或还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

本申请实施例中涉及的“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本申请实施例中的“至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合，是指一个或多个，多个指的是两个或两个以上。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

图1示出根据本申请实施例的增材制造设备的构造示意图。如图1所示，本申请实施例的增材制造设备10被配置为对逐层铺设的材料选择性固化来构建3D物体。该材料呈颗粒状，优选为金属材质，诸如不锈钢、铜、钛合金、铝合金等。除了金属材质外还可以利用陶瓷、塑料以及一些复合材料来构建3D物体，陶瓷材料如氧化铝(Al₂O₃)、氮化硅(Si₃N₄)等，塑料如聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)等。所描述的“选择性固化”例如为选择性烧结固化或选择性熔融固化。为了较详细地构建3D物体，增材制造设备10通过具备的光路系统11产生的能量光束114对通过材料分布器12(如刮刀或辊筒)逐层铺设在基板平台13上方的材料进行选择性固化。

为了实现前文描述的“在3D打印过程中实时调整光路系统，确保聚焦平面与成形(铺料)平面保持平行，以保证打印过程中的成形精度和质量，满足对于更高精度成形的需求”的目的，本申请实施例提供应用在增材制造设备10中的光路调整系统。该光路调整系统例如被构造为增材制造设备10的一部分或与增材制造设备10配合使用，基于前者，该光路调整系统所涵盖的部件可以被视为增材制造设备10所包含，例如在一些实施例中的光路调整系统包括位姿测量部21、位姿调整部22和控制装置23等部分，位姿测量部21被构造在材料分布器12上以测量第一阶段和经过至少一铺料工序后的第二阶段材料分布器12在空间内相对于参考位置的位姿信息，位姿调整部22被构造为与光路系统11驱动连接以调整光路系统11在空间内的位姿状态，控制装置23分别与位姿测量部21和位姿调整部22通信连接，并且能够根据位姿信息的变化计算材料分布器12在第二阶段所形成的铺料平面，以此控制位姿调整部22调整光路系统11的位姿状态，使得调整后的光路系统11的能量光束114的聚焦平面与铺料平面平行。

控制装置23例如为计算机控制系统，除了与位姿测量部21和位姿调整部22通信，还与增材制造设备10的其他部件连接，以实现对整个3D打印过程的全面控制和协调。

在3D打印过程中，铺料与固化是交替进行的，每当光路系统11根据3D物体其中一层刨分截面在基板平台13上完成一层材料的固化以形成相应层结构后，基板平台13则被布置在其下方的升降机构141驱动下降一层，随着基板平台13的下降，材料分布器12在空出的区域内铺设新的材料层以将其均匀地覆盖在上一层已固化的结构表面上，为下一次选择性固化准备，这种交替进行的铺料和固化过程一直持续到整个3D物体的构建完成。

在这种过程中即产生了前文所描述的第一阶段和第二阶段，本文中第一阶段例如是3D打印过程中的起始阶段，即在开始打印新的3D物体或在换料后的第一层打印，这个阶段的材料分布器12位于其初始位置并且尚未进行任何材料的铺设，材料分布器12与基板平台13保持平行；第二阶段是指经过至少一次铺料工序或经过一段时间铺料工序后的状态，这个阶段的材料分布器12已经铺设了至少一层材料在基板平台13上，也即3D物体已经完成了至少一层的构建；当然这是相对而言，在另一种情况下，第一阶段和第二阶段也可以指材料分布器12进行铺料工序的实时状态，即第一阶段和第二阶段是在时序上的相邻阶段，第二阶段在第一阶段之后发生。

下面结合图1-3为例，简要说明位姿测量部21测量第一阶段和第二阶段的材料分布器12在空间内相对于参考位置的位姿信息的具体实现过程。其中，图2示出根据本申请实施例的光路调整系统的第一种示意框图，图3示出根据本申请实施例的位姿测量部的布置位姿示意图。如图2-3所示，在一种实现方式中，位姿测量部21包括第一测距传感器a211和第一测距传感器b212，第一测距传感器a211被构造在材料分布器12的一端，第一测距传感器b212被构造在材料分布器12的另一端，介于材料分布器12需维持底部的平整性，第一测距传感器a211和第一测距传感器b212优选被安装在材料分布器12的内部，并且它们的底部与材料分布器12的底部处于同一平面内，以便从底部发射特定类型的信号(如激光、超声波或红外线等)照射至参考位置并接收反射信号以测距，参考位置是材料层表面(未铺料时是基板平台13的上表面)，即第一测距传感器a211和第一测距传感器b212分别在第一阶段和第二阶段时测量材料分布器12底部到材料层表面的距离并传输到控制装置23，供控制装置23进一步的计算和处理。在其他实施例中位姿测量部21还可以包括更多数量的第一测距传感器以间隔构造在材料分布器12中。

控制装置23将比较第一测距传感器a211和第一测距传感器b212测量的材料分布器12在第一阶段和第二阶段相对于参考位置的距离是否发生变化，如果两个传感器在第二阶段测量的距离与第一阶段相比有变化，则将触发控制装置23计算材料分布器12在第二阶段形成的铺料平面。

正常情况下，由于材料分布器12与基板平台13平行，第一测距传感器a211和第一测距传感器b212测量的距离应当是相同的，或者说在一个可控的误差范围内(未超出第一阈值)，这是因为这两个传感器都位于材料分布器12的底部，并且与基板平台13的表面保持平行，所以它们测量到的距离应当是一致的；当第一测距传感器a211和第一测距传感器b212测量的距离不同，或者超出了预设的误差范围时(超出第一阈值)，则表明铺料平面的平行度发生了变化，例如由于材料分布器12的位置发生了偏移或者变形导致。例如，假设第一测距传感器a211和第一测距传感器b212实时测量的距离都是2mm(第一阶段)，如果在某个时刻(第二阶段)，第一测距传感器a211测量到的距离为2mm，而第一测距传感器b212测量到的距离为3mm，则表明铺料平面的平行度发生了变化。

当控制装置23收集到第一测距传感器a211和第一测距传感器b212在第一阶段和第二阶段测量的距离数据(材料分布器12相对于参考位置)后，会对这些数据进行分析，以确定铺料平面的变化情况。通过比较数据，控制装置23会分析第一测距传感器a211和第一测距传感器b212测量结果之间的差异以确定铺料平面在第二阶段相对于参考位置的变化趋势和程度，例如是否上升、下降或者倾斜，根据距离数据和差异分析结果，控制装置23可以利用几何计算方法，如线性插值、拟合曲线等来计算铺料平面在第二阶段的形成情况。例如，控制装置23根据已知的测量数据和模型假设推断出铺料平面在第二阶段的形态特征，包括位置、倾斜角度等，这些姿态数据可以描述铺料平面相对于参考位置的空间位置和方向，从而为后续的调整提供参考。

控制装置23在得到材料分布器12在第二阶段所形成的铺料平面后，将以此为依据控制位姿调整部22调整光路系统11的位姿状态，使得调整后的光路系统11的能量光束114的聚焦平面与该铺料平面平行，以实现聚焦平面与成形平面保持平行，成形平面即该铺料平面。

能量光束114(例如激光束)的聚焦平面是指光束经过光路系统11的各光学元件处理后被聚焦到焦点处，形成一个平面或近似平面的区域，即聚焦平面。在3D打印过程中，控制能量光束114的聚焦平面非常重要，其直接影响到材料的固化和成形过程，保持聚焦平面与所需的成形平面平行，可以确保材料在固化过程中的正确定位和形状，保证打印质量。

光路系统11主要包括能量光束发生器111、振镜系统112和聚焦镜113等光学部件。能量光束发生器111(例如激光器)产生高能量密度的光束以射入振镜系统112，振镜系统112由一组能够控制光束照射方向和路径的反射镜以及用于驱动反射镜偏转的电机组成，其能够在不同方向上进行快速而精确的转动以控制光束的照射位置和角度；聚焦镜113则将能量光束聚焦到材料表面上以实现对材料的固化。这些光学部件之间相互配合，通过调节能量光束的方向、强度和聚焦效果，实现对材料的选择性固化。

在一种实现方式中，控制装置23对从位姿测量部21获取的铺料平面的数据进行解析，例如包括铺料平面的位置、形状、方向等信息的提取和处理，基于解析得到的铺料平面的数据，控制装置23计算出光路系统11需要进行的位姿调整，例如涉及对光路系统11进行的平移、旋转、倾斜等操作，以确保光路系统11的能量光束114的聚焦平面与铺料平面平行。位姿调整过程中，控制装置23向位姿调整部22发送调整指令(例如包括调整的方向、幅度和速度等信息)，指示其对光路系统11进行相应的位姿调整，位姿调整部22根据控制装置23发送的指令对光路系统11进行实际的位姿调整，直至调整后的光路系统11的能量光束的聚焦平面与该铺料平面平行。

图4示出根据本申请实施例的光路调整系统的应用示意图，下面以图4为例(同时参考图1-3)简要说明光路调整系统20的应用过程。如图4所示，在第一阶段，材料分布器12处于正常状态下，形成的铺料平面为P1，与材料分布器12垂直。在这种情况下，光路系统11的能量光束114的聚焦平面为P2，处于与P1平行的位置(图4中P2为虚拟平面，仅用于示意)。然而，当进入第二阶段时，由于材料分布器12的位置发生偏移，导致实际形成的铺料平面为P3，与P1发生了倾斜，导致与P2不再平行。这种情况会导致能量光束114的焦点在实际成形过程中发生离焦，进而影响打印质量。通过光路调整系统20的应用，控制装置23通过与位姿测量部21和位姿调整部22的通信，获得材料分布器12在第二阶段形成的铺料平面P3的相关信息，然后，控制装置23根据这些信息对光路系统11的位姿状态进行调整，使得调整后的能量光束114的聚焦平面为P4，与实际的铺料平面P3平行。这样一来，聚焦平面重新与铺粉平面平行，从而提高了打印质量和成形精度。

图5示出根据本申请实施例的光路调整系统的第二种示意框图。如图5所示(同时参考图1-3)，在本申请的一些实施例中，作为位姿测量部21测量位姿信息的第二种实现方式(图2为第一种)，位姿测量部21采用角度传感器213以测量材料分布器12在第一阶段和第二阶段相对于参考位置的角度，具体构造例如将角度传感器213安装在材料分布器12的内部，并且所在位置应该能够准确地测量材料分布器12在空间中的角度，角度传感器213将实时(第一阶段和第二阶段)采集材料分布器12的角度信息，并将其发送给控制装置23进行处理，控制装置23可以根据接收到的角度数据，判断材料分布器12的角度变化情况，并作出相应的光路调整。

控制装置23首先接收来自角度传感器213的实时角度数据，包括第一阶段和第二阶段相对于参考位置(基准面)的角度，这角度些数据表示材料分布器12的姿态在铺料过程中的控制装置23对比第一阶段和第二阶段测得的角度数据，如果角度变化发生了变化，或者变化超出了第二阈值(材料分布器12的姿态发生了显著变化)，可能影响到成形质量。此时，控制装置23将根据获得的角度数据计算材料分布器12在第二阶段所形成的铺料平面，例如根据获得的角度数据计算出材料分布器12在第二阶段的倾斜角度和方向，根据计算得到的倾斜角度和方向，控制装置23利用几何学原理计算铺料平面的位姿状态，并在铺料平面计算完成后根据新的铺料平面数据调整位姿调整部22，来使光路系统11的能量光束114的聚焦平面与铺料平面平行。

在一些可能的实现方式中，角度传感器213的数量可以设置为多个，例如使用多个角度传感器213分布在材料分布器12的不同位置以实现对材料分布器12姿态的多点测量，这样做有助于综合考虑材料分布器12的整体姿态情况，减少测量误差。

图6示出根据本申请实施例的光路调整系统的第三种示意框图。如图6所示(同时参考图1-3)，在本申请的一些实施例中，作为位姿测量部21测量位姿信息的第三种实现方式，位姿测量部21包括至少两个压力传感器，如图6示出的第一压力传感器214和第二压力传感器215，第一压力传感器214被构造在材料分布器12的一端，第二压力传感器215被构造在材料分布器12的另一端，第一压力传感器214和第二压力传感器215被安装在材料分布器12的内部，并且它们的底部与材料分布器12的底部处于同一平面内，用于测量材料分布器12在第一阶段和第二阶段对铺料平面施加的压力，控制装置23在根据接收到的第一阶段和第二阶段的压力数据进行比较，若变化或变化值超出第三阈值则计算材料分布器12在第二阶段所形成的铺料平面。

具体而言，第一压力传感器214和第二压力传感器215通过感知材料分布器12底部与铺料平面之间的压力来测量材料分布器12在每个阶段的压力变化情况，这些压力传感器例如采用压电或应变传感器的原理，当材料分布器12受力时，产生的压力会使第一压力传感器214和第二压力传感器215发生相应的变化，从而可以通过测量这种变化来间接地获取材料分布器12的位姿信息。第一压力传感器214和第二压力传感器215测得的压力数据会被传输到控制装置23进行处理，控制装置23通过对这些数据进行分析和比较，以确定材料分布器12在第一阶段和第二阶段相对于铺料平面的压力变化情况，包括是否发生变化或变化值超出第三阈值。例如基于第一压力传感器214和第二压力传感器215测得的压力数据，控制装置23可以推断出材料分布器12在每个阶段的位姿信息，包括其与铺料平面的相对位置和角度，以在压力发生变化或变化值超出第三阈值时判断第二阶段铺料平面的倾斜程度和变化情况，从而进一步用于调整光路系统11的位姿状态，保证能量光束114的聚焦平面与铺料平面平行。

例如，假设第一阶段时第一压力传感器214和第二压力传感器215测得的压力分别为 100kPa，即材料分布器12在第一阶段与铺料平面的接触压力为 100kPa；在第二阶段，由于材料分布器12位置的微小变化，第一压力传感器214和第二压力传感器215测得的压力发生了变化，假设分别为 100kPa和105kPa，则表示第二阶段的材料分布器12对铺料平面施加的压力发生了变化。通过比较这些压力数据，控制装置23可以计算出材料分布器12在第二阶段所形成的铺料平面的变化情况。例如，压力的增加可能表示铺料平面的倾斜或材料分布器12与铺料平面之间的接触面积发生了变化，根据这些数据，控制装置23可以调整光路系统11的位姿状态，确保能量光束114的聚焦平面与铺料平面保持平行。

图7示出根据本申请实施例的位姿调整部的构造示意图。如图7所示(同时参考图1)，在本申请的一些实施例中，位姿调整部22包括多角度调节装置221以用于驱动光路系统11在空间内的多个方向进行调节。当控制装置23得到材料分布器12在第二阶段形成的铺料平面时会向多角度调节装置221发送指令，驱动光路系统11相应地进行微调。例如，如果铺料平面发生倾斜，多角度调节装置221可以调整光路系统11的角度，使得能量光束114在空间内的聚焦平面与铺料平面保持平行。

应理解，多角度调节装置221对光路系统11的调节，并非指对光路系统11的各光学部件进行调节，而是指对光路系统11的整体进行调节，例如光路系统11具有能够将各光学部件容纳在内的壳体，该壳体在空间内固定了光学元件的位置和相互关系，多角度调节装置221通过对该壳体进行机械驱动以实现对光路系统11在空间内的位姿状态的调节。例如控制装置23检测到铺料平面与光路系统11的聚焦平面存在倾斜或错位，多角度调节装置221会接收到相应的指令，并通过调节光路系统11的壳体来实现对光路系统11的整体调节。

在一种实现方式中，位姿调整部22包括固定支架222，固定支架222构造在成形仓17上方，多角度调节装置221被安装在固定支架222上以作为多角度调节装置221的支撑平台，光路系统11的壳体被构造为与多角度调节装置221连接，通过这种连接方式，多角度调节装置221可以直接作用于光路系统11的整体，实现对光路系统11的位姿调整。更详细地，通过固定支架222和多角度调节装置221的结合，光路系统11的壳体可以与多角度调节装置221连接并受到其控制，这样，当控制装置23发出调整信号时，多角度调节装置221会对光路系统11的壳体进行相应的调整，以实现光路系统11在空间内的位姿调整。

作为一种具体构造，多角度调节装置221例如可以是倾角平台，其通过改变平台的倾斜角度来调整光路系统11的姿态。具体而言，倾角平台可以由一个平台底座和一个可倾斜的平台板组成，平台底座固定在固定支架222上，而平台板则与平台底座连接，并可以沿特定的轴线进行倾斜，倾角平台配备有驱动装置，通过对驱动装置的控制可以精确地调整平台板的倾斜角度。控制装置23可以向倾角平台发送指令，要求调整光路系统11的姿态，倾角平台根据接收到的指令，通过驱动装置调整平台板的倾斜角度，从而使光路系统11的聚焦平面与铺料平面保持平行。

作为一种具体构造，多角度调节装置221例如可以是球形并联机械手。球形并联机械手通常由多个球面关节和连杆组成，每个球面关节都可以独立地控制一个自由度的运动，通过调整每个球面关节的角度，可以使机械手的末端驱动器以非常灵活的方式移动，并在空间内完成各种姿态的调整。球形并联机械手可以被安装在固定支架222上并与光路系统11的壳体连接，根据接收到的指令，球形并联机械手通过控制各个球面关节的运动，实现对光路系统11的多角度调节，从而使其聚焦平面与铺料平面保持平行。

应理解，上述两种具体构造仅作为多角度调节装置221具体构造的示例，不代表具体限制，实际上，任何能够实现光路系统11多角度调节功能的装置都可以作为多角度调节装置221的一部分。在实际应用中，可以根据具体的需求选择合适的装置，以确保光路系统11能够在空间内实现准确的位姿调整。例如，在一些可能的方式中，多角度调节装置221还可以采用诸如旋转关节系统、平移平台、多轴机械臂等来实现光路系统11多角度调节。

在一种可能的方式中，例如还可以在固定支架222上安装自动滑轨，将多角度调节装置221安装在自动滑轨上，以实现对多角度调节装置221在水平方向（X轴或Y轴）的移动。

图8示出根据本申请实施例的位姿调整部的另一种构造示意图。如图8所示(同时参考图1)，在本申请的一些实施例中，位姿调整部22包括升降装置223以用于驱动光路系统11在空间内升降。

在一些实施例中，升降装置223可以设置在固定支架222的下方，以独立的结构支持光路系统11的升降运动。此外，也可以将升降装置223直接构造为固定支架222的一部分，使其与固定支架222整体紧密结合形成一个整体，共同支撑光路系统11的位置调整。

本申请实施例的光路调整系统还可以进行自动对焦以减少设备维护过程中的对焦过程。

在3D打印之前，往往需要确定光路系统11的焦点是否在预设位置上。本申请实施例的光路调整系统除了用于调整光路系统11的位姿状态，还可以实现自动对焦功能，即为了确保3D打印过程中光路系统11的焦点位于预设位置上，位姿调整部22可通过升降装置223在空间内驱动光路系统11的垂直升降。在3D打印之前，通过自动对焦功能，控制装置23可以发出指令使升降装置223调整光路系统11的位置，直到光路系统11的焦点达到预设位置。

为了实现该焦点的位置确认，本申请实施例的光路调整系统还包括第二测距传感器24(可以为一个或多个)，其被构造在光路系统11上，用于测量光路系统11相对于基板平台13的距离；控制装置23则比较第二测距传感器24测量的光路系统11相对于基板平台13的距离是否等于第四阈值，如果两者的距离相等则说明焦点在理想位置上，无需进一步调整，如果两者的距离不相等，则控制装置23将会启动升降装置233以驱动光路系统11进行升降运动，直到光路系统11与基板平台13的距离达到预设的第四阈值为止。

此外，在3D打印过程中，控制装置23还将对第二测距传感器24测量的光路系统11相对于基板平台13的实时距离进行判断，若偏离第四阈值，则控制升降装置233以驱动光路系统11进行升降运动，使光路系统11与基板平台13的距离达到第四阈值。例如，假设第四阈值为D1，当设备运行一段时间后，可以通过光路系统11与基板平台13的距离D2，判断D2和D1的关系，当D2不等于D1时，可以通过升降装置233以驱动光路系统11进行升降运动，使D2=D1。

通过这样的自动对焦过程，可以对光路系统11的焦点位置进行及时调整，以确保其始终位于预设的理想位置上。

此外，在一种可能的实现方式中，第二测距传感器24还可以被构造在固定支架222上，以提供更稳定的测量，因为固定支架222通常是在设备结构中固定的一部分，相对于光路系统11的运动会更少。

图9示出根据本申请实施例的光路调整系统的第四种示意框图。如图9所示(同时参考图1)，在本申请的一些实施例中，光路调整系统20还包括执行器25，该执行器25被构造为与材料分布器12驱动连接，用于根据控制装置23的指令调整材料分布器12在空间内的位姿状态，使其与铺料平面平行。执行器25至少能够提供足够的力量或扭矩，以驱动材料分布器12在空间内的位姿状态进行调整。

例如当控制装置23发出指令时，执行器25根据指令调整材料分布器12的位置和方向，以确保其与铺料平面保持平行，这种调整可以通过控制该执行器25的运动方式来实现，例如控制该执行器25的线性移动或旋转，以使材料分布器12在空间内的位姿状态发生变化。

参考图1，前文已对本申请光路调整系统所应用的增材制造设备10进行简单的构造描述，但未尽详述，在此将补充说明。

增材制造设备10还具备成形仓17，该成形仓17作为增材制造设备10中的一个封闭空间，确保打印过程中的环境与外界环境隔离，从而避免外部杂质、灰尘或其他污染物进入成形区域，保持打印环境的洁净度。成形仓17内通常需要充入惰性气体，例如Ar(氩)，以提减少材料的氧化和不良反应，保障3D物体打印的质量和成形精度。

增材制造设备10还具备建造缸14，建造缸14用于构建3D物体，在其底部设置有升降机构141，基板平台13设置在建造缸14内，并能够在升降机构141的驱动下沿建造缸14上下移动，以促使材料的逐层添加以便构建出所需的3D物体。

增材制造设备10还具备储料装置，该储料装置内储存有供3D打印使用的材料，并能够对储存的材料进行释放，以便材料分布器12将释放的材料铺设在基板平台13上。

在一种构造方式中，储料装置例如为第一料缸15，该第一料缸15可以布置在建造缸14的左侧，也可以如图1所示的那样布置在建造缸14的右侧，还可以设置为两个以分别布置在建造缸14的左右两侧，这种布置下两个第一料缸15可互为彼此的余料收集容器。第一料缸15的内部构造可以与建造缸14相类似，采用升降机构来驱动缸体上升以溢出材料，进而供材料分布器12将堆积在第一料缸15顶部区域的材料水平移动以铺设至基板平台13上。

在另一种构造方式中，储料装置例如为第二料缸16，其可布置在成形仓17的内部空间，以从上至下的方式释放材料以落至基板平台13上。此外，第二料缸16可以被设置为在成形仓17内水平移动(例如将第二料缸16安装在滑轨上)以实现在基板平台13上的移动送料。

图10示出根据本申请实施例的光路调整方法的流程示意图。如图10所示，本申请实施例在前述增材制造设备的基础上还提供一种光路调整方法，包括步骤ⅰ)和ⅱ)。

ⅰ)获取位姿测量部测量的第一阶段和经过至少一铺料工序后的第二阶段，所述材料分布器在空间内相对于参考位置的位姿信息；

ⅱ)根据所述位姿信息的变化计算所述材料分布器在所述第二阶段所形成的铺料平面，并控制位姿调整部调整所述光路系统的位姿状态，使得调整后的所述光路系统的能量光束的聚焦平面与所述铺料平面平行。

应理解，由于该光路调整方法应用在增材制造设备中，因此也能够与用于构建3D物体的制造过程一起被包含在内，形成一种包含该光路调整方法的用于构建3D物体的制造方法。而所描述的用于构建3D物体的制造方法包括：利用材料分布器在基板平台上方逐层铺设材料；利用光路系统选择性固化经铺设的材料层；重复所述逐层铺设材料和选择性固化，直至制成所述3D物体。光路调整系统至少在3D物体的制造期间执行上述步骤ⅰ)和ⅱ)，以实现在3D打印过程中实时调整光路系统，确保聚焦平面与成形平面保持平行的目的。

以上所述的具体实施方式，对本申请实施例的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请实施例的具体实施方式而已，并不用于限定本申请实施例的保护范围，凡在本申请实施例的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于增材制造设备的光路调整系统，所述增材制造设备用于通过光路系统产生的能量光束对通过材料分布器逐层铺设在基板平台上方的材料进行选择性固化来构建3D物体，所述材料分布器为刮刀或辊筒，其特征在于，所述光路调整系统包括：

位姿测量部，其被构造在所述材料分布器上，用于测量第一阶段和经过至少一铺料工序后的第二阶段，所述材料分布器在空间内相对于参考位置的位姿信息，所述参考位置为铺设在所述基板平台上方的材料上表面，未铺料时为所述基板平台的上表面；

位姿调整部，其被构造为与所述光路系统驱动连接，用于调整所述光路系统在空间内的位姿状态；和

控制装置，其分别连接于所述位姿测量部和位姿调整部，被配置为根据所述位姿信息的变化计算所述材料分布器在所述第二阶段所形成的铺料平面，并控制所述位姿调整部调整所述光路系统的位姿状态，使得调整后的所述光路系统的能量光束的聚焦平面与所述铺料平面平行；

其中，所述位姿测量部包括至少两个第一测距传感器，所述至少两个第一测距传感器被分别构造在所述材料分布器的两端，用于测量所述材料分布器在所述第一阶段和第二阶段相对于所述参考位置的距离；所述控制装置被配置为比较所述至少两个第一测距传感器测量的所述材料分布器在所述第一阶段和第二阶段相对于所述参考位置的距离，若变化或变化值超出第一阈值则计算所述材料分布器在所述第二阶段所形成的铺料平面。

2.根据权利要求1所述的光路调整系统，其特征在于，

所述位姿测量部包括一个或多个角度传感器，所述一个或多个角度传感器用于测量所述材料分布器在所述第一阶段和第二阶段相对于所述参考位置的角度；

所述控制装置被配置为比较所述一个或多个角度传感器测量的所述材料分布器在所述第一阶段和第二阶段相对于所述参考位置的角度，若变化或变化值超出第二阈值则计算所述材料分布器在所述第二阶段所形成的铺料平面。

3.根据权利要求1所述的光路调整系统，其特征在于，

所述位姿测量部包括至少两个压力传感器，所述至少两个压力传感器被分别构造在所述材料分布器的两端，用于测量所述材料分布器在所述第一阶段和第二阶段对铺料平面施加的压力；

所述控制装置被配置为比较所述至少两个压力传感器测量的所述材料分布器在所述第一阶段和第二阶段对所述铺料平面施加的压力，若变化或变化值超出第三阈值则计算所述材料分布器在所述第二阶段所形成的铺料平面。

4.根据权利要求1所述的光路调整系统，其特征在于，

所述位姿调整部包括多角度调节装置和升降装置，所述多角度调节装置用于驱动所述光路系统在空间内的多个方向进行调节，所述升降装置用于驱动所述光路系统在空间内升降。

5.根据权利要求4所述的光路调整系统，其特征在于，

所述位姿调整部包括固定支架，所述多角度调节装置安装在所述固定支架上。

6.根据权利要求4所述的光路调整系统，其特征在于，

所述光路调整系统还包括：

一个或多个第二测距传感器，其被构造在所述光路系统上，用于测量所述光路系统相对于所述基板平台的距离；

所述控制装置被配置为比较所述一个或多个第二测距传感器测量的所述光路系统相对于所述基板平台的距离是否等于第四阈值，若否则控制所述升降装置驱动所述光路系统升降，以使所述光路系统相对于所述基板平台的距离等于所述第四阈值。

7.根据权利要求1所述的光路调整系统，其特征在于，

所述光路调整系统还包括：

执行器，其被构造为与所述材料分布器驱动连接，用于根据所述控制装置的指令调整所述材料分布器在空间内的位姿状态，使其与所述铺料平面平行。

8.一种增材制造设备，其特征在于，

所述增材制造设备包括权利要求1至7任一项所述的光路调整系统。

9.一种用于具有权利要求1至7任一项所述的光路调整系统的增材制造设备的光路调整方法，所述增材制造设备用于通过光路系统产生的能量光束对通过材料分布器逐层铺设在基板平台上方的材料进行选择性固化来构建3D物体，其特征在于，所述方法包括：

获取位姿测量部测量的第一阶段和经过至少一铺料工序后的第二阶段，所述材料分布器在空间内相对于参考位置的位姿信息；

根据所述位姿信息的变化计算所述材料分布器在所述第二阶段所形成的铺料平面，并控制位姿调整部调整所述光路系统的位姿状态，使得调整后的所述光路系统的能量光束的聚焦平面与所述铺料平面平行。

10.一种用于在具有权利要求1至7任一项所述的光路调整系统的增材制造设备中构建3D物体的制造方法，其特征在于，

所述方法包括：

利用材料分布器在基板平台上方逐层铺设材料；

利用光路系统选择性固化经铺设的材料层；

重复所述逐层铺设材料和选择性固化，直至制成所述3D物体；

所述增材制造设备包括光路调整系统；

所述光路调整系统至少在所述3D物体的制造期间执行以下步骤：

获取位姿测量部测量的第一阶段和经过至少一铺料工序后的第二阶段，所述材料分布器在空间内相对于参考位置的位姿信息；

根据所述位姿信息的变化计算所述材料分布器在所述第二阶段所形成的铺料平面，并控制位姿调整部调整所述光路系统的位姿状态，使得调整后的所述光路系统的能量光束的聚焦平面与所述铺料平面平行。