本發(fā)明涉及增材制造熔池形貌領(lǐng)域，具體涉及一種用于檢測(cè)熔池形貌的裝置和方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光增材制造技術(shù)逐漸成為了一種新型加工方式，對(duì)于加速傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，促進(jìn)我國高端制造業(yè)發(fā)展具有重要作用。目前在國防工業(yè)、航天航空和核電等許多重要行業(yè)有了一定的應(yīng)用，國家也在大力支持增材制造的相關(guān)研究。若能實(shí)現(xiàn)增材制造高精度加工，必然會(huì)引起制造業(yè)的變革。而想要實(shí)現(xiàn)高精度，對(duì)于熔池的研究是必不可少的。熔池是影響加工質(zhì)量好壞的一個(gè)非常重要指標(biāo)，如果可實(shí)現(xiàn)熔池的在線檢測(cè)對(duì)增材制造的研究意義非凡。但是由于熔池存在的時(shí)間短、變化復(fù)雜導(dǎo)致熔池檢測(cè)十分困難。其實(shí)熔池并不是僅僅存在于增材制造中，相對(duì)于焊接工藝、激光熔覆工藝中均存在熔池，但由于增材制造中的熔池的尺寸非常小，干擾多，檢測(cè)更困難。就目前研究情況，對(duì)于熔池的檢測(cè)通常是針對(duì)溫度以及形貌這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行的。我們可以通過控制熔池的特性參數(shù)，來進(jìn)一步控制加工精度。熔池的檢測(cè)對(duì)于增材制造工藝提升具有非常重要的指導(dǎo)意義。

現(xiàn)在存在一些熔池的檢測(cè)方法，但更多的是針對(duì)于傳統(tǒng)的焊接熔池，真正用來檢測(cè)增材制造的熔池較少。檢測(cè)熔池的溫度或者形貌對(duì)于熔池的研究都有重要的意義。其中測(cè)溫法有接觸式和非接觸式，接觸式主要采用熱電偶的方式直接接觸熔池測(cè)量其溫度，并且由于需要接觸只能進(jìn)行單點(diǎn)式的溫度測(cè)量；而非接觸式的有多種方法，包括熱輻射法和CCD(Charge coupled Device)圖像信號(hào)測(cè)溫。熱輻射法通過感知熔池發(fā)出的紅外射線，依靠熱輻射原理來推算熔池溫度，其得到的溫度結(jié)果有較大的誤差；CCD圖像信號(hào)測(cè)溫，利用CCD元件將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像，然后用標(biāo)準(zhǔn)高溫黑體輻射源標(biāo)定，呈現(xiàn)出熔池溫度。測(cè)形法主要是采用高速攝像機(jī)，利用復(fù)合濾光技術(shù)和特殊光源，經(jīng)過一定的處理后得到熔池的形貌。但是在增材制造過程中，由于金屬粉末的快速高溫融化，在熔池周圍形成大量的高溫等離子體，其狀態(tài)與熔池相似，對(duì)于檢測(cè)造成較大的干擾。同時(shí)熔池附近伴隨著強(qiáng)光，對(duì)于熔池圖像的攝取也存在很大的干擾，而且CCD圖像信號(hào)測(cè)溫和高速攝像機(jī)測(cè)形法都要經(jīng)過一系列后處理才能呈現(xiàn)出想要的結(jié)果，并不能及時(shí)得到熔池參數(shù)信息，具有一定的滯后性，很難實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于此，為了解決上述熔池檢測(cè)困難的問題，本發(fā)明公開了一種用于檢測(cè)熔池形貌的裝置，該方法通過利用激光傳感器的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)可以克服在增材制造過程中強(qiáng)光、高溫干擾，能夠?qū)崿F(xiàn)增材制造中熔池的精確、快速檢測(cè)，利用軟件準(zhǔn)確的將熔池的形貌呈現(xiàn)出來。

具體而言，本發(fā)明提供了一種用于檢測(cè)熔池形貌的裝置和方法及應(yīng)用。

本發(fā)明提供了一種用于檢測(cè)熔池形貌的裝置，包括信號(hào)檢測(cè)收集模塊1和數(shù)據(jù)處理模塊2，所述信號(hào)檢測(cè)收集模塊1包括激光傳感器4；所述數(shù)據(jù)處理模塊2包括顯形單元10；所述顯形單元10同所述激光傳感器4連接。

優(yōu)選的，所述信號(hào)檢測(cè)收集模塊1還包括位于激光傳感器4外部的保護(hù)裝置5。

優(yōu)選的，所述保護(hù)裝置5包括保護(hù)外殼6和冷卻裝置7，所述保護(hù)外殼6套在所述激光傳感器4的外部；所述冷卻裝置7通過冷卻管路9同所述保護(hù)外殼6連接。

優(yōu)選的，所述冷卻裝置7包括位于激光傳感器外部的循環(huán)制冷設(shè)備8，所述冷卻管路9包括同所述保護(hù)外殼6連接的進(jìn)管和出管。

優(yōu)選的，所述裝置還包括支撐調(diào)整模塊3。

優(yōu)選的，所述支撐調(diào)整模塊3包括用來調(diào)整激光傳感器4角度的旋轉(zhuǎn)臺(tái)11和角位移臺(tái)12或者包括機(jī)械臂。

優(yōu)選的，所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)11同所述激光傳感器4直接相連，所述角位移臺(tái)12通過所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)11同所述激光傳感器4相連。

優(yōu)選的，所述角位移臺(tái)12同所述激光傳感器4直接相連，所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)11通過所述角位移臺(tái)12同所述激光傳感器4相連。

本發(fā)明還提供了一種用于檢測(cè)熔池形貌的方法，通過信號(hào)檢測(cè)收集模塊1中的激光傳感器4發(fā)射和接收信息，然后將數(shù)據(jù)輸送至數(shù)據(jù)處理模塊2中的顯形單元10，顯形單元10識(shí)別信號(hào)來檢測(cè)出熔池形貌。

優(yōu)選的，所述信號(hào)檢測(cè)收集模塊1還包括位于激光傳感器4外部的保護(hù)裝置5。

優(yōu)選的，所述保護(hù)裝置5包括保護(hù)外殼6和冷卻裝置7，所述保護(hù)外殼6套在所述激光傳感器4的外部；所述冷卻裝置7通過冷卻管路9同所述保護(hù)外殼6連接。

優(yōu)選的，所述冷卻裝置7包括位于激光傳感器外部的循環(huán)制冷設(shè)備8，所述冷卻管路9包括同所述保護(hù)外殼6連接的進(jìn)管和出管。

優(yōu)選的，還包括用來支撐和調(diào)整激光傳感器4的支撐調(diào)整模塊3。

優(yōu)選的，所述支撐調(diào)整模塊3包括用來調(diào)整激光傳感器4角度的旋轉(zhuǎn)臺(tái)11和角位移臺(tái)12或者包括機(jī)械臂。

優(yōu)選的，所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)11同所述激光傳感器4直接相連，所述角位移臺(tái)12通過所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)11同所述激光傳感器4相連。

優(yōu)選的，所述角位移臺(tái)12同所述激光傳感器4直接相連，所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)11通過所述角位移臺(tái)12同所述激光傳感器4相連。

優(yōu)選的，所述信號(hào)檢測(cè)收集模塊1還包括保護(hù)裝置5，通過位于激光傳感器4外部的保護(hù)裝置5來保護(hù)激光傳感器4。

優(yōu)選的，所述保護(hù)裝置5包括保護(hù)外殼6和冷卻裝置7，通過套在所述激光傳感器4的外部的保護(hù)外殼6保護(hù)激光傳感器4；所述冷卻裝置7通過冷卻管路9同所述保護(hù)外殼6連接。

優(yōu)選的，所述冷卻裝置7包括循環(huán)制冷設(shè)備8，通過位于激光傳感器4外部的循環(huán)制冷設(shè)備8實(shí)現(xiàn)激光傳感器4的正常工作，所述冷卻管路9通過進(jìn)管和出管同所述保護(hù)外殼6進(jìn)行連接。

優(yōu)選的，所述方法還包括利用支撐調(diào)整模塊3來調(diào)整激光傳感器4對(duì)準(zhǔn)熔池形貌的角度。

優(yōu)選的，所述支撐調(diào)整模塊3包括用來調(diào)整激光傳感器4角度的旋轉(zhuǎn)臺(tái)11和角位移臺(tái)12或者包括機(jī)械臂。

優(yōu)選的，所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)11同所述激光傳感器4直接相連，所述角位移臺(tái)12通過所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)11同所述激光傳感器4相連。

優(yōu)選的，所述角位移臺(tái)12同所述激光傳感器4直接相連，所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)11通過所述角位移臺(tái)12同所述激光傳感器4相連。

本發(fā)明還提供了以上任一項(xiàng)所述的裝置在熔池形貌檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

優(yōu)選的，所述應(yīng)用為在增材制造熔池形貌領(lǐng)域中的應(yīng)用。

所述信號(hào)探測(cè)收集模塊作為本發(fā)明的光信號(hào)輸出及接收裝置，利用激光傳感器作為工作元件，采用三角測(cè)量原理通過激光傳感器的光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射激光到被測(cè)熔池表面，進(jìn)行光信號(hào)的輸出，其中激光為線狀，由一定數(shù)量的點(diǎn)組成；同時(shí)由于熔池表面形貌輪廓不同，發(fā)射到被測(cè)熔池表面的線激光上不同的點(diǎn)將以一定的角度反射到傳感器的感應(yīng)元件上來接收信號(hào)，接收信號(hào)為點(diǎn)的相對(duì)位置信息。與此同時(shí)，為了配合激光傳感器的正常工作，所述信號(hào)檢測(cè)收集模塊還設(shè)置了保護(hù)裝置，一方面用來防止激光傳感器被碰撞損壞，另一方面使激光傳感器時(shí)刻處于正常溫度下進(jìn)行工作，從而防止由于熔池周圍溫度過高，影響激光傳感器測(cè)定的精確性。

其中，所述保護(hù)裝置包括設(shè)置在激光傳感器外部的保護(hù)外殼以及用來控制激光傳感器溫度，保證激光傳感器正常工作的冷卻裝置。所述保護(hù)外殼用來保護(hù)激光傳感器整體不被碰撞損壞。

所述的數(shù)據(jù)處理模塊中顯形單元接收傳感器傳輸?shù)碾娦盘?hào)，其中電信號(hào)包含著熔池外輪廓點(diǎn)的相對(duì)位置坐標(biāo)信息。由于傳感器連續(xù)掃描熔池，將得到大量點(diǎn)的信息，顯形單元將具有不同位置坐標(biāo)的點(diǎn)組合形成點(diǎn)云圖，重現(xiàn)熔池形貌。

為了能夠保證激光傳感器的激光對(duì)準(zhǔn)熔池，實(shí)現(xiàn)熔池形貌的準(zhǔn)確檢測(cè)，所述檢測(cè)裝置還包括支撐調(diào)整模塊。一方面，所述支撐調(diào)整模塊包括旋轉(zhuǎn)臺(tái)，所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)同所述激光傳感器直接相連；所述支撐調(diào)整模塊還包括角位移臺(tái)，所述角位移臺(tái)通過所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)同所述激光傳感器相連，可實(shí)現(xiàn)激光的方向調(diào)整，保證激光傳感器的信號(hào)發(fā)射口和回收器件對(duì)準(zhǔn)熔池。另一方面，所述角位移臺(tái)同所述傳感器直接相連，所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)通過所述角位移臺(tái)同所述激光傳感器相連，保證激光傳感器的信號(hào)發(fā)射口和回收器件對(duì)準(zhǔn)熔池。

本發(fā)明帶來的增益效果利用激光傳感器的抗強(qiáng)光干擾、耐高溫、可實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)的特點(diǎn)，將收集熔池形貌的信號(hào)及時(shí)輸送至顯形單元中，同步呈現(xiàn)出熔池形貌的連續(xù)變化情況，以此實(shí)現(xiàn)熔池形貌在線檢測(cè)，并根據(jù)熔池的實(shí)際變化趨勢(shì)來快速調(diào)整加工參數(shù)，保證加工質(zhì)量。

下面結(jié)合附圖和各個(gè)具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明及其有益技術(shù)效果進(jìn)行詳細(xì)說明。

附圖說明

圖1為用于檢測(cè)熔池形貌的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中附圖標(biāo)記說明如下：1-信號(hào)檢測(cè)收集模塊、2-數(shù)據(jù)處理模塊、3-支撐調(diào)整模塊、4-激光傳感器、5-保護(hù)裝置、6-保護(hù)外殼、7-冷卻裝置、8-循環(huán)制冷設(shè)備、9-冷卻管路、10-顯形單元、11-旋轉(zhuǎn)臺(tái)、12-角位移臺(tái)。

具體實(shí)施方式

為了解決現(xiàn)有的對(duì)于熔池形貌檢測(cè)的檢測(cè)裝置，其檢測(cè)精度不高的問題，本發(fā)明提供了一種用于檢測(cè)熔池形貌的裝置及方法和應(yīng)用。

具體而言，所述一種用于檢測(cè)熔池形貌的裝置，包括信號(hào)檢測(cè)收集模塊1和數(shù)據(jù)處理模塊2，所述信號(hào)檢測(cè)收集模塊1包括激光傳感器4；所述數(shù)據(jù)處理模塊2包括顯形單元10；所述顯形單元10同所述激光傳感器4連接。

本發(fā)明還提供了一種用于檢測(cè)熔池形貌的方法，通過信號(hào)檢測(cè)收集模塊1中的激光傳感器4發(fā)射和接收信息，然后將數(shù)據(jù)輸送至數(shù)據(jù)處理模塊2中的顯形單元10，顯形單元10識(shí)別信號(hào)來表征出熔池形貌。

激光傳感器的光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射激光到被測(cè)熔池表面，然后利用熔池表面形貌輪廓不同，發(fā)射的激光以一定角度反射到傳感器感應(yīng)元件上接收光信號(hào)，然后利用激光傳感器內(nèi)部單元將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，或者也可以根據(jù)激光傳感器的型號(hào)不同，在外部連接光電轉(zhuǎn)換單元，將激光傳感器的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。

其中，在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式中，所述信號(hào)檢測(cè)收集模塊1還包括位于激光傳感器4外部的保護(hù)裝置。

其中，在本發(fā)明的又一種優(yōu)選實(shí)施方式中，所述用于檢測(cè)熔池形貌的裝置還包括支撐調(diào)整模塊3。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但是這些實(shí)施例僅為本發(fā)明的代表舉例而已，不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明實(shí)施的限定范圍。

實(shí)施例一

實(shí)施例一提供了一種用于檢測(cè)熔池形貌的裝置，包括信號(hào)探測(cè)收集模塊1、數(shù)據(jù)處理模塊2、支撐調(diào)整模塊3。所述信號(hào)探測(cè)收集模塊1包括激光傳感器4和保護(hù)裝置5，所述的保護(hù)裝置5包括保護(hù)外殼6和冷卻裝置7，所述的冷卻裝置7包括循環(huán)制冷設(shè)備8和冷卻管路9；所述數(shù)據(jù)處理模塊2包括顯形單元10；所述支撐調(diào)整模塊3包括旋轉(zhuǎn)臺(tái)11和角位移臺(tái)12。

所述的信號(hào)探測(cè)收集模塊1，通過激光傳感器4采用三角測(cè)量原理發(fā)射激光信號(hào)并接受反射信號(hào)。所述的保護(hù)裝置5保證激光傳感器4正常工作。其中，激光傳感器購自瑞士ELAG，型號(hào)：OMS 16506-4096；所述的保護(hù)外殼6套在激光傳感器的外部，可以避免激光傳感器4受到損害，尤其激光傳感器4的激光透射的鏡片，保護(hù)外殼可以采用不銹鋼材質(zhì)，根據(jù)激光傳感器的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。冷卻裝置7使激光傳感器4一直處于正常工作溫度下，熔池周圍溫度非常高。

所述冷卻裝置7包括位于激光傳感器外部的循環(huán)制冷設(shè)備8，以及由進(jìn)管和出管組成的冷卻管路9。其中，本實(shí)施例中循環(huán)制冷設(shè)備8為水冷機(jī)，其中，水冷機(jī)購自北京長流科學(xué)儀器有限公司，型號(hào)為LX-150Z，通過進(jìn)管將冷水送入激光傳感器的外部的保護(hù)外殼內(nèi)部，經(jīng)出管重新回流到水冷機(jī)。

所述的支撐調(diào)整模塊3包括旋轉(zhuǎn)臺(tái)11和角位移臺(tái)12，支撐調(diào)整模塊3整體固定在工裝上，隨工裝同步運(yùn)動(dòng)。其中旋轉(zhuǎn)臺(tái)11同所述激光傳感器直接相連，角位移臺(tái)12通過所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)11同所述激光傳感器相連，用來調(diào)整激光傳感器4方向，保證信號(hào)的發(fā)射與回收。

所述的信號(hào)探測(cè)收集模塊1主要進(jìn)行熔池?cái)?shù)據(jù)的獲取，并將所得數(shù)據(jù)輸送至顯形單元10，顯形單元10識(shí)別傳感器信號(hào)，使熔池形貌連續(xù)的、實(shí)時(shí)的呈現(xiàn)出來，達(dá)到在線檢測(cè)的目的，并與相關(guān)設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)相關(guān)工藝參數(shù)，保證加工質(zhì)量。

實(shí)施例二

實(shí)施例二與實(shí)施例一的不同之處在于，實(shí)施例二中所述的支撐調(diào)整模塊3包括旋轉(zhuǎn)臺(tái)11和角位移臺(tái)12，其中角位移臺(tái)12同所述激光傳感器直接相連，旋轉(zhuǎn)臺(tái)11通過所述角位移臺(tái)12同所述激光傳感器相連，旋轉(zhuǎn)臺(tái)和角位移臺(tái)用來調(diào)整激光傳感器4方向能夠?qū)?zhǔn)熔池，保證信號(hào)的發(fā)射與回收。

實(shí)施例三

實(shí)施例三與實(shí)施例一的不同之處在于，實(shí)施例三用于檢測(cè)熔池形貌的裝置中的支撐調(diào)整模塊不包括旋轉(zhuǎn)臺(tái)和角位移臺(tái)，僅僅包含機(jī)械臂，將激光傳感器固定在機(jī)械臂上，然后利用機(jī)械臂按照預(yù)定的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而起到調(diào)整激光傳感器的目的。

實(shí)施例四

實(shí)施例四與實(shí)施例一的不同之處在于，實(shí)施例三中激光傳感器采用德國米銥2600-25標(biāo)準(zhǔn)型。循環(huán)制冷設(shè)備8為空冷器，通過進(jìn)管將空氣通入保護(hù)外殼內(nèi)部，經(jīng)出管排出。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。