專(zhuān)利名稱(chēng)：使用激光包層和激光輔助的直接金屬制造工藝中的圖像成像和圖像處理技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用激光包層和直接金屬制造中的圖像成像和圖像處理技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制包層高度的方法。
背景技術(shù)：
激光輔助的直接金屬制造被定義為快速近似凈成形，它是在存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中三維對(duì)象的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)基礎(chǔ)上能夠采用功能材料(比如，金屬、合金、陶瓷等)快速制造成產(chǎn)品制造所必需的三維產(chǎn)品和工具，且屬于“直接金屬加工”的范疇內(nèi)。
三維對(duì)象的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)包括三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)數(shù)據(jù)、醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)X線(xiàn)斷層攝影術(shù)(CT)和核磁共振成像(MRI)數(shù)據(jù)，以及由三維物體數(shù)字化系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，且工具表示的是產(chǎn)品制造所必需的試驗(yàn)和批量生產(chǎn)的模型及模具。
與傳統(tǒng)的制造技術(shù)——例如，電腦數(shù)值控制(CNC)切割、鑄造以及其它制造機(jī)械等——相比，這些技術(shù)可使功能性金屬原型、試驗(yàn)及批量生產(chǎn)的模型、復(fù)雜形狀的成品以及各種工具都能快速地制造。這些技術(shù)可通過(guò)使用反向工程技術(shù)應(yīng)用于模型和模具的恢復(fù)、重鑄和修補(bǔ)。
這些技術(shù)的基本概念與通用的打印機(jī)類(lèi)似，其中，可由CAD數(shù)據(jù)產(chǎn)生物理形狀。直接金屬制造可以通過(guò)將功能性材料以精確的位置形成于三維空間的方式來(lái)產(chǎn)生三維物理形狀，這與打印機(jī)通過(guò)使用存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)內(nèi)文件數(shù)據(jù)在紙張兩維表面上的精確位置噴涂碳或墨水幾乎是一樣的。
由于很難采用傳統(tǒng)制造工藝由CAD數(shù)據(jù)來(lái)產(chǎn)生三維形狀，在該工藝中，將材料切割為一模型或?qū)⑷坭T材料澆入并凝固為一模型，因此必須應(yīng)用材料累加(Incress)制造(MIM)的工藝。
基本上，三維物體是由兩維表面組成，且每個(gè)兩維表面是由一維線(xiàn)條組成。因此，可通過(guò)將一個(gè)兩維表面層疊在另一個(gè)兩維表面上來(lái)制造一個(gè)三維形狀。這種技術(shù)被稱(chēng)為MIM工藝。如

圖1所示，通過(guò)構(gòu)成形狀的附加材料淀積來(lái)制造三維形狀，這不同于傳統(tǒng)的制造工藝，在傳統(tǒng)的制造工藝中，是將大塊的材料切割為模型或?qū)⑷坭T金屬澆入并凝固為模型。
在激光輔助的直接金屬制造技術(shù)中，兩維表面是通過(guò)激光包層的方法物理形成的。
如圖2所示，激光包層技術(shù)可以在樣本的表面形成包層205，所采用的方式為，通過(guò)將激光束202照射在樣本表面201上以形成一局部熔池203，同時(shí)從外部將粉末狀的包層材料(比如，金屬、合金、陶瓷等)饋送到該熔池203。參考圖3，在激光輔助的直接金屬制造中，三維功能金屬產(chǎn)品或工具可快速成形，所采用的方式為，由三維CAD數(shù)據(jù)計(jì)算兩維剖面信息，從而形成包層，每個(gè)包層具有對(duì)應(yīng)于兩維剖面信息的形狀、厚度和/或高度。
用于成形工藝的兩維剖面信息，通過(guò)將三維CAD數(shù)據(jù)切成厚度均勻和/或高度均勻的數(shù)據(jù)或切成厚度變化的兩維數(shù)據(jù)來(lái)完成，這些數(shù)據(jù)可用作成形信息。為了通過(guò)使用剖面信息來(lái)物理地實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)CAD數(shù)據(jù)的精確三維形狀，可通過(guò)激光包層工藝來(lái)形成對(duì)應(yīng)兩維剖面信息的形狀、高度和/或厚度都精確的包層。
上述的工藝大大地影響了三維產(chǎn)品的尺寸精度。特別地，控制包層高度的技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)激光輔助的直接金屬制造技術(shù)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
在激光輔助的直接金屬制造技術(shù)中，如圖2中的激光包層技術(shù)所示，通過(guò)在沿x和y軸方向的固定激光束附近或固定樣本周?chē)募す馐浇迦牒蛡鬟f一金屬襯底(以下稱(chēng)為“樣本”)來(lái)形成包層?？蛇x擇地，該激光束可與該樣本一起傳遞，且可利用三軸或更多軸傳遞系統(tǒng)或機(jī)械手來(lái)增加制造的自由度。
在成形的工藝中，對(duì)應(yīng)兩維剖面信息的包層形狀，主要取決于由剖面信息和傳遞系統(tǒng)精度的計(jì)算而得的加工路徑，且可以相對(duì)容易地被實(shí)現(xiàn)。但是，包層的高度受大量工藝參數(shù)的影響，這些參數(shù)諸如激光功率、激光束的模式和尺寸、樣本的穿透速度、包層粉末的特性、粉末饋送速率、粉末沉降速度、包層珠的重疊因素、所提供的不同輔助氣體的種類(lèi)或流量等。另外，環(huán)境因素，諸如由熱積蓄引起的樣本表面的溫度變化，樣本表面的條件以及激光發(fā)生器，會(huì)影響所形成的包層的高度。
因此，為了獲得對(duì)應(yīng)兩維剖面信息的包層高度，有一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，即應(yīng)該在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔池位置的同時(shí)，來(lái)控制影響包層高度的工藝參數(shù)。
美國(guó)專(zhuān)利6,122,564號(hào)揭示了一種反饋裝置和方法，包括使用光電晶體管的光學(xué)檢測(cè)設(shè)備和電子電路以實(shí)現(xiàn)控制包層高度的目的。在該方法中，光學(xué)檢測(cè)設(shè)置在通過(guò)激光束照射在樣本表面所形成的熔池附近，且該光學(xué)檢測(cè)設(shè)備的光軸設(shè)置成正對(duì)著目標(biāo)高度，從而當(dāng)熔池達(dá)到目標(biāo)高度時(shí)就會(huì)檢測(cè)到從熔池輻射的光(紅外線(xiàn)波長(zhǎng)的光)。該光學(xué)檢測(cè)設(shè)備包括窄帶帶通濾波器、攝像機(jī)鏡頭、光電晶體管或光電傳感器。為了只有當(dāng)熔池達(dá)到其與光軸相接觸的高度時(shí)光電晶體管才能檢測(cè)出光線(xiàn)(紅外光線(xiàn))，因此在該光電晶體管前方設(shè)置一掩膜，該掩膜具有一孔徑，該孔徑的中心通過(guò)該光軸。
這樣，當(dāng)熔池達(dá)到目標(biāo)高度(包層的高度達(dá)到目標(biāo)值)時(shí)，只具有紅外光波長(zhǎng)的光線(xiàn)部分可通過(guò)窄帶帶通濾波器，并可以通過(guò)掩膜的孔徑，從而光電晶體管可以檢測(cè)到光線(xiàn)。但是，當(dāng)熔池沒(méi)有達(dá)到目標(biāo)高度的時(shí)候，由熔池輻射的光線(xiàn)被掩膜擋住了，因此光電晶體管就無(wú)法檢測(cè)到任何光線(xiàn)。
在這種方法中，要通過(guò)光電晶體管的光檢測(cè)來(lái)確定包層的高度(熔池)是否到達(dá)目標(biāo)值。當(dāng)光電晶體管暴露于光線(xiàn)的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生電壓降的現(xiàn)象。在這種情況下，就需要構(gòu)成一種電路，從而可以使用所產(chǎn)生的電信號(hào)來(lái)控制傳輸?shù)郊す獍l(fā)生器的模擬電壓信號(hào)，且通過(guò)使激光束根據(jù)光電晶體管的光檢測(cè)來(lái)開(kāi)或關(guān)從而控制激光功率。
但是，在美國(guó)專(zhuān)利6,122,564號(hào)中，無(wú)論熔池的高度是大于還是小于包層的目標(biāo)值，光學(xué)檢測(cè)設(shè)備都確定為相同。此時(shí)，發(fā)生了一個(gè)問(wèn)題，即產(chǎn)生了一標(biāo)準(zhǔn)激光功率。特別是，當(dāng)在某些特定位置包層高度部分大于目標(biāo)值時(shí)，該光學(xué)檢測(cè)設(shè)備仍確定包層高度未達(dá)到目標(biāo)值，且產(chǎn)生一標(biāo)準(zhǔn)激光功率。
因此，在該位置的包層就會(huì)涂覆得更加厚或更加高，且該在此位置對(duì)激光包層的重復(fù)處理使該問(wèn)題變得更加嚴(yán)重，從而破壞了成形的精度。另外，在激光輔助的直接金屬制造中，當(dāng)使用厚度和/或高度均勻的兩維剖面信息來(lái)形成三維形狀時(shí)，光學(xué)檢測(cè)設(shè)備的機(jī)械機(jī)構(gòu)不會(huì)有問(wèn)題。但是，當(dāng)使用厚度和/高度變化的兩維剖面信息來(lái)形成三維形狀時(shí)，產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題，即無(wú)論包層高度如何改變，就需要設(shè)置并糾正光學(xué)檢測(cè)設(shè)備。
此外，激光功率的控制方法只是激光束的開(kāi)/關(guān)方法，在該方法中，激光脈沖的持續(xù)時(shí)間是受控制的，因此難以將該技術(shù)應(yīng)用于一連續(xù)波的激光發(fā)生器。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明就一直關(guān)注著在現(xiàn)有技術(shù)中所發(fā)生的上述問(wèn)題，而且本發(fā)明的目的是提供一種方法和裝置，在激光包層和激光輔助的直接金屬制造中，該方法和裝置使用高速圖像成像和圖像處理技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)地測(cè)量熔池的位置和高度，且可通過(guò)控制工藝參數(shù)來(lái)理想地控制包層的高度。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種激光功率校準(zhǔn)方法，該方法可以獲得激光功率，該激光功率是一項(xiàng)非常重要的工藝參數(shù)，它與激光的狀態(tài)無(wú)關(guān)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種方法和裝置，其中，實(shí)時(shí)測(cè)量熔池的實(shí)際位置和高度，從而控制工藝參數(shù)，使得包層高度精確地與包層的目標(biāo)值相一致，當(dāng)使用包括可變厚度的兩維剖面信息來(lái)形成三維形狀時(shí)，可以在不需要重新設(shè)置或糾正圖像檢測(cè)設(shè)備的情況下完成成形操作，本發(fā)明的方法和裝置可適用于脈沖和連續(xù)波激光，且可通過(guò)成形工藝中的監(jiān)測(cè)器來(lái)觀察實(shí)際包層工藝的圖像。
本發(fā)明的還有一個(gè)目的是提供一種方法和裝置，它的有利之處是，該方法和裝置可應(yīng)用于激光表面的改進(jìn)，該激光表面諸如激光表面合金和激光包層，以及激光多層包層，在激光多層包層中，通過(guò)重復(fù)的激光包層以及激光輔助的直接金屬制造形成2mm或更大的包層。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種方法，用于在激光包層和激光輔助的直接金屬制造中檢測(cè)并控制包層的高度，該方法包括如下步驟使用圖像成像和圖像處理技術(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)并測(cè)量熔池的位置和高度，以及實(shí)時(shí)控制工藝參數(shù)。
另外，本發(fā)明提供一種裝置，用于在激光包層和激光輔助的直接金屬制造中使用圖像成像和圖像處理技術(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)并控制包層的高度，該裝置包括激光發(fā)生器，用于通過(guò)激光束照射在樣本的表面形成熔池；束傳輸裝置，用于傳輸由激光束發(fā)生器所產(chǎn)生的激光束；束聚焦裝置，用于聚焦通過(guò)束傳輸裝置所傳輸?shù)募す馐话鼘硬牧线M(jìn)料器，用于向通過(guò)由束聚焦裝置聚焦的激光束所輻射在樣本表面形成的熔池供給包層材料；傳遞系統(tǒng)，用于通過(guò)位于z軸方向的束聚焦裝置在包層工藝中保持激光束的焦距不變，并沿著激光束附近的加工路徑自由地傳遞樣本，從而在樣本固定于x和y軸工作臺(tái)的情況下完成激光包層；CAD/CAM裝置，用于在三維CAD數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生諸如加工路徑之類(lèi)的成形信息，并傳輸該成形信息；圖像成像裝置，用于實(shí)時(shí)獲得熔池的圖像并傳輸熔池的圖像；圖像處理裝置，用于接收熔池的圖像，在熔池圖像的基礎(chǔ)上來(lái)計(jì)算熔池的位置和高度，并傳輸所計(jì)算的數(shù)值；以及控制系統(tǒng)，用于控制和監(jiān)測(cè)元件，從CAD/CAM裝置接收成形信息并完成激光包層，以及接收有關(guān)熔池的信息并實(shí)時(shí)控制工藝參數(shù)從而使包層的位置和高度達(dá)到目標(biāo)值。
附圖簡(jiǎn)述通過(guò)以下結(jié)合附圖所作的詳細(xì)描述，將可以更加清楚地理解本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，其中圖1是說(shuō)明材料累加制造(MIM)的示意圖；圖2是說(shuō)明激光包層的示意圖；圖3是說(shuō)明激光輔助的直接金屬制造的示意圖；圖4是說(shuō)明激光輔助的直接金屬制造系統(tǒng)的示意圖；圖5是上述系統(tǒng)的局部放大圖，其中設(shè)置了同心的粉末進(jìn)料噴嘴和圖像成像裝置；圖6是上述圖像成像設(shè)備的放大圖；圖7、圖7(A)和7(B)是顯示第二種原理的曲線(xiàn)圖，第二種原理可采用圖像成像裝置來(lái)觀察熔池的圖像，圖7(A)是在激光束光軸上觀察熔池的示意圖，圖7(B)是在監(jiān)測(cè)器中觀察熔池的圖；圖8是顯示第一種原理的示意圖，第一種原理可采用圖像成像裝置觀察熔池的圖像；圖9(A)到(D)是顯示根據(jù)樣本或激光束傳遞方向的熔池圖像的變化示意圖，圖9(A)是熔池正對(duì)圖像成像裝置所獲得的示意圖，圖9(B)是熔池與圖像成像裝置成相反方向所獲得的示意圖，圖9(C)和(D)是當(dāng)樣本或激光束在垂直于圖像成像裝置光軸的方向上傳遞時(shí)所獲得的示意圖；圖10為示出怎樣根據(jù)熔池高度的變化來(lái)監(jiān)測(cè)熔池圖像的示意曲線(xiàn)圖；圖11(A)到(C)是顯示激光功率、包層高度和激光功率類(lèi)型之間相關(guān)關(guān)系的圖形；圖12是顯示采用本發(fā)明的方法和裝置制造的簡(jiǎn)單金屬部分的照片；
圖13是顯示采用本發(fā)明的方法和裝置制造的移動(dòng)電話(huà)模型部分的照片；圖14是顯示采用本發(fā)明的激光輔助直接金屬制造技術(shù)制造的葉輪部分的照片；以及圖15是顯示采用本發(fā)明的方法和裝置重鑄和制造的汽車(chē)擋泥板模型一部分的照片。
實(shí)施本發(fā)明的最佳方式下文詳細(xì)描述了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例在包層和直接金屬制造中使用圖像成像和圖像處理實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并控制包層高度的方法。
圖4是說(shuō)明激光輔助的直接金屬制造系統(tǒng)的示意圖。本發(fā)明的激光輔助直接金屬制造系統(tǒng)包括用于實(shí)時(shí)控制包層高度的圖像成像和處理裝置407和408，以及用于由三維CAD數(shù)據(jù)計(jì)算兩維剖面信息、計(jì)算對(duì)應(yīng)兩維剖面信息的加工路徑并傳遞到控制系統(tǒng)403的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)/計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)409。
激光發(fā)生器401較佳為工業(yè)CO2激光器，但是也可以是能夠通過(guò)激光束的照射在金屬樣本的表面形成熔池的任何波長(zhǎng)的激光器，比如Nd-YAG或高功率二極管激光器。由激光發(fā)生器所產(chǎn)生的激光束通過(guò)束傳輸裝置405傳輸?shù)绞劢寡b置406。當(dāng)應(yīng)用Nd-YAG激光器等激光器時(shí)，就可通過(guò)光纖來(lái)傳輸激光束。
束聚焦裝置406通過(guò)結(jié)合透鏡、反射鏡等光學(xué)部件制成，其所起的作用為聚焦激光束以使其適合激光包層。同心的粉末進(jìn)料噴嘴414設(shè)置在束聚焦裝置406下方，從而向熔池饋送由包層材料進(jìn)料器404——較佳為粉末進(jìn)料系統(tǒng)——所提供的粉末。
同時(shí)，包層材料較佳為粉末狀，但也可以為棒狀或帶狀。當(dāng)使用粉末狀的包層材料時(shí)，可使用同心的粉末進(jìn)料噴嘴和外側(cè)的粉末進(jìn)料噴嘴，并且可根據(jù)基于激光束提供粉末的方向來(lái)區(qū)別這兩種噴嘴。
同心的粉末進(jìn)料并未限制加工路徑，因?yàn)樗梢允菇饘俜勰┰谒蟹较蛏暇鶆虻仞佀椭寥鄢?，而且它適合于激光輔助的直接金屬制造。
另一方面，外側(cè)的粉末進(jìn)料可以使金屬粉末在激光束一側(cè)的方向上饋送至熔池。外側(cè)的粉末進(jìn)料可將粉末損耗比率減小至最大為5％，且適合于形成厚度超過(guò)1mm的相對(duì)較厚的包層珠。但是，由于各向異性，其中珠子的形狀和高度在包層方向上(樣本或激光束的傳遞方向)是變化的，因此外側(cè)的粉末進(jìn)料受限于成形操作的加工路徑。
同時(shí)，傳遞系統(tǒng)(工作平臺(tái))402保持著位于z軸方向上的束聚焦裝置406進(jìn)行包層工藝中激光束的焦距不變，且可沿著激光束附近的加工路徑自由地傳遞樣本，從而可采用固定在x和y軸工作臺(tái)上的樣本來(lái)完成激光包層。
在激光輔助的直接金屬制造和常規(guī)激光包層的工藝中，除了上述的傳遞系統(tǒng)402之外，還可應(yīng)用一傳遞系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，激光束可在固定樣本的附近傳遞，或者激光束和樣本同時(shí)傳遞。另外，為了提高制造的自由度，還可應(yīng)用三軸或更多軸傳遞系統(tǒng)或機(jī)械手。
氣體控制系統(tǒng)412所起的作用是控制激光包層中使用的各種氣體。標(biāo)號(hào)410和411分別表示冷卻裝置和戶(hù)外單元。
控制系統(tǒng)403包括個(gè)人計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(PC-NC)系統(tǒng)和各種輸入和輸出設(shè)備。控制系統(tǒng)403可實(shí)時(shí)控制并監(jiān)測(cè)構(gòu)成本發(fā)明的激光輔助直接金屬制造系統(tǒng)的所有裝置，且還包括激光發(fā)生器401、傳遞系統(tǒng)402、包層材料進(jìn)料器404、氣體控制系統(tǒng)412和冷卻裝置410。
特別是，控制系統(tǒng)403的作用是根據(jù)從CAD/CAM裝置409接收到的成形信息來(lái)執(zhí)行激光包層的操作，并根據(jù)從圖像處理裝置408接收到的有關(guān)熔池高度的信息來(lái)實(shí)時(shí)控制包層工藝參數(shù)，從而使包層高度達(dá)到目標(biāo)值?？商鎿Q的是，該控制系統(tǒng)可包括通用的數(shù)字控制系統(tǒng)，來(lái)代替PC-NC系統(tǒng)。
圖5是該系統(tǒng)的局部放大圖，在該圖中，設(shè)置了同心的粉末進(jìn)料噴嘴414和圖像成像裝置407。在該附圖中，為了易于圖示，未示出激光束202和為熔池203所提供的粉末流204。
如圖2所示，在激光包層的工藝中，熔池203是由激光束202照射在樣本的局部區(qū)域所形成的，與樣本200或激光束的傳遞狀態(tài)無(wú)關(guān)。因此，如圖5所示，圖像成像裝置407可設(shè)置成與激光束的光軸501形成90-θ°的角度，并使圖像成像裝置407的光軸502通過(guò)激光束照射的區(qū)域，由此可將熔池的圖像(比如，高度的變化)進(jìn)行成像。
圖6是圖像成像裝置407的放大圖。該圖像成像裝置407包括中密度(ND)濾波器603、濾波器安裝固定裝置604、透鏡602和電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)601。
ND濾波器603所起的作用是減小由熔池203反射的光線(xiàn)以及在ND濾波器603上的入射光線(xiàn)，從而保護(hù)透鏡602不受激光包層工藝中所產(chǎn)生濺射的影響。ND濾波器603安裝在透鏡602的前面，也就是濾波器安裝固定裝置604。通過(guò)冷卻管提供冷卻水，冷卻管605設(shè)置在濾波器安裝固定裝置604的圓周表面上，從而保護(hù)ND濾波器603和透鏡602免受由從熔池203發(fā)射的輻射熱量的損害。
透鏡602所起的作用為向CCD攝像機(jī)601傳輸熔池203的圖像。透鏡602可包括通用攝像機(jī)透鏡，但較佳地包括放大倍率固定的變焦透鏡，從而將熔池203的圖像失真最小化。
在本實(shí)施例中，為了實(shí)時(shí)地獲得熔池203的圖像，應(yīng)用了高速黑白的CCD攝像機(jī)，它能夠以步進(jìn)掃描模式獲得50幀/秒的圖像。該CCD攝像機(jī)601每20毫秒獲取熔池203的圖像并向圖像處理裝置408傳輸圖像信息。為了以更高的速度獲得熔池203的圖像，也可應(yīng)用150幀/秒或更高的高速CCD攝像機(jī)。
圖像成像裝置407每20毫秒向圖像處理裝置408傳輸熔池203的圖像信息。而圖像處理裝置408則使用圖像處理技術(shù)來(lái)計(jì)算熔池的物理位置和高度，并實(shí)時(shí)地將計(jì)算的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)403。
圖像處理裝置408包括幀抓取裝置和個(gè)人計(jì)算機(jī)，該幀抓取裝置為一個(gè)只處理圖像的板卡。使用Visual C++編程語(yǔ)言對(duì)圖像處理(對(duì)熔池高度的計(jì)算)的軟件進(jìn)行編程。
該軟件從圖像成像裝置407接收一幅圖像信息并計(jì)算出熔池的位置和高度的嘴快速度需要5毫秒。如果應(yīng)用具備數(shù)字信號(hào)處理器的幀抓取裝置，則計(jì)算的處理速度可大大提高。另外，該軟件允許從圖像成像裝置407接收到的圖像信號(hào)實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)測(cè)器上，因此在激光包層操作中，用戶(hù)可實(shí)時(shí)地觀察熔池。
以下將描述使用圖像處理技術(shù)根據(jù)熔池的圖像來(lái)計(jì)算熔池位置和高度的原理。
參考圖2和圖5，在激光包層工藝中，在熔池203的后面沿著激光束202所傳遞的路徑形成具有特定高度的包層。此外，通過(guò)激光束202照射而形成的熔池203，相對(duì)于樣本表面201傾斜一個(gè)特定的角度。在其間，熔池203的形狀可根據(jù)聚焦的激光束202的束模式和剖面形狀而不同。但是，在通用的激光包層中，熔池203的形狀可設(shè)想為圓形。
圖7(A)是顯示在激光束光軸上觀察到的熔池的示意圖。如圖5所示，圖像成像裝置407在與樣本表面201傾斜角度θ的同時(shí)對(duì)熔池203進(jìn)行成像。
當(dāng)熔池203正對(duì)著圖像成像裝置407的時(shí)候，在CCD攝像機(jī)的圖像平面701上形成熔池203的圖像，如圖7所示，且由于光路的差異，所監(jiān)測(cè)到的圓形熔池203為橢圓形，其軸b’平行于包層且傳遞方向上非常短。
如圖8所示，熔池203沒(méi)有位于CCD攝像機(jī)的視野平面702上，因此在CCD攝像機(jī)圖像平面701上可形成的熔池圖像在圖像成像裝置407的光軸502附近具有稍微不同的長(zhǎng)度b1和b2。然而，該差異是很小的，因此在圖像處理工藝中不作考慮。當(dāng)熔池的尺寸被設(shè)想為1mm時(shí)，在圖像成像裝置407觀察到的(b1’-b2’)長(zhǎng)度差異大約為2μm(2/1,000mm)，這是一個(gè)相對(duì)較小的值。
根據(jù)樣本或激光束的傳遞方向，所觀察到的熔池203的圖像可具有不同的形狀。
圖9(A)到(D)顯示了熔池形狀變化的示意圖。這些變化由以下的原因造成，即，通過(guò)圖像成像裝置407從外側(cè)來(lái)監(jiān)測(cè)熔池203，且熔池203根據(jù)樣本或激光束的傳遞方向正對(duì)著圖像成像裝置407。圖9(A)是熔池203的圖像，觀察時(shí)熔池203正對(duì)著圖像成像裝置的光軸，被觀察為垂直且相對(duì)膨脹的橢圓。圖9(B)是熔池203的圖像，觀察時(shí)熔池203與圖像成像裝置407的光軸502反向，被監(jiān)測(cè)為垂直且相對(duì)扁平的橢圓。圖9(C)和9(D)為熔池203的圖像，觀察時(shí)樣本或激光沿著垂直于成像裝置407光軸502的方向傳遞，被監(jiān)測(cè)為向右和向左傾斜且垂直和相對(duì)扁平的橢圓。
熔池203的圖像被觀察得互相不同的問(wèn)題，可通過(guò)除現(xiàn)有的圖像成像裝置以外再安裝一個(gè)或多個(gè)圖像成像裝置來(lái)解決。在熔池203的高度測(cè)量中，只需使用一個(gè)圖像成像裝置就可獲得理想的結(jié)果。
通過(guò)圖像成像裝置407監(jiān)測(cè)熔池203所得到的圖像，每個(gè)都具有特定的面積，如圖9所示。為了根據(jù)這種圖像信息使用圖像處理方法來(lái)獲得熔池的高度，必須確定在圖像中表示熔池高度的像素。
在本發(fā)明中，計(jì)算通過(guò)成像裝置407獲得的圖像的重心，尤其是像素，可以是像素的行束確定熔池的高度。另外，可應(yīng)用不同的方法，其中，對(duì)應(yīng)表示熔池圖像的最長(zhǎng)行的像素可確定為熔池的高度，或者在設(shè)想熔池為圓形且在圖像中確定了對(duì)應(yīng)中心的像素的情況下，獲得實(shí)際熔池的中心。
圖10是顯示怎樣根據(jù)熔池高度的變化來(lái)監(jiān)測(cè)熔池圖像的示意曲線(xiàn)圖。由于熔池高度上的變化，在監(jiān)測(cè)器(或CCD攝像機(jī)的圖像平面)上可觀察到處于不同位置的熔池圖像。
因此，如果在熔池的圖像中，特定像素的實(shí)際物理高度(絕對(duì)高度)和每個(gè)像素實(shí)際高度的變化值是已知的，就可根據(jù)熔池的圖像計(jì)算出實(shí)際的物理高度。在本發(fā)明中，使用包層高度為已知的標(biāo)準(zhǔn)樣本來(lái)糾正上述值。在負(fù)責(zé)圖像處理的軟件中包括了糾正模塊。
圖像處理裝置408使用上述的原理來(lái)計(jì)算熔池的位置和高度，且該計(jì)算的值以ASCII數(shù)據(jù)的形式實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)403。控制系統(tǒng)403可實(shí)時(shí)控制工藝參數(shù)，從而在從CAD/CAM裝置409實(shí)時(shí)接收到的剖面成形信息以及從圖像處理裝置408實(shí)時(shí)接收到的熔池高度數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，形成具有對(duì)應(yīng)兩維信息的形狀和厚度(高度)的包層。
影響包層高度的工藝參數(shù)包括激光功率、激光束的尺寸和模式、樣本(或激光束)的穿透速度(交互時(shí)間)以及粉末饋送速率等。在上述工藝參數(shù)中，激光功率最能影響包層的高度。
包層的高度H與激光功率P成比例關(guān)系，其中高度H隨著激光功率P線(xiàn)性地增加。當(dāng)利用了這樣關(guān)系，就可以通過(guò)激光功率的實(shí)時(shí)控制自由地調(diào)節(jié)包層的高度。在這種情況下，可通過(guò)不同的控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光功率的控制，這些方法比如比例-積分-微分(PID)控制(見(jiàn)Modern Control Engineering(現(xiàn)代控制工程)，Katsuhiko Ogata，Prentice-Hall，1990，pp.592-605)，模糊控制(見(jiàn)Fuzzy Logic Control(模糊邏輯控制)，Jeung-nam Byeon，HongreungScience Publishing Co.，1997)等。但是，在本實(shí)施例中，如圖11所示，采用了相對(duì)較簡(jiǎn)單的控制方法。
如圖11(B)所示，上述的控制方法允許熔池高度達(dá)到包層的目標(biāo)值，其采用的方式如下，即如果熔池的高度H小于包層的目標(biāo)值(目標(biāo)高度)Ht，則允許輸出比標(biāo)準(zhǔn)激光輸出大P-Pt的激光束照射在樣本上，而如果熔池的高度H大于包層的目標(biāo)值(目標(biāo)高度)Ht，則允許輸出比標(biāo)準(zhǔn)激光輸出小P-Pt的激光束照射在樣本上。
如圖11(C)所示，在實(shí)際的激光功率控制中，可將熔池的高度分成幾組，每個(gè)組具有一個(gè)范圍。成功地完成了對(duì)包層高度的控制。雖然在本發(fā)明中，將激光功率作為一個(gè)控制參數(shù)來(lái)控制，但卻可以類(lèi)似的方式實(shí)時(shí)控制其它的工藝參數(shù)，諸如粉末進(jìn)料速率和樣本(或激光束)的穿透速度。
通常來(lái)說(shuō)，隨著粉末進(jìn)料速率的增加，激光包層的高度也增加。因此，對(duì)于激光功率，可以通過(guò)如下的方式來(lái)控制包層的高度，該方式如下，如果熔池的高度小于包層的目標(biāo)高度則增加粉末進(jìn)料速率，而如果熔池的高度大于包層的目標(biāo)高度則減小粉末進(jìn)料速率或停止粉末的供給。樣本(或激光束)的穿透速度不同于激光功率或粉末進(jìn)料速率，因?yàn)榘鼘拥母叨雀鶕?jù)樣本(或激光束)穿透速度的增加而減小，而包層的高度根據(jù)樣本(或激光束)穿透速度的減少而增加。因此，可采用以下的方式來(lái)控制包層的高度達(dá)到包層值的目標(biāo)值，該方式為，如果熔池的高度大于目標(biāo)值則增加樣本(或激光束)的穿透速度，而如果熔池的高度小于目標(biāo)值則減少樣本(或激光束)的穿透速度。
大多數(shù)的激光器是由介于0到10V(或12V)之間的模擬電壓信號(hào)來(lái)控制的。比如，0V允許激光功率為0，而10V的模擬電壓信號(hào)則允許產(chǎn)生最大功率。另外，當(dāng)施加介于0到10V之間的模擬電壓信號(hào)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生了介于0和最大功率之間的激光功率。在大多數(shù)激光器中，模擬電壓信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間小于1毫秒。對(duì)于應(yīng)用于本發(fā)明的CO2激光發(fā)生器401來(lái)說(shuō)，響應(yīng)時(shí)間大約為60微妙(60/1,000,000秒)?？刂葡到y(tǒng)403可設(shè)計(jì)成將模擬電壓信號(hào)處理為16比特的數(shù)字信號(hào)，該處理所產(chǎn)生的效果是，模擬電壓信號(hào)可分為32,768級(jí)進(jìn)行同時(shí)處理。
控制系統(tǒng)403每20毫秒從圖像處理裝置408接收關(guān)于熔池高度的數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)與從CAD/CAM裝置409傳輸來(lái)的成形信息進(jìn)行比較，并確定使熔池高度達(dá)到目標(biāo)值所需要的激光功率值。如上所述的確定值是數(shù)字?jǐn)?shù)值，因此該值通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器可轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)并輸入到激光發(fā)生器401。
激光發(fā)生器401可設(shè)計(jì)成產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于所輸入模擬數(shù)子電壓信號(hào)的激光功率。不過(guò)，雖然向該激光發(fā)生器輸入相同的模擬電壓信號(hào)，但根據(jù)激光的條件，比如激光氣體、冷卻程度、激光諧振器的雜質(zhì)程度、真空程度、不同光學(xué)部件的狀態(tài)(諸如后反射鏡和輸出耦合器)等，激光功率可有稍微的不同。
結(jié)果，在本發(fā)明中，發(fā)展并應(yīng)用了不管激光狀態(tài)如何都能獲得理想激光功率的激光功率校準(zhǔn)方法。在該方法中，在激光發(fā)生器401和控制系統(tǒng)403之間形成閉環(huán)，且預(yù)定一模擬信號(hào)值，從而控制系統(tǒng)403使用PID控制方法在激光包層或激光輔助的直接金屬制造工藝之前獲得了理想的激光功率。
在上述校準(zhǔn)的工藝中，該理想的激光功率是目標(biāo)值。另外，通過(guò)根據(jù)PID值以對(duì)應(yīng)0到10V的32,768級(jí)改變數(shù)字值來(lái)確定該數(shù)字信號(hào)值，該值可使從激光器反饋的激光功率值達(dá)到目標(biāo)值。
當(dāng)用于激光包層或激光輔助直接金屬制造中的激光功率值的數(shù)量為十個(gè)時(shí)，可采用上述的方法確定用于獲得激光輸出的數(shù)字信號(hào)。
控制系統(tǒng)403使用糾正的模擬信號(hào)值來(lái)控制激光功率，因此在激光包層或激光輔助的直接金屬制造中它不受激光狀態(tài)的影響。
以下的應(yīng)用例子涉及用本發(fā)明的方法和系統(tǒng)所完成的由激光輔助的直接金屬制造技術(shù)制造的樣本。
(應(yīng)用例1)圖12顯示了由本發(fā)明的方法和系統(tǒng)制造的簡(jiǎn)單金屬部分的照片。在該制造中所使用的襯底為不銹鋼(SUS316)，包層材料為鉻-鉬熱工作模具鋼，H-13工具鋼(SKD61)，該材料是通常作為模具鑄造模型材料使用的合金。由本發(fā)明的方法可獲得100％的精細(xì)結(jié)構(gòu)，且該產(chǎn)品的機(jī)械特征與精煉材料的機(jī)械特征相似，或比精煉材料的機(jī)械特征還要優(yōu)越。
(應(yīng)用例2)圖13顯示了由本發(fā)明的方法和系統(tǒng)制造的移動(dòng)電話(huà)模型部分的照片。在該應(yīng)用例2中，使用三維CAD數(shù)據(jù)切割250μm的厚度，這可用作成形信息。在這種情況下，激光束的尺寸大約為0.8mm，且激光包層的速度為0.85米每分鐘。該襯底由不銹鋼(SUS316)制成，且包層材料為H-13工具鋼。用于制造模型所需要的激光成形時(shí)間為15小時(shí)37分鐘。
(應(yīng)用例3)圖14顯示了由本發(fā)明的激光輔助直接金屬制造技術(shù)制造的葉輪部分的照片。襯底和包層的材料為H-13工具鋼。其它的條件與應(yīng)用例2中的相同。用于制造模型所需要的激光成形時(shí)間為12小時(shí)8分鐘。
(應(yīng)用例4)激光輔助的直接金屬制造的主要特征為，使用三維CAD數(shù)據(jù)直接制造三維形狀。該特征使得具有三維形狀的產(chǎn)品可快速制造，并能夠通過(guò)糾正CAD數(shù)據(jù)或使用反向工程技術(shù)恢復(fù)、重鑄和修復(fù)已有的產(chǎn)品或模型。圖15為示出汽車(chē)擋泥板模型部分的照片，該部分被切掉一部分并通過(guò)三維CAD數(shù)據(jù)的糾正進(jìn)行重鑄。模型的材料為FCD550，且用于重鑄的材料為H-13工具鋼(SKD61)。用于制造模型所需要的激光成形時(shí)間為1小時(shí)43分鐘。
工業(yè)應(yīng)用性如上所述，本發(fā)明提供一種方法和系統(tǒng)，用于激光包層和激光輔助的直接金屬制造，它能夠通過(guò)使用高速圖像成像和圖像處理實(shí)時(shí)測(cè)量熔池的位置和高度，并通過(guò)控制工藝參數(shù)理想地控制包層的高度。特別是，該激光輔助的直接金屬制造是物理實(shí)現(xiàn)的。
另外，本發(fā)明的激光輔助直接金屬制造是一種快速制造技術(shù)，它能夠根據(jù)三維CAD數(shù)據(jù)通過(guò)使用產(chǎn)品或工具所需要的功能材料來(lái)快速制造三維產(chǎn)品或用于制造這種三維產(chǎn)品的多種工具。與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比，比如CNC切割、鑄造和其它制造機(jī)械等相比，該技術(shù)可使功能性金屬原型、試驗(yàn)及批量生產(chǎn)的模型、復(fù)雜形狀的成品和多種工具可快速地制造。該技術(shù)可通過(guò)使用反向工程技術(shù)應(yīng)用于模型的恢復(fù)、重鑄和修補(bǔ)。
此外，除了激光輔助的直接金屬制造之外，本發(fā)明的方法和裝置還可應(yīng)用于激光表面的改進(jìn)，比如激光表面合金和激光包層，以及激光多層包層，其中通過(guò)重復(fù)的激光包層形成2mm或更厚的包層。在這些工藝中，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可以形成厚度均勻的包層，因此提高了激光操作的精度，且可降低后加工的成本。
所述通過(guò)在激光包層和激光輔助的直接金屬制造中使用圖像成像和圖像處理技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制包層高度的方法和裝置，并不局限于上述的例子，它可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員容易地進(jìn)行修改。
權(quán)利要求
1.一種方法，用于在激光包層和激光輔助直接金屬制造中監(jiān)測(cè)和控制包層高度，該方法包括以下步驟使用圖像成像和圖像處理技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并測(cè)量熔池的位置和高度，以及實(shí)時(shí)控制工藝參數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述工藝參數(shù)是激光功率和激光束尺寸及模式中的一項(xiàng)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述工藝參數(shù)是包層材料-饋送速率和樣本或激光束的穿透速度。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過(guò)使用由圖像成像所獲得的熔池圖像來(lái)確定表示熔池高度的像素，從而計(jì)算熔池的高度。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述表示熔池高度的像素是熔池圖像的重心。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述表示熔池高度的像素通過(guò)以下的一種方法來(lái)確定，其中，選擇對(duì)應(yīng)表示熔池圖像最長(zhǎng)行的像素作為熔池的高度，或者根據(jù)熔池的圓形或橢圓形狀獲得實(shí)際熔池的中心，并在圖像中確定對(duì)應(yīng)中心的像素。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，通過(guò)糾正熔池圖像中任何像素的實(shí)際物理高度和每個(gè)像素的實(shí)際高度變化值來(lái)計(jì)算所述熔池的高度。
8.一種方法，用于在激光包層和激光輔助直接金屬制造中監(jiān)測(cè)和控制包層高度，其特征在于，使用包層高度與激光功率成線(xiàn)性比例的關(guān)系來(lái)使熔池的高度達(dá)到包層的目標(biāo)值，從而如果熔池的高度H小于包層的目標(biāo)值Ht則可以在樣本上照射輸出比標(biāo)準(zhǔn)激光輸出大P-Pt的激光束，而如果熔池的高度H大于包層的目標(biāo)值Ht則可以在樣本上照射輸出比標(biāo)準(zhǔn)激光輸出小P-Pt的激光束。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，使用比例-積分-微分(PID)和模糊控制方法中的一種方法來(lái)控制激光功率，從而可以使熔池高度達(dá)到包層的目標(biāo)值。
10.一種糾正激光輸入模擬電壓信號(hào)的方法，無(wú)論激光包層和激光輔助直接金屬制造中的激光發(fā)生器的狀態(tài)如何，都可以用于控制激光發(fā)生器的激光功率。
11.如權(quán)利要求1、8和10中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，該方法用于金屬產(chǎn)品或模型的恢復(fù)、重鑄和修補(bǔ)。
12.一種系統(tǒng)，用于在激光包層和激光輔助的直接金屬制造中使用圖像成像和圖像處理基礎(chǔ)實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)和控制包層的高度，該系統(tǒng)包括激光發(fā)生器，用于通過(guò)照射激光束在樣本表面形成熔池；束傳輸裝置，用于傳輸由激光束發(fā)生器所產(chǎn)生的激光束；束聚焦裝置，用于聚焦通過(guò)束傳輸裝置傳輸?shù)募す馐?；包層材料進(jìn)料器，用于向熔池饋送包層材料，該熔池通過(guò)照射由束聚焦裝置聚焦的激光束在樣本表面形成；傳遞系統(tǒng)，用于在用位于z-軸方向上的束聚焦裝置進(jìn)行包層的工藝中保持激光束的焦距不變，并沿著激光束附近的加工路徑自由地傳遞樣本從而可以用固定于x和y軸工作臺(tái)的樣本完成激光包層；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造(CAD/CAM)裝置，用于在三維CAD數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生諸如加工路徑之類(lèi)的成形信息并傳輸該成形信息；圖像成像裝置，用于實(shí)時(shí)地獲得熔池的圖像并傳輸該熔池的圖像；圖像處理裝置，用于接收熔池的圖像，基于熔池的圖像來(lái)計(jì)算熔池的位置和高度，并傳輸該計(jì)算的數(shù)值；以及控制系統(tǒng)，用于控制和監(jiān)測(cè)元件，從CAD/CAM裝置接收成形信息并完成激光包層，以及接收有關(guān)熔池的信息并實(shí)時(shí)控制工藝參數(shù)，以使包層的位置和高度達(dá)到目標(biāo)值。
13.一種系統(tǒng)，用于在激光包層和激光輔助的直接金屬制造中使用圖像成像和圖像處理技術(shù)實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)和控制包層的高度，該系統(tǒng)包括激光發(fā)生器，用于通過(guò)照射激光束在樣本表面形成熔池；束傳輸裝置，用于傳輸由激光束發(fā)生器產(chǎn)生的激光束；束聚焦裝置，用于聚焦通過(guò)束傳輸裝置傳輸?shù)募す馐话鼘硬牧线M(jìn)料器，用于向熔池饋送包層材料，該熔池通過(guò)照射由束聚焦裝置聚焦的激光束在樣本表面形成；傳遞系統(tǒng)，用于在固定于x和y軸工作臺(tái)上的樣本附近自由地傳遞激光束，從而完成激光包層；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造(CAD/CAM)裝置，用于在三維CAD數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生諸如加工路徑之類(lèi)的成形信息并傳輸該成形信息；圖像成像裝置，用于實(shí)時(shí)地獲得熔池的圖像并傳輸該熔池的圖像；圖像處理裝置，用于接收熔池的圖像，基于熔池的圖像來(lái)計(jì)算熔池的位置和高度，并傳輸該計(jì)算的數(shù)值；以及控制系統(tǒng)，用于控制和監(jiān)測(cè)元件，從CAD/CAM裝置接收成形信息并完成激光包層，以及接收有關(guān)熔池的信息并實(shí)時(shí)控制工藝參數(shù)，以使包層的位置和高度達(dá)到目標(biāo)值。
14.一種系統(tǒng)，用于在激光包層和激光輔助的直接金屬制造中使用圖像成像和圖像處理技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制包層的高度，該系統(tǒng)包括激光發(fā)生器，用于通過(guò)照射激光束在樣本表面形成熔池；束傳輸裝置，用于傳輸由激光束發(fā)生器產(chǎn)生的激光束；束聚焦裝置，用于聚焦通過(guò)束傳輸裝置傳輸?shù)募す馐?；包層材料進(jìn)料器，用于向熔池饋送包層材料，該熔池通過(guò)照射由束聚焦裝置聚焦的激光束在樣本表面形成；傳遞系統(tǒng)，用于在用位于z-軸方向上的束聚焦裝置進(jìn)行包層的工藝中保持激光束的焦距不變，并沿著激光束附近的加工路徑自由地傳遞樣本和激光束從而可以用固定于x和y軸工作臺(tái)的樣本完成激光包層；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造(CAD/CAM)裝置，用于在三維CAD數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生諸如加工路徑之類(lèi)的成形信息并傳輸該成形信息；圖像成像裝置，用于實(shí)時(shí)獲得熔池的圖像并傳輸該熔池的圖像；圖像處理裝置，用于接收熔池的圖像，基于熔池的圖像計(jì)算熔池的位置和高度，并傳輸該計(jì)算的值；以及控制系統(tǒng)，用于控制和監(jiān)測(cè)元件，從CAD/CAM裝置接收成形信息并完成激光包層，以及接收有關(guān)熔池的信息并實(shí)時(shí)控制工藝參數(shù)，以使包層的位置和高度達(dá)到目標(biāo)值。
15.一種系統(tǒng)，用于在激光包層和激光輔助的直接金屬制造中使用圖像成像和圖像處理技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制包層的高度，該系統(tǒng)包括激光發(fā)生器，用于通過(guò)照射激光束在樣本表面形成熔池；束傳輸裝置，用于傳輸由激光束發(fā)生器產(chǎn)生的激光束；束聚焦裝置，用于聚焦通過(guò)束傳輸裝置傳輸?shù)募す馐?；包層材料進(jìn)料器，用于向熔池饋送包層材料，該熔池通過(guò)照射由束聚焦裝置聚焦的激光束在樣本表面形成；傳遞系統(tǒng)，使用三軸或更多軸的傳遞系統(tǒng)或機(jī)械手以增加完成激光包層的自由度；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造(CAD/CAM)裝置，用于在三維CAD數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生諸如加工路徑之類(lèi)的成形信息并傳輸該成形信息；圖像成像裝置，用于實(shí)時(shí)地獲得熔池的圖像并傳輸該熔池的圖像；圖像處理裝置，用于接收熔池的圖像，基于熔池的圖像來(lái)計(jì)算熔池的位置和高度，并傳輸該計(jì)算的值；以及控制系統(tǒng)，用于控制和監(jiān)測(cè)元件，從CAD/CAM裝置接收成形信息并完成激光包層，以及接收有關(guān)熔池的信息并實(shí)時(shí)控制工藝參數(shù)，以使包層的位置和高度達(dá)到目標(biāo)值。
16.如權(quán)利要求12、13、14和15中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，以粉末狀、線(xiàn)狀或帶狀的形式提供包層材料，該包層材料饋送至通過(guò)束聚焦裝置中聚焦的激光束照射在樣本表面形成的熔池。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括粉末進(jìn)料噴嘴，如果包層材料以粉末狀形式提供，則用于向激光束和形成在樣本表面的熔池同時(shí)供給由包層材料進(jìn)料器饋送的包層材料粉末。
18.如權(quán)利要求12、13、14和15中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述激光為CO2、Nd-YAG以及高功率二極管激光中的一種。
19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其特征在于，如果所述的激光為Nd-YAG激光則應(yīng)用光纖。
20.如權(quán)利要求12、13、14和15中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像成像裝置包括中密度(ND)濾波器、濾波器安裝固定裝置、透鏡和電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)。
21.如權(quán)利要求12、13、14和15中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像成像裝置包括中密度(ND)濾波器、濾波器安裝固定裝置、透鏡和用于快速獲得熔池圖像的紅外線(xiàn)(IR)攝像機(jī)。
22.如權(quán)利要求12、13、14和15中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像成像裝置設(shè)置在激光束的光軸上從而可以90-θ°的角度觀察熔池。
23.如權(quán)利要求12、13、14和15中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像成像裝置包括多個(gè)圖像成像子裝置，從而防止根據(jù)樣本或激光束的傳遞方向而觀察到不同的熔池圖像。
24.如權(quán)利要求12、13、14和15中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)可應(yīng)用于金屬產(chǎn)品或模型的恢復(fù)、重鑄和修復(fù)。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種方法和系統(tǒng)，用于在激光包層和激光輔助的直接金屬制造工藝中使用圖像成像和圖像處理技術(shù)，來(lái)監(jiān)測(cè)和控制淀積的高度。本發(fā)明還提供一種方法，不管激光功率單元的操作條件如何都可以控制激光功率強(qiáng)度的方法，激光功率的強(qiáng)度是最重要的工藝變量之一。本發(fā)明的方法和系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)熔池的位置和高度，以及通過(guò)在這種基于激光表面改進(jìn)技術(shù)的激光包層和激光輔助直接金屬制造工藝中使用圖像成像和圖像處理技術(shù)來(lái)控制工藝變量，從而控制淀積的高度，這種激光包層和激光輔助直接金屬制造工藝比如激光表面合金和激光包層，或激光輔助的直接金屬制造技術(shù)。
文檔編號(hào)B23K26/34GK1582451SQ01823897
公開(kāi)日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2001年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月17日
發(fā)明者徐廷勳 申請(qǐng)人:株式會(huì)社Insstek