專利名稱：激光加工裝置及監測方法
技術領域：
本發明涉及金屬零件加工領域，尤其是一種采用激光快速熔覆成型技術中的監測工藝。
背景技術：
目前，用于直接制造金屬零件的快速原型制造技術主要有兩類(1)選區激光燒結(Selective Laser Sintering ；SLS) ； (2)激光熔覆為基的金屬件直接成型技術。SLS制造金屬零件的方法包括采用低熔點金屬或有機粘接材料包覆在金屬粉末表面，選區激光照射時，在激光作用下低熔點金屬或粘接材料熔化，而金屬粉末不熔化，形成的三維實體為類似粉末冶金燒結的坯件，實體存在一定比例孔隙，一般為60%左右，遠不能達到100%的密度。金屬零件成型后，需再經過后處理，一般采用高溫燒結或滲金屬的方法，使成型件致密化。這種方法的設備配置方面采用50—200W的(X)2激光器，光斑尺寸 0. 1—0. 7mm，由于激光的功率密度不高，工業上難應用于金屬粉末的燒結，多用于工程塑料或有機材料粉末的燒結。激光熔覆為基的金屬件直接成型技術，美國稱之為LENS (Laser Engineered Net taping)，在德國稱之為LG(Laser Generating)，在我國也稱為“激光熔覆快速成型”、“激光近形制造”或簡稱“激光快速成型”。該方法采用一種同軸環形粉末噴嘴，大功率Nd: YAG 固體激光器或(X)2激光器，輸送的粉末匯聚點與激光作用點重合，通過工作臺或噴嘴移動， 獲得堆積的熔覆實體，致密度達到近乎100%，組織具有快速凝固特征，性能較常規方法略有提高。在激光堆積過程中，激光光頭和工作臺之間的距離由于受到氣流、粉流的不穩定以及各種隨機因素的影響，經常會出現波動。而這種波動將會導致激光加工功率的不穩定， 使得熔覆產品表面出現不平整，嚴重影響激光加工的品質。因此對激光光頭和工作臺的間距進行監測成為工藝的關鍵因素。在一種現有的監測技術中，采用紅外光電傳感器對該間距進行監測。但監測效果不好，主要原因是激光堆積過程中高功率強光與工件升溫時放出的紅外線對檢測光信息的干擾。因此，有必要提出一種新的監測手段，以克服現有技術中激光光強和工件表面溫度對監測效果的影響。

發明內容
有鑒于此，本發明提出一種激光加工裝置的監測裝置，該監測裝置能夠避開由激光和紅外光的干擾，對整個激光堆積過程實施準確的監測，并且還提供了運用該監測裝置的監測方法，該監測方法能夠實時在線的監測激光堆積過程中激光光頭和工作臺之間的間距，并在該間距出現波動時對激光光頭進行及時調整。根據本發明的目的提出的一種激光加工裝置，包括監測裝置、激光光頭、工作臺和粉末噴嘴，其中監測裝置包括圖像攝取單元，攝取激光光頭和工作臺之間的圖像；圖像處理單元，將所述圖像攝取單元攝取到的圖像進行像素化處理，并判斷得到激光光頭和工作臺的像素位置；計算單元，將上述激光光頭和工作臺的像素位置轉換成坐標位置，并得到激光光頭和工作臺之間的距離；以及控制單元，根據上述激光光頭和工作臺之間的距離對激光光頭進行調整。優選的，所述圖像攝取單元電荷耦合元件。優選的，所述圖像攝取單元還包括定時器，該定時器控制圖像攝取單元攝取圖像的時間間隔。根據本發明的目的提出的一種激光加工裝置的監測方法，使用上述的監測裝置， 包括步驟1)攝取激光加工裝置處于試堆積時的激光光頭和工作臺之間的初始圖像；2)對該初始圖像進行像素化處理，并依據處理后的圖像確定激光光頭和工作臺的掃描位置參數；3)攝取激光加工裝置處于堆積過程中的激光光頭和工作臺之間的工作圖像；4)對該工作圖像進行像素化處理，并在所述掃描位置參數范圍內分別掃描出激光光頭和工作臺的像素位置；5)將該像素位置換算成坐標位置，并依據該坐標位置計算得到激光光頭和工作臺之間的間距；6)根據該間距調整該激光光頭的位置。優選的，所述步驟2、中對初始圖像進行像素化處理后，還包括計算每個像素點的 RGB值，根據該RGB值確定所述掃描位置參數。優選的，所述步驟幻中的掃描位置參數包括激光光頭的上邊界(Yl)、下邊界 (Y2)；工作臺的上邊界(TO)、下邊界(Y4)；以及左邊界(Xl)和右邊界(X2)。優選的，所述步驟4)中對工作圖像進行像素化處理后，在所述激光光頭的上邊界 (Y1)、下邊界(Y2)，以及左邊界(Xl)和右邊界、\1、的范圍內，計算每個像素點的RGB值，將 RGB值最大的點定位為所述激光光頭像素位置。優選的，所述步驟4)中對工作圖像進行像素化處理后，在所述工作臺的上邊界 (Y3)、下邊界(W)，以及左邊界(Xl)和右邊界(X2)的范圍內，計算每個像素點的RGB值，將 RGB值最大的點定位為所述工作臺的像素位置。優選的，還包括設定攝取工作圖像的時間間隔，并按該時間間隔在整個堆積過程中對所述工作圖像進行連續攝取。上述的監測裝置，通過圖像攝取裝置代替傳統監測工藝中的紅外探測器，實現非接觸式的監測工藝，從而避免了傳統工藝中容易受激光和工件表面高溫引起的紅外干擾的問題，并且利用計算和控制單元實現在線的實時監測，使得監測的精確度和時效性大大提
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為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本發明的激光加工裝置的結構示意圖；圖2是本發明的監測方法的步驟流程圖。
具體實施例方式請參見圖1，圖1是本發明的激光加工裝置的結構示意圖。如圖所示，該激光加工裝置用于激光快速熔覆成型工藝，包括激光光頭11、加工臺12、粉末噴嘴(圖中未示出)和監測裝置。所述激光光頭11將由激光器13產生的一束激光束射向工作臺12，該激光器13 為大功率Nd:YAG固體激光器或0)2激光器。所述工作臺12用于放置一加工工件，激光光頭在該加工工件上進行激光堆積操作。所述粉末噴嘴集成于激光光頭11中，該粉末噴嘴連接在一外部供粉裝置14上，通過將供粉裝置14上供的金屬粉噴灑在激光光頭11下方，接收激光的高溫熔融操作，從而形成熔覆效果。所述監測裝置包括圖像攝取單元21、圖像處理單元22、計算單元23和控制單元 M。所述圖像攝取單元21攝取激光光頭和工作臺之間的圖像，該圖像攝取單元21比如是電荷耦合元件(CCD)，或者是其它具有攝像功能的器件。通過固定裝置將該圖像攝取單元 21固定于工作臺12或其它地方，使得激光光頭11和工作臺12之間的影像能夠進入圖像攝取單元21的拍攝范圍。進一步地，該圖像攝取單元21上具有定時器(圖中未示出)，該定時器具有控制圖像攝取單元開關的功能，從而使得圖像攝取單元21具有在指定時間內進行圖像攝取的功能。所述圖像處理單元22連接圖像攝取單元21，接收圖像攝取單元21的攝取的圖像， 將該圖像進行像素化處理，并判斷得到激光光頭和工作臺的像素位置。所述像素化處理是一種對圖像的數字處理技術，即將圖像視為由多個最小基本點組成，每個點構成該圖像的像素。像素點只反映該點上的顏色信息，所謂顏色信息用R、G、B三原色的值來表示，比如在一種表示方法中，將RGB的值賦予0-765個臺階，當RGB的值分別達到765時，表示該點的顏色為白色，而RGB的值分別為0時，該店的顏色為黑色。在圖像攝取單元21攝取的圖像中，由于激光光頭11和工作臺12分別是激光發出單位和激光照射單位，所以這兩處的光亮最強，反映在圖片上就是RGB的值比較大，根據這個特性可以判斷，整個圖片中RGB集中比較大區域就是激光光頭11和工作臺12的區域。進一步的，在這區域中RGB值最大的點可以認為是激光光頭11發出激光的點和工作臺12接收激光的點。如此可以判定激光光頭 11和工作臺12的在圖像中的像素位置。所述計算單元23連接在圖像處理單元22上。得到激光光頭11和工作臺12的在圖像中的像素位置后，利用所述計算單元23將這兩個像素位置轉換成坐標位置，并得到激光光頭和工作臺之間的距離。具體地，可以在像素化之后的圖像上設定坐標，該坐標的原點比如是圖像中心位置或者任意一角位置，按照像素的排布定義一個單位長度，從而得出激光光頭11和工作臺12的坐標位置，然后將坐標的單位長度與實際長度單位(比如是毫米 (mm))，進行等比例計算，從而得到激光光頭11和工作臺12之間的間距大小。
所述控制單元M可以根據上述激光光頭11和工作臺12之間的間距對激光光頭進行調整。這里的調整是指調整激光光頭11和工作臺12之間的相對位置，比如利用安裝在激光光頭11上的步進電機和運動控制卡(PMAC)，對激光光頭11做上下的調整，使得激光光頭11和工作臺12直接的距離始終保持在激光能夠以最佳的工作能量作用于金屬粉末上，從而保證產品的形成質量。下面，在對利用本發明的監測裝置對激光加工裝置在進行激光堆積過程中監測方法做詳細說明。請參見圖2，圖2是本發明的監測方法的步驟流程圖。如圖所示，本發明的監測方法包括步驟Sll 攝取激光加工裝置處于試堆積時的激光光頭和工作臺之間的初始圖像。激光加工裝置處于試堆積時，激光光頭和工作臺之間以額定間距相對靜止，利用圖像攝取裝置攝取此時的初始圖像，一方面可以調節圖像攝取裝置的拍攝位置和焦距，使得圖像攝取裝置能夠清晰的攝取到圖像，另一方面可以將該初始圖像作為參考依據，設定一些初始參數。S12 對該初始圖像進行像素化處理，并依據處理后的圖像確定激光光頭和工作臺的掃描位置參數。圖像處理裝置在接收該初始圖像的數據后，對該初始圖像進行像素化處理，得到該圖像的像素信息。然后計算每個像素點的RGB值，根據該RGB值的大小，確定激光光頭和工作臺的區域像素位置，將這個區域像素位置設定為正式開始監測時的掃描位置參數。具體的，該掃描位置參數包括激光光頭的上邊界(γι)、下邊界m ；工作臺的上邊界 (Y3)、下邊界(Y4)；以及左邊界(Xl)和右邊界(X2)。由于激光照射和反射形成的光斑，因此在激光光頭和工作臺處的圖像像素RGB值，往往呈現一個區域性，落在該區域的像素點 RGB值要比區域外的RGB值大，由該區域判斷出激光光頭和工作臺的大致范圍，并將該范圍標定為初始掃描范圍，這樣在正式進行監測時，可以減少像素點的計算量。S13 攝取激光加工裝置處于堆積過程中的激光光頭和工作臺之間的工作圖像。由于激光堆積過程中激光光頭和工作臺之間存在相對移動，因此圖像攝取單元進行圖像攝取的過程實質是一個持續拍攝的過程。進一步的，通過安裝在圖像攝取單元上的定時器，設定拍攝工作圖像的時間間隔，這個時間間隔可以選定匹配激光光頭位移的步長量，這樣在一個步長位移的停頓周期上容易產生的激光光頭和工作臺之間的間距變化就能被同步的攝取到，從而有利于控制單元及時的對激光光頭作出調節。另外在這個時間間隔內，還可以作為后續圖像處理單元和計算單元進行圖像處理和計算的時間。S14:對該工作圖像進行像素化處理，并在所述掃描位置參數范圍內分別掃描出激光光頭和工作臺的像素位置。這里的圖像處理跟第一步試堆積時的圖像處理基本相同，區別點在于由于已經設定好掃描的大致范圍，因此只要在圖像處理時，針對該范圍內的像素點進行RGB值的計算即可。比如要確定激光光頭的像素位置，只要對上邊界(Yl)、下邊界 (Y2)，以及左邊界(Xl)和右邊界(X2)的范圍內的每個像素點，進行RGB值的計算即可。然后將RGB值最大的點定位為所述激光光頭像素位置。同樣對工作臺進行確定，則只要計算上邊界(Y3)、下邊界(Y4)，以及左邊界(Xl)和右邊界、\1、的范圍內每個像素點的RGB值即可，然后將RGB值最大的點定位為所述工作臺的像素位置。S15 將該像素位置換算成坐標位置，并依據該坐標位置計算得到激光光頭和工作臺之間的間距。通過計算單元對像素化之后的圖像進行換算，比如按像素點為最小單位建立坐標軸，并計算出激光光頭和工作臺在坐標軸上的位置，然后通過坐標單位與實際尺寸之間的比例關系計算出這兩者之間的間距。S16 根據該間距調整該激光光頭的位置。有了該間距之后可以判斷當前情況下激光光頭是否處于最佳的工作距離，如果不在最佳距離上，則通過控制單元控制安裝在激光光頭上的驅動電機，對激光光頭的位置進行調節。這樣一來就能根據圖像攝取單元反饋過來的圖像信息，實時監測激光光頭的工作情況，使激光光頭和工作臺始終保持在一個恒定的間距上，從而保證加工工件的品質。綜上所述，本發明提出了一種激光加工裝置及其監測方法，該激光加工裝置中的監測裝置利用圖像攝取單元連續攝取激光堆積過程中，激光光頭和工作臺之間的圖像，并通過圖像處理計算出激光光頭和工作臺之間的間距，完成在線的實時監測并控制激光光頭的工作位置，保證了加工工件的品質。對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。 對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
權利要求
1.一種激光加工裝置，包括監測裝置、激光光頭、工作臺和粉末噴嘴，其特征在于所述監測裝置包括圖像攝取單元，攝取激光光頭和工作臺之間的圖像；圖像處理單元，將所述圖像攝取單元攝取到的圖像進行像素化處理，并判斷得到激光光頭和工作臺的像素位置；計算單元，將上述激光光頭和工作臺的像素位置轉換成坐標位置，并得到激光光頭和工作臺之間的距離；以及控制單元，根據上述激光光頭和工作臺之間的距離對激光光頭進行調整。
2.如權利要求1所述的激光加工裝置，其特征在于所述圖像攝取單元為電荷耦合元件。
3.如權利要求1所述的激光加工裝置，其特征在于所述圖像攝取單元還包括定時器， 該定時器控制圖像攝取單元攝取圖像的時間間隔。
4.一種激光加工裝置的監測方法，使用如權利要求1所述監測裝置，其特征在于包括步驟1)攝取激光加工裝置處于試堆積時的激光光頭和工作臺之間的初始圖像；2)對該初始圖像進行像素化處理，并依據處理后的圖像確定激光光頭和工作臺的掃描位置參數；3)攝取激光加工裝置處于堆積過程中的激光光頭和工作臺之間的工作圖像；4)對該工作圖像進行像素化處理，并在所述掃描位置參數范圍內分別掃描出激光光頭和工作臺的像素位置；5)將該像素位置換算成坐標位置，并依據該坐標位置計算得到激光光頭和工作臺之間的間距；6)根據該間距調整該激光光頭的位置。
5.如權利要求4所述的監測方法，其特征在于所述步驟幻中對初始圖像進行像素化處理后，還包括計算每個像素點的RGB值，根據該RGB值確定所述掃描位置參數。
6.如權利要求4所述的監測方法，其特征在于所述步驟2)中的掃描位置參數包括激光光頭的上邊界(Yl)、下邊界m ；工作臺的上邊界(TO)、下邊界(Y4)；以及左邊界(Xl) 和右邊界(X2)。
7.如權利要求6所述的監測方法，其特征在于所述步驟4)中對工作圖像進行像素化處理后，在所述激光光頭的上邊界(Yl)、下邊界(Y2)，以及左邊界(Xl)和右邊界腦的范圍內，計算每個像素點的RGB值，將RGB值最大的點定位為所述激光光頭像素位置。
8.如權利要求6所述的監測方法，其特征在于所述步驟4)中對工作圖像進行像素化處理后，在所述工作臺的上邊界(Y3)、下邊界(W)，以及左邊界(Xl)和右邊界腦的范圍內，計算每個像素點的RGB值，將RGB值最大的點定位為所述工作臺的像素位置。
9.如權利要求4所述的監測方法，其特征在于還包括設定攝取工作圖像的時間間隔， 并按該時間間隔在整個堆積過程中對所述工作圖像進行連續攝取。
全文摘要
一種激光加工裝置，該激光加工裝置用于激光快速熔覆成型工藝中，包括監測裝置、激光光頭、工作臺和粉末噴嘴，其中該監測裝置包括圖像攝取單元、圖像處理單元、計算單元和控制單元，通過圖像攝取單元連續攝取激光堆積過程中，激光光頭和工作臺之間的圖像，并通過圖像處理計算出激光光頭和工作臺之間的間距，完成在線的實時監測并控制激光光頭的工作位置，保證了加工工件的品質。同時本發明還提出一種運用上述監測裝置的監測方法。
文檔編號B22F3/105GK102517579SQ201210004638
公開日2012年6月27日 申請日期2012年1月9日 優先權日2012年1月9日
發明者傅戈雁, 姚立忠, 石世宏, 郭開波 申請人:蘇州大學