CN103983203B - 一种激光熔覆熔池离焦量测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种激光熔覆熔池离焦量测量装置，包括壳体、镜头，依次连接的CMOS图像传感器、控制器和通信模块，所述CMOS图像传感器、控制器、通信模块设置于所述壳体内，所述镜头固定于所述壳体外部并与所述CMOS图像传感器相连接，所述镜头用于采集所述熔池实像并将其投射到所述COMS图像传感器表面，所述COMS图像传感器用于将所接收的光学实像转化为数字图像，所述控制器根据所述COMS图像光感器所转化的数字图像分析所述熔池位置，并转化为离焦量信息，所述通信模块向外传递熔池离焦量信息。本发明所揭示的激光熔覆熔池离焦量测量装置，能够在线实时测量出熔池离焦量，并将最终测量出的离焦量数据通过通信模块直接输出。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆以及激光增材制造领域，尤其涉及一种激光熔覆熔池离焦量测量装置及其测量方法。
背景技术
激光增材制造(3D打印)技术中有一种同步送料实体熔覆成形技术，其工作原理为激光成形喷头将激光束聚焦于金属基体表面并按预定轨迹扫描，从同步送料粉管中连续喷射出金属粉末落入激光焦点中，聚焦激光将投入的金属粉末在底层金属表面形成液态金属熔池，熔池不断熔化凝固后使得熔融的金属逐层增长，控制激光扫描照射和粉末喷射区域可实现指定空间的金属分层堆积增长并形成实体，从而实现激光增材制造，即所谓激光3D打印。
在上述增材制造过程中三维实体被不断堆积长高，而激光成形喷头也需要同步提升，以保证激光聚焦光斑始终位于不断长高的成形表面。为保证喷头能准确同步提升，就需要一套成形表面至喷头距离的动态测量系统，在成形过程中不断测试并计算出激光在成形表面聚焦的偏移量，或熔池偏离激光焦点的几何量，即离焦量，然后反馈并控制喷头的移动速度，使其离焦量不超过标准，从而保证成形精度。所以，研制能够实时测量当前熔池离焦量的测量系统十分重要。
美国专利“System and method for closed-loop control of laser claddingby powder injection”(专利号：US7043330)中提出使用CCD监视器对熔池特征参数实时监控与测量。CCD摄像机固定在激光头上，捕捉到的图形信号传输至工控机，在工控机上运行的图像处理软件对所捕捉的图像实时分析，从而测得熔池离焦量。该专利所揭示的技术方案虽然可以实时对熔池离焦量测量，并通过3个CCD摄像机同时对熔池监控，在一定程度上提高了测量的精确度。但是，在该专利中，由于测量系统的计算工作在工控机上完成，使得测量系统的体积增大，不利于装备的集成，同时也增加了设备成本。
此外，公开发表的论文中也有关于熔池离焦量监控设备的报道。“Height controlof laser metal-wire deposition based on iterative learning control and3Dscanning”一文中提出一种基于3D形貌测量传感器的离焦量测量系统：将3D形貌传感器固定于激光头上，在每一层加工间歇利用3D形貌传感器测量加工件表面的离焦量。此测量系统虽然具有较高的测量精度，但是不能对离焦量实时测量，此外3D形貌传感器价格也较高不利于设备的成本控制。
鉴于现有技术中存在的上述问题，需要设计一种激光熔覆熔池离焦量测量装置及其测量方法，以实现对激光熔覆熔池离焦量的实时测量。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种激光熔覆熔池离焦量测量装置及其测量方法，以实现对激光熔覆熔池离焦量的实时测量。
为解决上述问题，本发明揭示了一种激光熔覆熔池离焦量测量装置，包括壳体、镜头，依次连接的CMOS图像传感器、控制器和通信模块，所述CMOS图像传感器、控制器、通信模块设置于所述壳体内，所述镜头固定于所述壳体外部并与所述CMOS图像传感器相连接，所述镜头用于采集所述熔池实像并将其投射到所述COMS图像传感器表面，所述COMS图像传感器用于将所接收的光学实像转化为数字图像，所述控制器根据所述COMS图像光感器所转化的数字图像分析所述熔池位置，并转化为离焦量信息，所述通信模块向外传递熔池离焦量信息。
优选地，所述控制器包括：
图像采集模块，用于采集所述CMOS图像传感器所产生的图像数据，并保存于内存中；
灰度直方图统计模块，用于统计所述图像采集模块所采集得的图像数据中指定图像区域的各个灰度值出现的次数；
熔池灰度估计模块，根据所述灰度直方图统计模块统计所得的灰度直方图，筛选出灰度频率峰值点，选取灰度值最大的峰值点作为所述熔池灰度阀值；
阀值分割模块，根据所述熔池灰度值，在所指定的图像区域中分割出大于等于熔池灰度阀值的像素点，作为属于熔池像素点；
熔池离焦量计算模块，根据各个所述属于熔池像素点位置，取平均值作为熔池在所述图像数据中的位置，并根据此位置换算为当前熔池离焦量；
所述图像采集模块分别连接灰度直方图统计模块、阀值分割模块，所述灰度直方图统计模块与熔池灰度估计模块连接，所述熔池灰度估计模块与阀值分割模块连接，所述阀值分割模块与所述熔池灰度估计模块连接。
优选地，所述控制器为嵌入式处理器，可以为DSP、ARM或FPGA，或者为以上三者的任意组合。嵌入式处理器的采用，能有效减小测量装置的体积尺寸。
优选地，所述通信模块包括输入端口和输出端口，所述输入端口用于接收所述控制器算出的熔池离焦量信息，所述输出端口用于连接上位机，向上位机发送熔池离焦量信息。
优选地，所述输出端口通信形式可以是模拟量通信，也可以是数字量通信，或者以上两者组合。
本发明还揭示了上述激光熔覆熔池离焦量测量装置的测量方法，包括以下步骤，
S1：所述镜头收集所述熔池发出的光信号，并投射在所述CMOS图像传感器表面；
S2：所述COMS图像传感器将在步骤S1中所接收的光学实像转化为数字图像；
S3：所述控制器根据所述COMS图像光感器在步骤S2中所转化的数字图像分析所述熔池位置，并转化为离焦量信息；
S4：所述通信模块向外传递在步骤S3中所得的熔池离焦量信息。
优选地，在步骤S3中，根据以下公式将所述熔池位置转化为离焦量信息y，
其中，s'为所述CMOS图像传感器表面与所述镜头中心之间距离，s为所述镜头物平面与所述镜头中心之间距离，h为所述熔池与所述镜头物平面、所述镜头轴线相交点之间距离，α为所述镜头物平面与所述熔池的运动轨迹之间的夹角。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明所揭示的激光熔覆熔池离焦量测量装置，能够在线实时测量出熔池离焦量，并将最终测量出的离焦量数据通过通信模块直接输出。
附图说明
图1是本发明优选实施例中测量装置的结构示意图；
图2是本发明优选实施例中测量装置的安装示意图；
图3是本发明优选实施例中测量装置中控制器的软件工作模块示意图；
图4是本发明优选实施例中测量装置中通信模块的结构示意图；
图5是本发明优选实施例中测量装置的测量原理的几何示意图。
具体实施方式
现有的用于激光熔覆的熔池离焦量测量装置存在以下问题：不能对离焦量实时测量，体积增大，不利于装备的集成，同时也增加了设备成本。
鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明揭示了一种激光熔覆熔池离焦量测量装置，包括壳体、镜头，依次连接的CMOS图像传感器、控制器和通信模块，所述CMOS图像传感器、控制器、通信模块设置于所述壳体内，所述镜头固定于所述壳体外部并与所述CMOS图像传感器相连接，所述镜头用于采集所述熔池实像并将其投射到所述COMS图像传感器表面，所述COMS图像传感器用于将所接收的光学实像转化为数字图像，所述控制器根据所述COMS图像光感器所转化的数字图像分析所述熔池位置，并转化为离焦量信息，所述通信模块向外传递熔池离焦量信息。
优选地，所述控制器包括：
图像采集模块，用于采集所述CMOS图像传感器所产生的图像数据，并保存于内存中；
灰度直方图统计模块，用于统计所述图像采集模块所采集得的图像数据中指定图像区域的各个灰度值出现的次数；
熔池灰度估计模块，根据所述灰度直方图统计模块统计所得的灰度直方图，筛选出灰度频率峰值点，选取灰度值最大的峰值点作为所述熔池灰度阀值；
阀值分割模块，根据所述熔池灰度值，在所指定的图像区域中分割出大于等于熔池灰度阀值的像素点，作为属于熔池像素点；
熔池离焦量计算模块，根据各个所述属于熔池像素点位置，取平均值作为熔池在所述图像数据中的位置，并根据此位置换算为当前熔池离焦量；
所述图像采集模块分别连接灰度直方图统计模块、阀值分割模块，所述灰度直方图统计模块与熔池灰度估计模块连接，所述熔池灰度估计模块与阀值分割模块连接，所述阀值分割模块与所述熔池灰度估计模块连接。
优选地，所述控制器为嵌入式处理器，可以为DSP、ARM或FPGA，或者为以上三者的任意组合。
优选地，所述通信模块包括输入端口和输出端口，所述输入端口用于接收所述控制器算出的熔池离焦量信息，所述输出端口用于连接上位机，向上位机发送熔池离焦量信息。
优选地，所述输出端口通信形式可以是模拟量通信，也可以是数字量通信，或者以上两者组合。
本发明还揭示了上述激光熔覆熔池离焦量测量装置的测量方法，包括以下步骤，
S1：所述镜头收集所述熔池发出的光信号，并投射在所述CMOS图像传感器表面；
S2：所述COMS图像传感器将在步骤S1中所接收的光学实像转化为数字图像；
S3：所述控制器根据所述COMS图像光感器在步骤S2中所转化的数字图像分析所述熔池位置，并转化为离焦量信息；
S4：所述通信模块向外传递在步骤S3中所得的熔池离焦量信息。
优选地，在步骤S3中，根据以下公式将所述熔池位置转化为离焦量信息y，
其中，s'为所述CMOS图像传感器表面与所述镜头中心之间距离，s为所述镜头物平面与所述镜头中心之间距离，h为所述熔池与所述镜头物平面、所述镜头轴线相交点之间距离，α为所述镜头物平面与所述熔池的运动轨迹之间的夹角。
本发明所揭示的激光熔覆熔池离焦量测量装置，能够在线实时测量出熔池离焦量，并将最终测量出的离焦量数据通过通信模块直接输出。
下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行详细地描述。
如图1所示，本发明揭示了一种激光熔覆熔池离焦量测量装置，包括壳体1、镜头5，依次连接的CMOS图像传感器4、控制器2和通信模块3。此处，图像传感器4的型号为MT9M001，控制器2的型号为DM642，通信模块3的型号为LM331。CMOS图像传感器4、控制器2、通信模块3设置于壳体1内，镜头5设置于壳体1外部并连接于壳体1，镜头5用于采集熔池201实像并将其投射到COMS图像传感器4表面。具体地，COMS图像传感器4与控制器2相连接，COMS图像传感器4用于将所接收的光学实像转化为数字图像，控制器2根据COMS图像光感器4所转化的数字图像分析熔池201位置，并转化为离焦量信息，通信模块3向外传递熔池离焦量信息。
如图3所示，在本发明优选实施例中，控制器2包括：
图像采集模块21，用于采集CMOS图像传感器4所产生的图像数据，并保存于内存中；
灰度直方图统计模块22，用于统计图像采集模块21所采集得的图像数据中指定图像区域的各个灰度值出现的次数；
熔池灰度估计模块23，根据灰度直方图统计模块22统计所得的灰度直方图，筛选出灰度频率峰值点，选取灰度值最大的峰值点作为熔池灰度阀值；
阀值分割模块24，根据熔池灰度值，在所指定的图像区域中分割出大于等于熔池灰度阀值的像素点，作为属于熔池像素点；
熔池离焦量计算模块25，根据各个属于熔池像素点位置，取平均值作为熔池201在图像数据中的位置，并根据此位置换算为当前熔池离焦量。
如图3所示，图像采集模块21分别连接灰度直方图统计模块22、阀值分割模块24，灰度直方图统计模块22与熔池灰度估计模块23连接，熔池灰度估计模块23与阀值分割模块24连接，阀值分割模块24与熔池灰度估计模块23连接。
优选地，控制器2为嵌入式处理器，可以为DSP、ARM或FPGA，或者为以上三者的任意组合。
优选地，如图4所示，通信模块3包括输入端口32和输出端口31，输入端口32用于接收控制器2算出的熔池离焦量信息，输出端口用于连接上位机，向上位机发送熔池离焦量信息。
优选地，输出端口31通信形式可以是模拟量通信，也可以是数字量通信，或者以上两者组合。
本发明还揭示了上述激光熔覆熔池离焦量测量装置的测量方法，包括以下步骤，
S1：镜头5收集熔池201发出的光信号，并投射在CMOS图像传感器4表面；
S2：COMS图像传感器4将在步骤S1中所接收的光学实像转化为数字图像；
S3：控制器2根据COMS图像光感器4在步骤S2中所转化的数字图像分析熔池201位置，并转化为离焦量信息；
S4：通信模块3向外传递在步骤S3中所得的熔池离焦量信息。
优选地，在步骤S3中，根据以下公式将熔池201位置转化为离焦量信息y，
其中，s'为CMOS图像传感器4表面与镜头5中心之间距离，s为镜头5物平面与镜头5中心之间距离，h为熔池201与镜头5物平面、镜头5轴线相交点之间距离，α为镜头5物平面与熔池201的运动轨迹之间的夹角。
请参考图5，熔池201沿着直线400上下运动，其运动轨迹不超过镜头5的镜头视角500的范围。镜头5收集熔池201发出的光信号，并投射在CMOS图像传感器4表面，镜头5的物平面600与镜头5轴线700相交于点a，镜头5轴线700与CMOS图像传感器4表面相交于点b；记CMOS图像传感器4表面与镜头5中心之间距离为s'，物平面600与镜头5中心之间距离为s；设定点a高度为0，熔池201与点a之间距离记为高度h；记熔池201在CMOS图像传感器4表面所成像与点b之间距离为y；记直线400与物平面600之间夹角为α。经分析，y与h之间的几何关系为：由此，可以精确地计算出熔池201的离焦量。
本发明所揭示的激光熔覆熔池离焦量测量装置，使用时，如图2所示，采用夹具300将壳体1与激光头100相连接，以保持壳体1与激光头100的相对静止；激光束101经凸透镜102聚焦后形成锥形会聚光，焦点103相对于激光头静止；激光束101经汇聚后照射在加工件202表面，并形成熔池201；镜头5轴线正对着焦点103，以采集熔池光信号并投影在CMOS传感器4表面；熔池201与焦点103距离的变化将引起CMOS传感器4表面亮点位置的改变，然后通过控制器2进行分析并转化为离焦量信息。
本发明所揭示的激光熔覆熔池离焦量测量装置，能够在线实时测量出熔池离焦量，并将最终测量出的离焦量数据通过通信模块3直接输出。
本发明所揭示的激光熔覆熔池离焦量测量装置，体积尺寸小，测量过程简单。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种激光熔覆熔池离焦量测量装置，其特征在于：包括壳体、镜头，依次连接的CMOS图像传感器、控制器、通信模块和激光头，所述CMOS图像传感器、控制器、通信模块设置于所述壳体内，壳体与激光头保持相对静止，所述激光头发出激光束并产生熔池，所述镜头沿轴线正对焦点以采集熔池实像并将其投射到所述CMOS图像传感器表面，所述CMOS图像传感器用于将所接收的光学实像转化为数字图像，所述控制器根据所述CMOS图像传感器所转化的数字图像分析所述熔池位置，并转化为离焦量信息，所述通信模块向外传递熔池离焦量信息。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆熔池离焦量测量装置，其特征在于：所述控制器包括：
图像采集模块，用于采集所述CMOS图像传感器所产生的图像数据，并保存于内存中；
灰度直方图统计模块，用于统计所述图像采集模块所采集得的图像数据中指定图像区域的各个灰度值出现的次数；
熔池灰度估计模块，根据所述灰度直方图统计模块统计所得的灰度直方图，筛选出灰度频率峰值点，选取灰度值最大的峰值点作为所述熔池灰度阀值；
阀值分割模块，根据所述熔池灰度值，在所指定的图像区域中分割出大于等于熔池灰度阀值的像素点，作为属于熔池像素点；
熔池离焦量计算模块，根据各个所述属于熔池像素点位置，取平均值作为熔池在所述图像数据中的位置，并根据此位置换算为当前熔池离焦量；
所述图像采集模块分别连接灰度直方图统计模块、阀值分割模块，所述灰度直方图统计模块与熔池灰度估计模块连接，所述熔池灰度估计模块与阀值分割模块连接，所述阀值分割模块与所述熔池灰度估计模块连接。
3.根据权利要求1或2所述的激光熔覆熔池离焦量测量装置，其特征在于：所述控制器为嵌入式处理器，可以为DSP、ARM或FPGA，或者为以上三者的任意组合。
4.根据权利要求1所述的激光熔覆熔池离焦量测量装置，其特征在于：所述通信模块包括输入端口和输出端口，所述输入端口用于接收所述控制器算出的熔池离焦量信息，所述输出端口用于连接上位机，向上位机发送熔池离焦量信息。
5.根据权利要求4所述的激光熔覆熔池离焦量测量装置，其特征在于：所述输出端口通信形式可以是模拟量通信，也可以是数字量通信，或者以上两者组合。
6.根据1、2、4或5任一权利要求所述的激光熔覆熔池离焦量测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1：所述镜头收集所述熔池发出的光信号，并投射在所述CMOS图像传感器表面；
S2：所述CMOS图像传感器将在步骤S1中所接收的光学实像转化为数字图像；
S3：所述控制器根据所述CMOS图像传感器在步骤S2中所转化的数字图像分析所述熔池位置，并转化为离焦量信息；
S4：所述通信模块向外传递在步骤S3中所得的熔池离焦量信息。
7.根据权利要求6所述的激光熔覆熔池离焦量测量装置的测量方法，其特征在于：在步骤S3中，根据以下公式将所述熔池位置转化为离焦量信息y，
其中，s'为所述CMOS图像传感器表面与所述镜头中心之间距离，s为所述 镜头物平面与所述镜头中心之间距离，h为所述熔池与所述镜头物平面、所述镜头轴线相交点之间距离，α为所述镜头物平面与所述熔池的运动轨迹之间的夹角。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20171109 Address after: Suzhou City, Jiangsu province 215123 Xiangcheng District Ji Road No. 8 Applicant after: Soochow University Address before: Zhangjiagang mayor Jingyang Road Suzhou City, Jiangsu province 215600 No. 10 Applicant before: Zhangjiagang Institute of Industrial Technologies Soochow University |
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20171215 Termination date: 20200529 |