本發(fā)明涉及激光選區(qū)熔化實(shí)時監(jiān)控，尤其涉及一種激光選區(qū)熔化加工過程同軸監(jiān)測方法及裝置。

背景技術(shù)：

激光選區(qū)熔化(selectivelasermelting，slm)技術(shù)是一種能直接成型高致密、高精屬零件的3d打印技術(shù)，其工作原理為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。激光束開始掃描前，鋪粉裝置先把金屬粉末平推到加工室的基板上，然后激光束將按當(dāng)前層的輪廓信息選擇性地熔化基板上的粉末，加工出當(dāng)前層的輪廓,如此層層加工,直到整個零件成型完畢。

在整個激光選區(qū)熔化成型過程中，零件的成型質(zhì)量受到掃描速度、掃描間距、加工層厚、掃描路徑、光斑補(bǔ)償、激光功率與密度等多重因素的影響。因此，在如此復(fù)雜的工藝下，要想獲得高質(zhì)量的成型件，必須對激光選區(qū)熔化成型過程中的一系列關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。質(zhì)量保證和過程監(jiān)控便成為3d打印技術(shù)從模型加工水平提升到一流車間制造水平的必要手段。激光選區(qū)熔化的熔池包含有豐富的質(zhì)量信息,直接決定了零件的成型質(zhì)量，因此對熔池進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，著重于熔池形態(tài)、熔池亮度等特征。質(zhì)量監(jiān)控解決的主要問題是3d打印設(shè)備或激光與材料的相互作用所具有的多變性，因?yàn)楹笳邥催^來擾亂金屬的微觀結(jié)構(gòu)或宏觀力學(xué)性能。

20世紀(jì)80年代末以來，研究人員針對側(cè)向送粉激光熔覆的熔池進(jìn)行了檢測，采用側(cè)向安裝的單個光電二極管將整個熔池的輻射光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為電壓信號來檢測熔池；也有的國內(nèi)學(xué)者采用側(cè)裝的雙色波長紅外測溫計(jì)，對側(cè)向送粉整個熔池的溫度進(jìn)行了檢測。這類傳統(tǒng)的軸外檢驗(yàn)有一個較低的分辨率和檢出率，且無法將熔池描述的更精細(xì)。

鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出一種在激光選區(qū)熔化過程中結(jié)合高速攝像機(jī)和光電二極管的同軸監(jiān)測方法，逐層監(jiān)控3d金屬的熔融過程。同軸實(shí)時監(jiān)控裝置基于在同一平面上分布的高速攝像機(jī)和光電二極管兩個探測器，二者與激光器共用同一套光學(xué)系統(tǒng)，通過激光光學(xué)與精確定位實(shí)現(xiàn)同軸監(jiān)測，這種方式有利于獲得高的局部分辨率和快速掃描率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明提出一種激光選區(qū)熔化加工過程同軸監(jiān)測方法及裝置，即在激光選區(qū)熔化過程中結(jié)合高速攝像機(jī)和光電二極管的同軸監(jiān)測，逐層監(jiān)控3d金屬的熔融過程。本發(fā)明同軸監(jiān)測是基于在同一平面上分布的高速攝像機(jī)和光電二極管兩個探測器，二者與激光器共用同一套光學(xué)系統(tǒng)，通過激光光學(xué)與精確定位實(shí)現(xiàn)同軸監(jiān)測，這種方式有利于獲得高的局部分辨率和快速掃描率。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種激光選區(qū)熔化加工過程同軸監(jiān)測裝置，包括光路模塊1、光電二極管模塊5、二極管控制器6、激光頭2、coms高速攝像機(jī)3、攝像機(jī)控制器4、計(jì)算機(jī)7；

所述光電二極管模塊5包括聚焦透鏡9和光電二極管8；光電二極管8通過二極管控制器6電訊連接計(jì)算機(jī)7；coms高速攝像機(jī)3通過攝像機(jī)控制器4電訊連接計(jì)算機(jī)7；

所述光路模塊1包括掃描振鏡11、半透半反鏡12、第一濾光片13、第二濾光片14、分束鏡15；所述掃描振鏡11、半透半反鏡12、分束鏡15、第二濾光片14、聚焦透鏡9、光電二極管8依次光路連接；coms高速攝像機(jī)3通過第一濾光片13與分束鏡15光路連接；激光頭2與半透半反鏡12光路連接。

所述攝像機(jī)控制器4包括圖像采集模塊41、圖像轉(zhuǎn)換模塊42、圖像濾波模塊43、閾值分割模塊44、數(shù)據(jù)傳輸模塊45；

圖像采集模塊41，用于控制所述coms高速攝像機(jī)3采集所述熔池的實(shí)時圖像數(shù)據(jù)，并保存于內(nèi)存中；

圖像轉(zhuǎn)換模塊42，將反饋至coms高速攝像機(jī)3的彩色圖像顯示成灰度圖像，并建立其坐標(biāo)系；

圖像濾波模塊43，利用中值濾波器模板對灰度圖像進(jìn)行濾波以平滑圖像、去除噪音；

閾值分割模塊44，利用灰度直方圖，選取直方圖的閾值作為最小值，根據(jù)閾值對圖像進(jìn)行二值化處理，分割為熔池像素點(diǎn)和非熔池像素點(diǎn)；

數(shù)據(jù)傳輸模塊45，將處理得到的圖像輸出至計(jì)算機(jī)7并保存。

所述二極管控制器6光采集模塊61、程控放大器62、低通濾波器63、ad采集卡64、數(shù)據(jù)傳輸模塊65；

光采集模塊61，用于控制光電二極管8采集熔池的可見光信號；

程控放大器62，程控放大器62根據(jù)輸入信號的大小，自動改變其增益，使其輸出電壓始終保持在滿量程值的范圍之內(nèi)；

低通濾波器63，由于輸出信號中含有高頻噪聲，利用低通濾波器63抑制高頻噪聲；

ad采集卡64，用來采集傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識別的數(shù)字信號，然后送入計(jì)算機(jī)，根據(jù)不同的需要進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理，得出所需的數(shù)據(jù)；

數(shù)據(jù)傳輸模塊65，將處理得到的數(shù)據(jù)輸出至計(jì)算機(jī)7并保存。

所述coms高速攝像機(jī)3像素分辨率不低于1024×1024，在全分辨率的條件下可達(dá)到75幀/秒；整體快門最短曝光時間為1us；120db的大動態(tài)范圍；光譜范圍400-950nm，8位采樣分辨率。熔池形態(tài)特征通過cmos高速攝像機(jī)3來監(jiān)控測量。熔池亮度特征通過光電二極管模塊5監(jiān)控測量。

所述光電二極管8為si光電二極管，其具有9×9mm有效面積，單個si光電二極管感光面積為3×3mm，具有190-1100nm的光譜范圍，聚焦透鏡9將整個熔池發(fā)射的輻射聚焦在si光電二極管平面上。

所述第一濾光片13和第二濾光片14用于濾出所需的熔池采集波段；其中，第一濾光片13位于coms高速攝像機(jī)3和分束鏡15之間，采用了中心波長處于600～650nm范圍內(nèi)的窄帶濾光片，以保證coms高速攝像機(jī)3的光譜靈敏度；第二濾光片14位于光電二極管8和分束鏡15之間，采用具有截至波長為950nm的低通濾光片和具有截至波長為780nm的高通濾光片的組合，以避免傳感器暴露于可能的反射激光輻射，并且排除周圍光線的影響。

一種激光選區(qū)熔化加工過程同軸監(jiān)測方法，其包括如下步驟：

s1：開始進(jìn)行激光選區(qū)熔化零件成型；激光從激光頭2射出，經(jīng)半透半反鏡12反射進(jìn)入掃描振鏡11，再投射到工作臺10基板表面金屬粉末上，實(shí)現(xiàn)金屬粉末的激光選區(qū)熔化作業(yè)；

s2：在激光選區(qū)熔化作業(yè)過程中，熔池輻射經(jīng)過掃描振鏡11投射到半透半反鏡12，半透半反鏡12將100％反射1064nm激光波長，而讓可見光和近紅外光100％透射至分束鏡15；分束鏡15將30％的發(fā)射輻射偏轉(zhuǎn)到光電二極管模塊5，70％偏轉(zhuǎn)到coms高速攝像機(jī)3；

s3：將第一濾光片13安放在coms攝像機(jī)3和分束鏡15之間的光傳輸路徑上，以提高coms高速攝像機(jī)3的光譜靈敏度；將第二濾光片14安方在光電二極管8和分束鏡15之間的光傳輸路徑上，避免光電二極管8暴露于可能的反射激光輻射，以排除周圍光線的影響；

s4：coms高速攝像機(jī)3將熔池輻射信息轉(zhuǎn)化為圖像信息并傳輸至攝像機(jī)控制器4；

光電二極管模塊5將熔池亮度反饋至二極管控制器6；

攝像機(jī)控制器4根據(jù)圖像信息得到熔池輪廓，并傳輸至計(jì)算機(jī)7保存；

二極管控制器6向計(jì)算機(jī)7實(shí)時傳輸光強(qiáng)的數(shù)字信號；

s5：通過計(jì)算機(jī)7對激光參數(shù)進(jìn)行修改，進(jìn)而提升激光選區(qū)熔化設(shè)備成型的穩(wěn)定性和加工件質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)激光選區(qū)熔化過程的閉環(huán)控制。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：

(1)本發(fā)明在激光選區(qū)熔化加工過程，同軸監(jiān)測通過比較熔池面積和熔池亮度，這樣的信號比較直觀并且打印過程完成后在三維模型上立即進(jìn)行評估，用戶可以根據(jù)位置追溯每個零件的打印過程。在打印過程中零件內(nèi)部產(chǎn)生的影響可以更好的檢測并分析。

(2)本發(fā)明同軸監(jiān)測是基于在同一平面上分布的高速攝像機(jī)和光電二極管兩個探測器，二者與激光器共用同一套光學(xué)系統(tǒng)，通過激光光學(xué)與精確定位實(shí)現(xiàn)同軸監(jiān)測，這種方式有利于獲得高的局部分辨率和快速掃描率。傳統(tǒng)的軸外監(jiān)測有一個較低的分辨率和檢出率，不能夠把熔池描述的更精細(xì)。同軸監(jiān)測裝置具有高的局部分辨率和快速掃描速率，監(jiān)控識別熔池的面積和熔池的亮度，可用于識別對應(yīng)的過程控制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明激光選區(qū)熔化加工過程同軸監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，光路上的線條表示：實(shí)線表示激光輻射路徑，虛線表示熔池輻射路徑，箭頭方向?yàn)檩椛浞较蚵窂健?/p>

圖2為本發(fā)明激光選區(qū)熔化加工過程同軸監(jiān)測裝置電氣方框示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述。

實(shí)施例

如圖1、2所示。本發(fā)明公開了一種激光選區(qū)熔化加工過程同軸監(jiān)測裝置，包括光路模塊1、光電二極管模塊5、二極管控制器6、激光頭2、coms高速攝像機(jī)3、攝像機(jī)控制器4、計(jì)算機(jī)7；

所述光電二極管模塊5包括聚焦透鏡9和光電二極管8；光電二極管8通過二極管控制器6電訊連接計(jì)算機(jī)7；coms高速攝像機(jī)3通過攝像機(jī)控制器4電訊連接計(jì)算機(jī)7；

所述光路模塊1包括掃描振鏡11、半透半反鏡12、第一濾光片13、第二濾光片14、分束鏡15；所述掃描振鏡11、半透半反鏡12、分束鏡15、第二濾光片14、聚焦透鏡9、光電二極管8依次光路連接；coms高速攝像機(jī)3通過第一濾光片13與分束鏡15光路連接；激光頭2與半透半反鏡12光路連接。

所述攝像機(jī)控制器4包括圖像采集模塊41、圖像轉(zhuǎn)換模塊42、圖像濾波模塊43、閾值分割模塊44、數(shù)據(jù)傳輸模塊45；

圖像采集模塊41，使用觸發(fā)采集系統(tǒng)來確保兩個控制器同時采樣，使用邏輯“與”將產(chǎn)生采樣頻率的連續(xù)方波的外部振蕩器信號和控制激光功率的開關(guān)信號組合，用于控制所述coms高速攝像機(jī)3采集所述熔池的實(shí)時圖像數(shù)據(jù)，并保存于內(nèi)存中；

圖像轉(zhuǎn)換模塊42，將反饋至coms高速攝像機(jī)3的彩色圖像顯示成灰度圖像，并建立其坐標(biāo)系；

圖像濾波模塊43，利用中值濾波器模板對灰度圖像進(jìn)行濾波以平滑圖像、去除噪音；

閾值分割模塊44，利用灰度直方圖，選取直方圖的閾值作為最小值，根據(jù)閾值對圖像進(jìn)行二值化處理，分割為熔池像素點(diǎn)和非熔池像素點(diǎn)；

數(shù)據(jù)傳輸模塊45，將處理得到的圖像輸出至計(jì)算機(jī)7并保存。

所述二極管控制器6光采集模塊61、程控放大器62、低通濾波器63、ad采集卡64、數(shù)據(jù)傳輸模塊65；

光采集模塊61，使用觸發(fā)采集系統(tǒng)來確保兩個控制器同時采樣，使用邏輯“與”將產(chǎn)生采樣頻率的連續(xù)方波的外部振蕩器信號和控制激光功率的開關(guān)信號組合，用于控制光電二極管8采集熔池的可見光信號；

程控放大器62，程控放大器62根據(jù)輸入信號的大小，自動改變其增益，使其輸出電壓始終保持在(接近)滿量程值的范圍之內(nèi)；

低通濾波器63，由于輸出信號中含有高頻噪聲，利用低通濾波器63抑制高頻噪聲；

ad采集卡64，用來采集傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識別的數(shù)字信號，然后送入計(jì)算機(jī)，根據(jù)不同的需要進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理，得出所需的數(shù)據(jù)；

數(shù)據(jù)傳輸模塊65，將處理得到的數(shù)據(jù)輸出至計(jì)算機(jī)7并保存。

所述coms高速攝像機(jī)3像素分辨率不低于1024×1024，在全分辨率的條件下可達(dá)到75幀/秒；整體快門最短曝光時間為1us；120db的大動態(tài)范圍；光譜范圍400-950nm，8位采樣分辨率。

所述光電二極管8為si光電二極管，其具有9×9mm有效面積，單個si光電二極管感光面積為3×3mm，具有190-1100nm的光譜范圍，聚焦透鏡9將整個熔池發(fā)射的輻射聚焦在si光電二極管平面上。

所述第一濾光片13和第二濾光片14用于濾出所需的熔池采集波段；其中，第一濾光片13位于coms高速攝像機(jī)3和分束鏡15之間，采用了中心波長處于600～650nm范圍內(nèi)的窄帶濾光片，以保證coms高速攝像機(jī)3(較高)的光譜靈敏度；第二濾光片14位于光電二極管8和分束鏡15之間，采用具有截至波長為950nm的低通濾光片和具有截至波長為780nm的高通濾光片的組合，以避免傳感器暴露于可能的反射激光輻射，并且排除周圍光線的影響。

本發(fā)明激光選區(qū)熔化加工過程同軸監(jiān)測方法，可通過如下步驟實(shí)現(xiàn)：

s1：開始進(jìn)行激光選區(qū)熔化零件成型；激光從激光頭2射出，經(jīng)半透半反鏡12反射進(jìn)入掃描振鏡11，再投射到工作臺10基板表面金屬粉末上，實(shí)現(xiàn)金屬粉末的激光選區(qū)熔化作業(yè)；

s2：在激光選區(qū)熔化作業(yè)過程中，熔池輻射經(jīng)過掃描振鏡11投射到半透半反鏡12，半透半反鏡12將100％反射1064nm激光波長，而讓可見光和近紅外光100％透射至分束鏡15；分束鏡15將30％的發(fā)射輻射偏轉(zhuǎn)到光電二極管模塊5，70％偏轉(zhuǎn)到coms高速攝像機(jī)3；

s3：將第一濾光片13安放在coms攝像機(jī)3和分束鏡15之間的光傳輸路徑上，以提高coms高速攝像機(jī)3的光譜靈敏度；將第二濾光片14安方在光電二極管8和分束鏡15之間的光傳輸路徑上，避免光電二極管8暴露于可能的反射激光輻射，以排除周圍光線的影響；

s4：coms高速攝像機(jī)3將熔池輻射信息轉(zhuǎn)化為圖像信息并傳輸至攝像機(jī)控制器4；

光電二極管模塊5將熔池亮度反饋至二極管控制器6；

攝像機(jī)控制器4根據(jù)圖像信息得到熔池輪廓，并傳輸至計(jì)算機(jī)7保存；

二極管控制器6向計(jì)算機(jī)7實(shí)時傳輸光強(qiáng)的數(shù)字信號；

s5：通過計(jì)算機(jī)7對激光參數(shù)進(jìn)行修改，進(jìn)而提升激光選區(qū)熔化設(shè)備成型的穩(wěn)定性和加工件質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)激光選區(qū)熔化過程的閉環(huán)控制。

如上所述，便可較好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。

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)。