[實用新型]一種激光熔覆熔池離焦量測量裝置

有效

• 申請號: 201420283857.4
• 申請日: 2014-05-29
• 公開（公告）號: CN204228119U
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 石世宏;王濤;孫承峰
• 申請（專利權）人: 蘇州大學張家港工業技術研究院
• 主分類號: G01B11/14
• 分類號: G01B11/14
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 常亮

技術領域

本實用新型涉及激光熔覆以及激光增材制造領域，尤其涉及一種激光熔覆熔池離焦量測量裝置。

背景技術

激光增材制造(3D打印)技術中有一種同步送料實體熔覆成形技術，其工作原理為激光成形噴頭將激光束聚焦于金屬基體表面并按預定軌跡掃描，從同步送料粉管中連續噴射出金屬粉末落入激光焦點中，聚焦激光將投入的金屬粉末在底層金屬表面形成液態金屬熔池，熔池不斷熔化凝固后使得熔融的金屬逐層增長，控制激光掃描照射和粉末噴射區域可實現指定空間的金屬分層堆積增長并形成實體，從而實現激光增材制造，即所謂激光3D打印。

在上述增材制造過程中三維實體被不斷堆積長高，而激光成形噴頭也需要同步提升，以保證激光聚焦光斑始終位于不斷長高的成形表面。為保證噴頭能準確同步提升，就需要一套成形表面至噴頭距離的動態測量系統，在成形過程中不斷測試并計算出激光在成形表面聚焦的偏移量，或熔池偏離激光焦點的幾何量，即離焦量，然后反饋并控制噴頭的移動速度，使其離焦量不超過標準，從而保證成形精度。所以，研制能夠實時測量當前熔池離焦量的測量系統十分重要。

美國專利“System?and?method?for?closed-loop?control?of?laser?cladding?by?powder?injection”(專利號：US7043330)中提出使用CCD監視器對熔池特征參數實時監控與測量。CCD攝像機固定在激光頭上，捕捉到的圖形信號傳輸至工控機，在工控機上運行的圖像處理軟件對所捕捉的圖像實時分析，從而測得熔池離焦量。該專利所揭示的技術方案雖然可以實時對熔池離焦量測量，并通過3個CCD攝像機同時對熔池監控，在一定程度上提高了測量的精確度。但是，在該專利中，由于測量系統的計算工作在工控機上完成，使得測量系統的體積增大，不利于裝備的集成，同時也增加了設備成本。

此外，公開發表的論文中也有關于熔池離焦量監控設備的報道。“Height?control?of?laser?metal-wire?deposition?based?on?iterative?learning?control?and3D?scanning”一文中提出一種基于3D形貌測量傳感器的離焦量測量系統：將3D形貌傳感器固定于激光頭上，在每一層加工間歇利用3D形貌傳感器測量加工件表面的離焦量。此測量系統雖然具有較高的測量精度，但是不能對離焦量實時測量，此外3D形貌傳感器價格也較高不利于設備的成本控制。

鑒于現有技術中存在的上述問題，需要設計一種激光熔覆熔池離焦量測量裝置，以實現對激光熔覆熔池離焦量的實時測量。

實用新型內容

本實用新型解決的問題是提供一種激光熔覆熔池離焦量測量裝置，以實現對激光熔覆熔池離焦量的實時測量。

為解決上述問題，本實用新型揭示了一種激光熔覆熔池離焦量測量裝置，包括殼體、鏡頭，依次連接的CMOS圖像傳感器、控制器和通信模塊，所述CMOS圖像傳感器、控制器、通信模塊設置于所述殼體內，所述鏡頭固定于所述殼體外部并與所述CMOS圖像傳感器相連接，所述鏡頭用于采集所述熔池實像并將其投射到所述COMS圖像傳感器表面，所述COMS圖像傳感器用于將所接收的光學實像轉化為數字圖像，所述控制器根據所述COMS圖像光感器所轉化的數字圖像分析所述熔池位置，并轉化為離焦量信息，所述通信模塊向外傳遞熔池離焦量信息。

優選地，所述控制器包括：

圖像采集模塊，用于采集所述CMOS圖像傳感器所產生的圖像數據，并保存于內存中；

灰度直方圖統計模塊，用于統計所述圖像采集模塊所采集得的圖像數據中指定圖像區域的各個灰度值出現的次數；

熔池灰度估計模塊，根據所述灰度直方圖統計模塊統計所得的灰度直方圖，篩選出灰度頻率峰值點，選取灰度值最大的峰值點作為所述熔池灰度閥值；

閥值分割模塊，根據所述熔池灰度值，在所指定的圖像區域中分割出大于等于熔池灰度閥值的像素點，作為屬于熔池像素點；

熔池離焦量計算模塊，根據各個所述屬于熔池像素點位置，取平均值作為熔池在所述圖像數據中的位置，并根據此位置換算為當前熔池離焦量；

所述圖像采集模塊分別連接灰度直方圖統計模塊、閥值分割模塊，所述灰度直方圖統計模塊與熔池灰度估計模塊連接，所述熔池灰度估計模塊與閥值分割模塊連接，所述閥值分割模塊與所述熔池灰度估計模塊連接。

優選地，所述控制器為嵌入式處理器，可以為DSP、ARM或FPGA，或者為以上三者的任意組合。嵌入式處理器的采用，能有效減小測量裝置的體積尺寸。