專利名稱：一種基于ccd視覺定位的復雜零件制造方法及其設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及激光加工設備，具體是一種基于CCD視覺定位的復雜零件制造方法及其設備。
背景技術：
目前用于加工金屬零件的技術包括車床加工、銑床加工等傳統機加工技術和包括激光熔覆、電子束選區激光熔化選擇性激光燒結和選區激光熔化等新興激光快速成型技術。其中選區激光熔化快速成型技術激光聚焦后具有細小的光斑，容易獲得高密度、高的尺寸精度(達O. Imm)及良好的表面粗糙度α^30-50μπι)的金屬零件。機械加工是一種用加工機械對工件的外形尺寸或性能進行改變的過程。按被加工的工件處于的溫度狀態，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或物相變化，稱冷加工。一般在高于常溫狀態的加工，會引起工件的化學或物相變化，稱熱加工。冷加工按加工方式的差別可分為切削加工和壓力加工。熱加工常見有熱處理、鍛造、鑄造和焊接。加工所需要的機械包括數顯銑床、數顯成型磨床、數顯車床、電火花機、萬能磨床、鉆床、沖壓機、壓鑄機等專用機械設備，此類機械擅長金屬零件的車、銑、刨、磨等加工，可以加工各種不規則形狀零件，加工精度可達2 μ m。選區激光熔化是一種目前較為先進的激光快速成型技術，它的基本原理是先在計算機上設計出零件的三維實體模型，然后通過專用軟件對該三維模型進行切片分層，得到各截面的輪廓數據，將這些數據導入快速成型設備，設備將按照這些輪廓數據，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。選區激光熔化制造個性化零件的優勢(I)個性化適合各種復雜形狀的零件，尤其適合帶有非線性曲面的或者內部有復雜異型結構(如空腔)、用傳統方法無法制造的個性化工件；(2)快速制造直接制成終端金屬零件,省掉中間過渡環節；(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，使得加工出來的個性化金屬零件具有很高的尺寸精度(達O. Imm)以及好的表面粗糙度(Ra30-50 μm)；(4)致密度高在選區內熔化金屬制造出來的零件具有冶金結合的實體，相對致密度接近100%，力學性能甚至超過鑄造件；(5)材料種類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的金屬，使得用單一成分的金屬粉末來制造零件成為可能，而且可供選用的金屬粉末種類也得到拓展。目前，很多尺寸較大的零件都是分為結構復雜的部分和結構簡單的部分。這樣的零件用傳統機加工方法加工，外形復雜的部分難于成型，難于滿足精度要求。若是用選區激光熔化方法加工的話，成型時間太長，耗材較大，成本很高，體現不出選區激光熔化快速成型的優勢。

發明內容
本發明的目的在于針對機加工和選區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視覺定位的復雜零件制造方法及其設備。本發明通過下述技術方案實現一種基于CXD視覺定位的復雜金屬零件制造設備，包括光纖激光器、光束聚焦系統、同軸視覺定位系統、粉末鋪設系統；所述光束聚焦系統，包括擴束鏡、掃描振鏡和F- 0組合透鏡；所述同軸視覺定位系統，包括鍍膜反射鏡片、C⑶和照明裝置； 所述粉末鋪設系統，包括成型缸、粉末缸、鋪粉刮板、控制系統，所述成型缸和粉末缸設有粉末升降機構，鋪粉刮板設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；所述鋪粉刮板、粉末升降機構與控制系統相連接；所述光纖激光器與光束聚焦系統相連接，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；所述同軸視覺定位系統、光纖激光器分別與控制系統相連接。所述鋪粉刮板和粉末升降機構通過驅動電機與控制系統相連接。所述密封成型室內充裝有惰性氣體，惰性氣體采用氬氣或氮氣中的一種。一種基于CXD視覺定位的復雜金屬零件制造方法，包括如下步驟首先用機加工方法加工出零件外形的簡單部分，將零件固定在成型缸中，接著用CAD三維軟件設計出零件外形的復雜部分，然后將三維模型進行切片，并利用軟件生成掃描路徑；然后通過同軸視覺定位系統對零件進行視覺定位，照明裝置發射經過擴束后的照明激光，照射到零件外形的簡單部分的表面；照明激光依次經過組合透鏡、掃描振鏡和鍍膜反射鏡片發射到CCD ；CCD獲取一幀零件結合面的圖像，該零件結合面的圖像經過量化處理后變為數字圖像發送到控制系統中；接著利用定位軟件開始對采集的該零件結合面的圖像進行標定、定位數據分析，找出零件結合面的中心點，令待加工零件的第一層圖像中心與獲取的零件結合面的圖像中心相重合；接著檢測并計算出這兩個圖像間錯開的角度，沿著Z軸旋轉切片數據，通過閉環控制，不斷減小錯開角度，獲得所需的接合精度；用選區激光熔化方法加工零件外形復雜的部分，激光從光纖激光器中輸出，經擴束鏡擴束后，完全透過鍍膜反射鏡片，照射在掃描振鏡表面，然后經過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。在選區激光熔化方法加工零件外形復雜的部分的過程中，為了增強零件的復雜部分與簡單部分的結合面的強度，采用如下方法(I)對基板進行預熱，進行激光空掃描，使基板表層升到所需溫度；(2)開始選區激光熔化加工之后，控制鋪粉層厚(范圍在10 30um)；(3)對零件的結合面預先溝邊、采取XY正交層錯掃描策略和低速度掃描，提高結合強度。與現有技術相比，本發明具有以下優點I、使得大尺寸在500X500X300mm范圍內的復雜金屬零件的高效率制造成為可能，提高了生產效率。假如完全用機加工方法制造，則外形較為復雜零件難于成型；假如完全用選區激光熔化方法制造較大尺寸的零件，則需要花費較多的時間，效率低。2、降低了生產成本。完全利用選區激光熔化的方法制造大尺寸的簡單形狀零件，需要的成本較高。采用本發明的新制造方法可以極大地降低生產成本。3、采用臨近波長的激光器和照明光源，可以降低CXD圖像傳感器識別出的加工平面位置和實際激光作用位置的誤差，提高CCD同軸定位精度。4、本發明基于CCD視覺定位的復雜零件制造設備，結構簡單，便于推廣應用。


圖I是本發明基于CCD視覺定位的復雜零件制造設備的結構示意圖。圖2是視覺定位過程圖。圖3是零件成型效果圖示意圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明作進一步具體詳細描述。實施例如圖I所示，本發明基于CXD視覺定位的復雜金屬零件制造設備，包括光纖激光器
I、光束聚焦系統、同軸視覺定位系統、粉末鋪設系統；所述光束聚焦系統，包括擴束鏡3、掃描振鏡6和F-0組合透鏡7 ;所述同軸視覺定位系統，包括鍍膜反射鏡片5、(XD 4和照明裝置8 ;所述粉末鋪設系統，包括成型缸13、粉末缸14、鋪粉刮板11、控制系統16，所述成型缸13和粉末缸14設有粉末升降機構15,鋪粉刮板11設置于成型缸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(圖中未不出);所述鋪粉刮板11、粉末升降機構15與控制系統16相連接；所述光纖激光器I與光束聚焦系統相連接，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；照明裝置8采用擴束后的激光照明，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相近。照明激光是人眼不可見激光，但CCD 4感光范圍能達到紅外波段，故能起到照明作用。所述同軸視覺定位系統、光纖激光器I分別與控制系統16相連接。所述鋪粉刮板11和粉末升降機構15通過驅動電機與控制系統16相連接。所述密封成型室內充裝有惰性氣體，惰性氣體為氬氣或氮氣中的一種。光纖激光器I采用輸出功率400W，光束質量因子M2〈l. 1，波長1090nm的光纖激光器，采用連續模式，光束直徑內能量呈現高斯分布。光纖激光器I的波長1090nm，照明裝置8的光波長1070nm，采用臨近波長的光纖激光器和照明裝置8，可以降低CCD4的圖像傳感器識別出零件的加工平面位置和實際激光作用位置的誤差，提高CCD4的同軸定位精度。(XD4選用日本生產的TG2Z1816—FCS型CXD攝像頭，其主要優點是體積小、靈敏度高及分辨率高等。主要技術指標如下鏡頭焦距為I. 8^3. 6mm ;鏡頭像面為4. 9mmX3. 7mm ；有效像素為510(水平)X492(垂直)；目標距離為0.2 Im;其中反射鏡片45°角擺放，通過鍍膜實現照明光45°全反，激光45°全透。掃描振鏡6采用scanlab公司的Hurryscan20型號，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。以下結合圖2、圖3說明基于CXD視覺定位的復雜金屬零件制造方法第一步首先用機加工方法加工出零件外形的簡單部分10，將零件固定在成型缸13中，接著用CAD三維軟件設計出零件外形的復雜部分，然后將三維模型進行切片，并利用軟件生成掃描路徑；然后通過同軸視覺定位系統對零件進行視覺定位，照明裝置8發射經過擴束后的照明激光9，照射到零件外形的簡單部分10的表面；照明激光9依次經過組合透鏡7、掃描振鏡6和鍍膜反射鏡片5 (角度為45° )發射到(XD4 ;(XD4獲取一幀零件結合面17的圖 像，該零件結合面17的圖像經過量化處理后變為數字圖像發送到控制系統16中；接著利用定位軟件開始對采集的該零件結合面17的圖像進行標定、定位數據分析，找出零件結合面17的中心點19，令待加工零件的第一層圖像18中心與獲取的零件結合面17的圖像中心相重合；接著檢測并計算出這兩個圖像間錯開的角度20，沿著Z軸旋轉切片數據，通過閉環控制，不斷減小錯開角度20，獲得所需的接合精度；第二步用選區激光熔化方法加工零件外形復雜的部分24，激光2從光纖激光器I中輸出，經擴束鏡3擴束后，完全透過鍍膜反射鏡片5，照射在掃描振鏡6表面，然后經過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。在選區激光熔化方法加工零件外形復雜的部分的過程中，為了增強零件的復雜部分與簡單部分的結合面的強度，采用如下方法(I)對基板進行預熱，進行激光空掃描，使基板表層升到所需溫度；(2)開始選區激光熔化加工之后，控制鋪粉層厚，控制范圍在10 30um；(3)對零件的結合面預先溝邊、采取XY正交層錯掃描策略和低速度掃描，提高結合強度。上述工藝也適用于不同的材料進行結合，以下的異種金屬較容易結合鋼與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，便可較好地實現本發明。上述實施例僅為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種基于CXD視覺定位的復雜金屬零件制造設備，包括光纖激光器、光束聚焦系統、同軸視覺定位系統、粉末鋪設系統，其特征在于 所述光束聚焦系統，包括擴束鏡、掃描振鏡和F- Θ組合透鏡； 所述同軸視覺定位系統，包括鍍膜反射鏡片、CXD和照明裝置； 所述粉末鋪設系統，包括成型缸、粉末缸、鋪粉刮板、控制系統，所述成型缸和粉末缸設有粉末升降機構，鋪粉刮板設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；所述鋪粉刮板、粉末升降機構與控制系統相連接； 所述光纖激光器與光束聚焦系統相連接，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； 所述同軸視覺定位系統、光纖激光器分別與控制系統相連接。
2.根據權利要求I所述的基于CXD視覺定位的復雜金屬零件制造設備，其特征在于所述鋪粉刮板和粉末升降機構通過驅動電機與控制系統相連接。
3.根據權利要求I所述的基于CCD視覺定位的復雜金屬零件制造設備，其特征在于所述密封成型室內充裝有惰性氣體。
4.根據權利要求3所述的基于CCD視覺定位的復雜金屬零件制造設備，其特征在于所述惰性氣體為氬氣或氮氣中的一種。
5.一種基于CCD視覺定位的復雜金屬零件制造方法，其特征在于包括如下步驟 首先用機加工方法加工出零件外形的簡單部分，將零件固定在成型缸中，接著用CAD三維軟件設計出零件外形的復雜部分，然后將三維模型進行切片，并利用軟件生成掃描路徑; 然后通過同軸視覺定位系統對零件進行視覺定位，照明裝置發射經過擴束后的照明激光，照射到零件外形的簡單部分的表面；照明激光依次經過組合透鏡、掃描振鏡和鍍膜反射鏡片發射到CCD ；CCD獲取一幀零件結合面的圖像，該零件結合面的圖像經過量化處理后變為數字圖像發送到控制系統中；接著利用定位軟件開始對采集的該零件結合面的圖像進行標定、定位數據分析，找出零件結合面的中心點，令待加工零件的第一層圖像中心與獲取的零件結合面的圖像中心相重合；接著檢測并計算出這兩個圖像間錯開的角度，沿著Z軸旋轉切片數據，通過閉環控制，不斷減小錯開角度，獲得所需的接合精度； 用選區激光熔化方法加工零件外形復雜的部分，激光從光纖激光器中輸出，經擴束鏡擴束后，完全透過鍍膜反射鏡片，照射在掃描振鏡表面，然后經過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.根據權利要求5所述的基于CCD視覺定位的復雜金屬零件制造方法，其特征在于，在選區激光熔化方法加工零件外形復雜的部分的過程中，為了增強零件的復雜部分與簡單部分的結合面的強度，采用如下方法(I)對基板進行預熱，進行激光空掃描，使基板表層升到所需溫度；(2)開始選區激光熔化加工之后，控制鋪粉層厚；(3)對零件的結合面預先溝邊、采取XY正交層錯掃描策略和低速度掃描，提高結合強度。
全文摘要
本發明公開了一種基于CCD視覺定位的復雜零件制造方法及其設備。該方法包括用機加工方法制造出零件外形較為簡單的部分，用視覺定位系統定位好結合面的基準點，之后采用選區激光熔化方法制造出零件外形較為復雜的部分。該裝置包括光纖激光器、光束聚焦系統、同軸視覺定位系統、照明裝置、密封成型室、成型缸、粉末缸、鋪粉刮板和控制系統等組成。本發明能制造出外形復雜的金屬零件，效率高，成本低。
文檔編號B22F3/105GK102825251SQ20121030602
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月24日 優先權日2012年8月24日
發明者王迪, 楊永強, 劉睿誠 申請人:華南理工大學