專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于ccd視覺(jué)定位的復(fù)雜零件制造方法及其設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光加工設(shè)備，具體是一種基于CCD視覺(jué)定位的復(fù)雜零件制造方法及其設(shè)備。
背景技術(shù)：
目前用于加工金屬零件的技術(shù)包括車(chē)床加工、銑床加工等傳統(tǒng)機(jī)加工技術(shù)和包括激光熔覆、電子束選區(qū)激光熔化選擇性激光燒結(jié)和選區(qū)激光熔化等新興激光快速成型技術(shù)。其中選區(qū)激光熔化快速成型技術(shù)激光聚焦后具有細(xì)小的光斑，容易獲得高密度、高的尺寸精度(達(dá)O. Imm)及良好的表面粗糙度α^30-50μπι)的金屬零件。機(jī)械加工是一種用加工機(jī)械對(duì)工件的外形尺寸或性能進(jìn)行改變的過(guò)程。按被加工的工件處于的溫度狀態(tài)，分為冷加工和熱加工。一般在常溫下加工，并且不引起工件的化學(xué)或物相變化，稱(chēng)冷加工。一般在高于常溫狀態(tài)的加工，會(huì)引起工件的化學(xué)或物相變化，稱(chēng)熱加工。冷加工按加工方式的差別可分為切削加工和壓力加工。熱加工常見(jiàn)有熱處理、鍛造、鑄造和焊接。加工所需要的機(jī)械包括數(shù)顯銑床、數(shù)顯成型磨床、數(shù)顯車(chē)床、電火花機(jī)、萬(wàn)能磨床、鉆床、沖壓機(jī)、壓鑄機(jī)等專(zhuān)用機(jī)械設(shè)備，此類(lèi)機(jī)械擅長(zhǎng)金屬零件的車(chē)、銑、刨、磨等加工，可以加工各種不規(guī)則形狀零件，加工精度可達(dá)2 μ m。選區(qū)激光熔化是一種目前較為先進(jìn)的激光快速成型技術(shù)，它的基本原理是先在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)出零件的三維實(shí)體模型，然后通過(guò)專(zhuān)用軟件對(duì)該三維模型進(jìn)行切片分層，得到各截面的輪廓數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入快速成型設(shè)備，設(shè)備將按照這些輪廓數(shù)據(jù)，控制激光束選擇性地熔化各層的金屬粉末材料，逐步堆疊成三維金屬零件。選區(qū)激光熔化制造個(gè)性化零件的優(yōu)勢(shì)(I)個(gè)性化適合各種復(fù)雜形狀的零件，尤其適合帶有非線性曲面的或者內(nèi)部有復(fù)雜異型結(jié)構(gòu)(如空腔)、用傳統(tǒng)方法無(wú)法制造的個(gè)性化工件；(2)快速制造直接制成終端金屬零件,省掉中間過(guò)渡環(huán)節(jié)；(3)精度高使用具有高功率密度的激光器，以光斑很小的激光束照射金屬粉末，使得加工出來(lái)的個(gè)性化金屬零件具有很高的尺寸精度(達(dá)O. Imm)以及好的表面粗糙度(Ra30-50 μm)；(4)致密度高在選區(qū)內(nèi)熔化金屬制造出來(lái)的零件具有冶金結(jié)合的實(shí)體，相對(duì)致密度接近100%，力學(xué)性能甚至超過(guò)鑄造件；(5)材料種類(lèi)多由于激光光斑直徑很小，因此能以較低的功率熔化高熔點(diǎn)的金屬，使得用單一成分的金屬粉末來(lái)制造零件成為可能，而且可供選用的金屬粉末種類(lèi)也得到拓展。目前，很多尺寸較大的零件都是分為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部分和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的部分。這樣的零件用傳統(tǒng)機(jī)加工方法加工，外形復(fù)雜的部分難于成型，難于滿足精度要求。若是用選區(qū)激光熔化方法加工的話，成型時(shí)間太長(zhǎng)，耗材較大，成本很高，體現(xiàn)不出選區(qū)激光熔化快速成型的優(yōu)勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)機(jī)加工和選區(qū)激光熔化兩種方法各自存在的缺陷和不足，提供一種基于CCD視覺(jué)定位的復(fù)雜零件制造方法及其設(shè)備。本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種基于CXD視覺(jué)定位的復(fù)雜金屬零件制造設(shè)備，包括光纖激光器、光束聚焦系統(tǒng)、同軸視覺(jué)定位系統(tǒng)、粉末鋪設(shè)系統(tǒng)；所述光束聚焦系統(tǒng)，包括擴(kuò)束鏡、掃描振鏡和F- 0組合透鏡；所述同軸視覺(jué)定位系統(tǒng)，包括鍍膜反射鏡片、C⑶和照明裝置； 所述粉末鋪設(shè)系統(tǒng)，包括成型缸、粉末缸、鋪粉刮板、控制系統(tǒng)，所述成型缸和粉末缸設(shè)有粉末升降機(jī)構(gòu)，鋪粉刮板設(shè)置于成型缸和粉末缸的上方；所述成型缸、粉末缸和鋪粉刮板置于密封成型室內(nèi)；所述鋪粉刮板、粉末升降機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)相連接；所述光纖激光器與光束聚焦系統(tǒng)相連接，并聚焦掃描于成型缸；所述照明裝置分別安裝在成型缸上部的兩側(cè)；所述同軸視覺(jué)定位系統(tǒng)、光纖激光器分別與控制系統(tǒng)相連接。所述鋪粉刮板和粉末升降機(jī)構(gòu)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與控制系統(tǒng)相連接。所述密封成型室內(nèi)充裝有惰性氣體，惰性氣體采用氬氣或氮?dú)庵械囊环N。一種基于CXD視覺(jué)定位的復(fù)雜金屬零件制造方法，包括如下步驟首先用機(jī)加工方法加工出零件外形的簡(jiǎn)單部分，將零件固定在成型缸中，接著用CAD三維軟件設(shè)計(jì)出零件外形的復(fù)雜部分，然后將三維模型進(jìn)行切片，并利用軟件生成掃描路徑；然后通過(guò)同軸視覺(jué)定位系統(tǒng)對(duì)零件進(jìn)行視覺(jué)定位，照明裝置發(fā)射經(jīng)過(guò)擴(kuò)束后的照明激光，照射到零件外形的簡(jiǎn)單部分的表面；照明激光依次經(jīng)過(guò)組合透鏡、掃描振鏡和鍍膜反射鏡片發(fā)射到CCD ；CCD獲取一幀零件結(jié)合面的圖像，該零件結(jié)合面的圖像經(jīng)過(guò)量化處理后變?yōu)閿?shù)字圖像發(fā)送到控制系統(tǒng)中；接著利用定位軟件開(kāi)始對(duì)采集的該零件結(jié)合面的圖像進(jìn)行標(biāo)定、定位數(shù)據(jù)分析，找出零件結(jié)合面的中心點(diǎn)，令待加工零件的第一層圖像中心與獲取的零件結(jié)合面的圖像中心相重合；接著檢測(cè)并計(jì)算出這兩個(gè)圖像間錯(cuò)開(kāi)的角度，沿著Z軸旋轉(zhuǎn)切片數(shù)據(jù)，通過(guò)閉環(huán)控制，不斷減小錯(cuò)開(kāi)角度，獲得所需的接合精度；用選區(qū)激光熔化方法加工零件外形復(fù)雜的部分，激光從光纖激光器中輸出，經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后，完全透過(guò)鍍膜反射鏡片，照射在掃描振鏡表面，然后經(jīng)過(guò)F- 0組合透鏡聚焦，聚焦后的激光與成型缸金屬粉末表面相作用，將零件堆疊成型。在選區(qū)激光熔化方法加工零件外形復(fù)雜的部分的過(guò)程中，為了增強(qiáng)零件的復(fù)雜部分與簡(jiǎn)單部分的結(jié)合面的強(qiáng)度，采用如下方法(I)對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱，進(jìn)行激光空掃描，使基板表層升到所需溫度；(2)開(kāi)始選區(qū)激光熔化加工之后，控制鋪粉層厚(范圍在10 30um)；(3)對(duì)零件的結(jié)合面預(yù)先溝邊、采取XY正交層錯(cuò)掃描策略和低速度掃描，提高結(jié)合強(qiáng)度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)I、使得大尺寸在500X500X300mm范圍內(nèi)的復(fù)雜金屬零件的高效率制造成為可能，提高了生產(chǎn)效率。假如完全用機(jī)加工方法制造，則外形較為復(fù)雜零件難于成型；假如完全用選區(qū)激光熔化方法制造較大尺寸的零件，則需要花費(fèi)較多的時(shí)間，效率低。2、降低了生產(chǎn)成本。完全利用選區(qū)激光熔化的方法制造大尺寸的簡(jiǎn)單形狀零件，需要的成本較高。采用本發(fā)明的新制造方法可以極大地降低生產(chǎn)成本。3、采用臨近波長(zhǎng)的激光器和照明光源，可以降低CXD圖像傳感器識(shí)別出的加工平面位置和實(shí)際激光作用位置的誤差，提高CCD同軸定位精度。4、本發(fā)明基于CCD視覺(jué)定位的復(fù)雜零件制造設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于推廣應(yīng)用。


圖I是本發(fā)明基于CCD視覺(jué)定位的復(fù)雜零件制造設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是視覺(jué)定位過(guò)程圖。圖3是零件成型效果圖示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述。實(shí)施例如圖I所示，本發(fā)明基于CXD視覺(jué)定位的復(fù)雜金屬零件制造設(shè)備，包括光纖激光器
I、光束聚焦系統(tǒng)、同軸視覺(jué)定位系統(tǒng)、粉末鋪設(shè)系統(tǒng)；所述光束聚焦系統(tǒng)，包括擴(kuò)束鏡3、掃描振鏡6和F-0組合透鏡7 ;所述同軸視覺(jué)定位系統(tǒng)，包括鍍膜反射鏡片5、(XD 4和照明裝置8 ;所述粉末鋪設(shè)系統(tǒng)，包括成型缸13、粉末缸14、鋪粉刮板11、控制系統(tǒng)16，所述成型缸13和粉末缸14設(shè)有粉末升降機(jī)構(gòu)15,鋪粉刮板11設(shè)置于成型缸13和粉末缸14的上方；所述成型缸13、粉末缸14和鋪粉刮板11置于密封成型室內(nèi)(圖中未不出);所述鋪粉刮板11、粉末升降機(jī)構(gòu)15與控制系統(tǒng)16相連接；所述光纖激光器I與光束聚焦系統(tǒng)相連接，并聚焦掃描于成型缸13 ；所述照明裝置8分別安裝在成型缸13上部的兩側(cè)；照明裝置8采用擴(kuò)束后的激光照明，其出光平面最好斜交于成型缸13加工平面，呈“八字形”，照明激光與光纖激光波長(zhǎng)相近。照明激光是人眼不可見(jiàn)激光，但CCD 4感光范圍能達(dá)到紅外波段，故能起到照明作用。所述同軸視覺(jué)定位系統(tǒng)、光纖激光器I分別與控制系統(tǒng)16相連接。所述鋪粉刮板11和粉末升降機(jī)構(gòu)15通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與控制系統(tǒng)16相連接。所述密封成型室內(nèi)充裝有惰性氣體，惰性氣體為氬氣或氮?dú)庵械囊环N。光纖激光器I采用輸出功率400W，光束質(zhì)量因子M2〈l. 1，波長(zhǎng)1090nm的光纖激光器，采用連續(xù)模式，光束直徑內(nèi)能量呈現(xiàn)高斯分布。光纖激光器I的波長(zhǎng)1090nm，照明裝置8的光波長(zhǎng)1070nm，采用臨近波長(zhǎng)的光纖激光器和照明裝置8，可以降低CCD4的圖像傳感器識(shí)別出零件的加工平面位置和實(shí)際激光作用位置的誤差，提高CCD4的同軸定位精度。(XD4選用日本生產(chǎn)的TG2Z1816—FCS型CXD攝像頭，其主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、靈敏度高及分辨率高等。主要技術(shù)指標(biāo)如下鏡頭焦距為I. 8^3. 6mm ;鏡頭像面為4. 9mmX3. 7mm ；有效像素為510(水平)X492(垂直)；目標(biāo)距離為0.2 Im;其中反射鏡片45°角擺放，通過(guò)鍍膜實(shí)現(xiàn)照明光45°全反，激光45°全透。掃描振鏡6采用scanlab公司的Hurryscan20型號(hào)，入射光孔徑為20mm。F- 0組合透鏡7的焦距f = 400mm，掃描范圍約300X300mm。以下結(jié)合圖2、圖3說(shuō)明基于CXD視覺(jué)定位的復(fù)雜金屬零件制造方法第一步首先用機(jī)加工方法加工出零件外形的簡(jiǎn)單部分10，將零件固定在成型缸13中，接著用CAD三維軟件設(shè)計(jì)出零件外形的復(fù)雜部分，然后將三維模型進(jìn)行切片，并利用軟件生成掃描路徑；然后通過(guò)同軸視覺(jué)定位系統(tǒng)對(duì)零件進(jìn)行視覺(jué)定位，照明裝置8發(fā)射經(jīng)過(guò)擴(kuò)束后的照明激光9，照射到零件外形的簡(jiǎn)單部分10的表面；照明激光9依次經(jīng)過(guò)組合透鏡7、掃描振鏡6和鍍膜反射鏡片5 (角度為45° )發(fā)射到(XD4 ;(XD4獲取一幀零件結(jié)合面17的圖 像，該零件結(jié)合面17的圖像經(jīng)過(guò)量化處理后變?yōu)閿?shù)字圖像發(fā)送到控制系統(tǒng)16中；接著利用定位軟件開(kāi)始對(duì)采集的該零件結(jié)合面17的圖像進(jìn)行標(biāo)定、定位數(shù)據(jù)分析，找出零件結(jié)合面17的中心點(diǎn)19，令待加工零件的第一層圖像18中心與獲取的零件結(jié)合面17的圖像中心相重合；接著檢測(cè)并計(jì)算出這兩個(gè)圖像間錯(cuò)開(kāi)的角度20，沿著Z軸旋轉(zhuǎn)切片數(shù)據(jù)，通過(guò)閉環(huán)控制，不斷減小錯(cuò)開(kāi)角度20，獲得所需的接合精度；第二步用選區(qū)激光熔化方法加工零件外形復(fù)雜的部分24，激光2從光纖激光器I中輸出，經(jīng)擴(kuò)束鏡3擴(kuò)束后，完全透過(guò)鍍膜反射鏡片5，照射在掃描振鏡6表面，然后經(jīng)過(guò)F- 9組合透鏡7聚焦，聚焦后的激光與成型缸13金屬粉末表面相作用，將零件堆疊成型。在選區(qū)激光熔化方法加工零件外形復(fù)雜的部分的過(guò)程中，為了增強(qiáng)零件的復(fù)雜部分與簡(jiǎn)單部分的結(jié)合面的強(qiáng)度，采用如下方法(I)對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱，進(jìn)行激光空掃描，使基板表層升到所需溫度；(2)開(kāi)始選區(qū)激光熔化加工之后，控制鋪粉層厚，控制范圍在10 30um；(3)對(duì)零件的結(jié)合面預(yù)先溝邊、采取XY正交層錯(cuò)掃描策略和低速度掃描，提高結(jié)合強(qiáng)度。上述工藝也適用于不同的材料進(jìn)行結(jié)合，以下的異種金屬較容易結(jié)合鋼與Al及Al合金,鋼與cu及cu合金，Al與cu等。金屬粉末12可采用不銹鋼、鈦合金和工具鋼的粉末材料，粉末粒子尺寸在5 iim —30微米之間。如上所述，便可較好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。上述實(shí)施例僅為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于CXD視覺(jué)定位的復(fù)雜金屬零件制造設(shè)備，包括光纖激光器、光束聚焦系統(tǒng)、同軸視覺(jué)定位系統(tǒng)、粉末鋪設(shè)系統(tǒng)，其特征在于 所述光束聚焦系統(tǒng)，包括擴(kuò)束鏡、掃描振鏡和F- Θ組合透鏡； 所述同軸視覺(jué)定位系統(tǒng)，包括鍍膜反射鏡片、CXD和照明裝置； 所述粉末鋪設(shè)系統(tǒng)，包括成型缸、粉末缸、鋪粉刮板、控制系統(tǒng)，所述成型缸和粉末缸設(shè)有粉末升降機(jī)構(gòu)，鋪粉刮板設(shè)置于成型缸和粉末缸的上方；所述成型缸、粉末缸和鋪粉刮板置于密封成型室內(nèi)；所述鋪粉刮板、粉末升降機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)相連接； 所述光纖激光器與光束聚焦系統(tǒng)相連接，并聚焦掃描于成型缸； 所述照明裝置分別安裝在成型缸上部的兩側(cè)； 所述同軸視覺(jué)定位系統(tǒng)、光纖激光器分別與控制系統(tǒng)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于CXD視覺(jué)定位的復(fù)雜金屬零件制造設(shè)備，其特征在于所述鋪粉刮板和粉末升降機(jī)構(gòu)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與控制系統(tǒng)相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于CCD視覺(jué)定位的復(fù)雜金屬零件制造設(shè)備，其特征在于所述密封成型室內(nèi)充裝有惰性氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于CCD視覺(jué)定位的復(fù)雜金屬零件制造設(shè)備，其特征在于所述惰性氣體為氬氣或氮?dú)庵械囊环N。
5.一種基于CCD視覺(jué)定位的復(fù)雜金屬零件制造方法，其特征在于包括如下步驟 首先用機(jī)加工方法加工出零件外形的簡(jiǎn)單部分，將零件固定在成型缸中，接著用CAD三維軟件設(shè)計(jì)出零件外形的復(fù)雜部分，然后將三維模型進(jìn)行切片，并利用軟件生成掃描路徑; 然后通過(guò)同軸視覺(jué)定位系統(tǒng)對(duì)零件進(jìn)行視覺(jué)定位，照明裝置發(fā)射經(jīng)過(guò)擴(kuò)束后的照明激光，照射到零件外形的簡(jiǎn)單部分的表面；照明激光依次經(jīng)過(guò)組合透鏡、掃描振鏡和鍍膜反射鏡片發(fā)射到CCD ；CCD獲取一幀零件結(jié)合面的圖像，該零件結(jié)合面的圖像經(jīng)過(guò)量化處理后變?yōu)閿?shù)字圖像發(fā)送到控制系統(tǒng)中；接著利用定位軟件開(kāi)始對(duì)采集的該零件結(jié)合面的圖像進(jìn)行標(biāo)定、定位數(shù)據(jù)分析，找出零件結(jié)合面的中心點(diǎn)，令待加工零件的第一層圖像中心與獲取的零件結(jié)合面的圖像中心相重合；接著檢測(cè)并計(jì)算出這兩個(gè)圖像間錯(cuò)開(kāi)的角度，沿著Z軸旋轉(zhuǎn)切片數(shù)據(jù)，通過(guò)閉環(huán)控制，不斷減小錯(cuò)開(kāi)角度，獲得所需的接合精度； 用選區(qū)激光熔化方法加工零件外形復(fù)雜的部分，激光從光纖激光器中輸出，經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后，完全透過(guò)鍍膜反射鏡片，照射在掃描振鏡表面，然后經(jīng)過(guò)F-Θ組合透鏡聚焦，聚焦后的激光與成型缸金屬粉末表面相作用，將零件堆疊成型。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于CCD視覺(jué)定位的復(fù)雜金屬零件制造方法，其特征在于，在選區(qū)激光熔化方法加工零件外形復(fù)雜的部分的過(guò)程中，為了增強(qiáng)零件的復(fù)雜部分與簡(jiǎn)單部分的結(jié)合面的強(qiáng)度，采用如下方法(I)對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱，進(jìn)行激光空掃描，使基板表層升到所需溫度；(2)開(kāi)始選區(qū)激光熔化加工之后，控制鋪粉層厚；(3)對(duì)零件的結(jié)合面預(yù)先溝邊、采取XY正交層錯(cuò)掃描策略和低速度掃描，提高結(jié)合強(qiáng)度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于CCD視覺(jué)定位的復(fù)雜零件制造方法及其設(shè)備。該方法包括用機(jī)加工方法制造出零件外形較為簡(jiǎn)單的部分，用視覺(jué)定位系統(tǒng)定位好結(jié)合面的基準(zhǔn)點(diǎn)，之后采用選區(qū)激光熔化方法制造出零件外形較為復(fù)雜的部分。該裝置包括光纖激光器、光束聚焦系統(tǒng)、同軸視覺(jué)定位系統(tǒng)、照明裝置、密封成型室、成型缸、粉末缸、鋪粉刮板和控制系統(tǒng)等組成。本發(fā)明能制造出外形復(fù)雜的金屬零件，效率高，成本低。
文檔編號(hào)B22F3/105GK102825251SQ20121030602
公開(kāi)日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月24日
發(fā)明者王迪, 楊永強(qiáng), 劉睿誠(chéng) 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)