CN100340844C - 一种用于光固化快速成型工艺的树脂液位检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光固化快速成型工艺的树脂液位检测方法。针对光固化成型***中树脂液位波动影响工件成型精度，采用在树脂槽液面上方设置半导体激光器(LD)和接收液面反射光的半导***置敏感器件(PSD)，将树脂液位转换为电信号的方法，实现液位的精确测量。鉴于不同树脂反射率不同，现有液位计对于透明树脂无法测量的问题，本发明光源采用了高频调制激光以克服杂散光的干扰，激光强度根据被测液面反射率而自适应地改变，可测各种反射率的液面，采用闭环反馈，通过比例积分调节改变激光强度，自动将PSD的电流I₁+I₂＝常数。克服了传统采用除法芯片在反射光较弱时误差变大的缺点，简化了计算，提高了测量精度。

Description

一种用于光固化快速成型工艺的树脂液位检测方法

                        技术领域

本发明属于快速成型技术领域，特别是一种用于光固化快速成型工艺的树脂液位检测方法。

                        背景技术

光固化快速成型以光敏树脂为原料，通过计算机控制紫外激光的扫描轨迹使其凝固成型。首先在槽中盛满液态光敏树脂，激光器发出的紫外激光束在偏转***的控制下按零件的分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层因被紫外光照射而产生光聚合反应，固化形成零件的一个薄层。此后，工作台下移一个薄层厚度，以使在上次固化的树脂表面敷上一层新的液态树脂，通过对下一层的扫描加工，新固化的一层将粘结在前一层上，如此重复直至零件制造完毕，得到三维实体原型。

为了保证零件的制作精度，并兼顾成型效率，成型机针对不同的零件及精度要求，在数据分层处理时，可采用不同的分层厚度(0.1～0.3mm)，这样既可以选择较小的分层厚度，以保证较高的零件表面质量，也可以采用大的分层厚度，以减少制作时间。

保证精确的层厚，是保证快速成型制件Z方向精度的关键。目前，采取的关键技术之一是真空吸附刮平***，其主要作用在于保证液面的平整，而真正要保证精确的层厚，就必须保证液面位置的恒定。在没有采用激光液位检测之前，液位主要靠树脂溢流方式维持稳定，但溢流使槽内的树脂液面产生梯度，造成工件向一个方向倾斜，而溢流流量的变化又使上述倾斜呈不确定性，会影响成型件的质量。

光固化快速成型机的液位激光测控***是成型机的重要部件。它检测槽中树脂液位的变化，使树脂液面保持在合理的范围，保证加工件有精确的层厚。国内外成型机的树脂槽液位检测大多采用非接触式激光液位计。基于光学三角测量原理，以激光直射树脂液面，然后从侧面收集散射光，经透镜光点成像在PSD(Positon Sensitive Device)或CCD(Charge CoupledDevice)上。通过检测光点的位置变化，可以高精度地测得液位高低。但是，实践证明这种方法对透明状的光敏树脂，由于散射光强度很弱，无法测得液位信号。

                        发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种用于光固化快速成型工艺的树脂液位检测方法。

为了实现上述任务，本发明采用的技术解决方案是，一种用于光固化快速成型工艺的树脂液位检测方法，其特征在于，该方法采用反射式倾角测量法检测树脂液位的移动量Δx，具体包括以下步骤：

1)首先在光固化快速成型机的树脂槽树脂液面上方设置一半导体激光器和一个用于接收半导体激光器反射光的半导体光电位置敏感元件，并对激光进行高频调制，使半导体激光器响应为高频脉冲信号，并在电路中采用高通滤波的方法将信号与干扰分离；

2)半导体激光器发出的光束照射在被测树脂液面上并被反射到半导体光电位置敏感元件的敏感表面上，将树脂槽液面的位移量转换为电信号，半导体激光器的入射角为α；液面的位移量Δx在半导体光电位置敏感元件的长度距离AB的关系为：AB＝2Δxsinα。

本发明光源采用了高频调制激光以克服杂散光的干扰，激光强度根据被测液面反射率而自适应地改变，可测各种反射率的液面，采用闭环反馈，通过比例积分调节改变激光强度，自动将PSD的电流I₁+I₂＝常数。克服了传统采用除法芯片在反射光较弱时误差变大的缺点，简化了计算，提高了测量精度。

本发明的方法测量分辨率高，能够满足光固化成型对液位的检测要求，可提高成型件的质量。

                        附图说明

图1是PSD器件的基本结构及特性；

图2是反射式倾角测量法原理图；

图3是依本发明的方法开发的激光液位检测补偿装置框图；

图4是高频调制方法原理图。

以下结合附图和本发明的技术原理对本发明作进一步的详细说明。

                      具体实施方式

本发明的用于光固化快速成型工艺的树脂液位检测方法，采用半导体光点位置敏感元件PSD作为敏感元件，半导体激光二极管(LD)作为光源，基于反射式倾角测量原理检测树脂液位的移动量。

1.PSD器件的基本结构及特性

PSD是半导体光点位置敏感元件，其基本结构如附图1所示。当有光束照射在其感光面上某一点时，就会在感光面产生一定的光生电流I₀。此电流以I₁和I₂分别流向两输出电极，I₁和I₂分流关系取决于入射光点位置到两极的等效电阻，又由于半导体光点位置敏感元件的P层阻抗均匀一致，则有以下分流关系成立：

$\frac{I_1}{I_2}=\frac{R_2}{R_1}=\frac{L-x}{x}---\left(1\right)$

进而有： $x=\frac{I_2}{I_0}L---\left(2\right)$

上式中，位置输出信号x值只与分流关系相关。

2.反射式倾角测量法原理

反射式倾角测量方法中的激光与铅垂线不重合，而是有一定夹角。原理如附图2。光源(LD)所发出的光束照射在被测树脂液面上并被反射，照射在PSD的敏感表面上。由于液位高低与成像点落在PSD上的位置一一对应，所以可由PSD检测电路得到的信号计算出液位高低。即激光入射角为α，树脂液面的位移量Δx在光电传感器的长度距离AB的关系为：AB＝2Δxsinα。

3.杂散光和暗电流的影响以及对策

从公式(2)可以看出，检测中，如果除了工作光束外还有其它杂散光线进入，如房间中的日光灯和成型机中的照明灯等，都会在半导体光电位置敏感元件PSD上产生附加电流，破坏关系式的成立。这无疑会干扰***的正常检测，使精度降低，甚至使***无法工作。在仪器设计中必须考虑如何解决杂散光干扰问题。

在没有光束入射时，半导体光电位置敏感元件PSD两输出电极所输出的电流称为暗电流，暗电流随偏置电压和温度变化而变化，环境温度的上升会引起半导体光电位置敏感元件PSD暗电流的增大，暗电流的存在不仅要带来误差和噪声，而且具有类似背景光产生的不利效应。因此使用时应加以消除。

考虑在仪器使用中干扰杂散光多为自然光或人工照明，这类干扰源的特点是其亮度变化是缓慢的，在半导体光电位置敏感元件PSD上造成的响应为直流和低频信号，如果对激光进行高频调制，使半导体光电位置敏感元件PSD响应为高频脉冲信号，则可在电路中采用高通滤波的方法将信号与干扰分离，再通过线性检波，将交流信号转换为直流信号。

在图1中，求 $x=\frac{I_2}{I_0}L$ 的时候，一般的方法是用除法芯片实现上式除法运算。本申请采用闭环反馈，通过PI(比例积分)调节，改变激光强度，自动将半导体光电位置敏感元件PSD的输出电流I₀(即I₁+I₂)＝常数。这样读取I₁或I₂其一，即可测得液位高低。实践证明，这种方案可行。

本发明的反射式倾角测量方法中，半导体激光器发出的光束与铅垂线有一定的夹角。原理如图2所示。半导体激光器(LD)所发出的光束照射在树脂液面上并被反射，照射在半导体光电位置敏感元件PSD的敏感表面上。经设置的半导体光电位置敏感元件PSD检测电路检测，然后据此计算而得出树脂液面的高低变化。

图2中的Δx为树脂液面的变化，AB长度为反射点在PSD器件上的变动，入射角为α。根据平面几何的知识，AB与Δx的关系为AB＝2Δxsinα。

当一束光射到半导体光电位置敏感元件PSD的光敏面上时，在同一面上的不同电极之间将会有电流流过，这种电压或电流随着光点位置变化而变化的现象称为半导体的横向光电效应。因此，可以检测入射光点的照射位置，具有没有死区，分辨率高，适配电路简单等特点。

参见图3，图3是依本发明的方法给出一种激光液位检测装置框图，它包括：PSD器件，半导体激光器(LD)，在半导体光电位置敏感元件PSD连接一数据采集卡，该数据采集卡对采集的树脂液面的位移量Δx进行A/D转换，并输入到工控机，工控机上连接有步进电机控制卡，步进电机控制卡与步进电机驱动器连接，用于控制步进电机的旋转、定位和限位。

在光固化快速成型机的工作台下降时，由树脂槽内的刮板刮平树脂后，由工控机发出指令执行液位控制程序，然后，通过步进电机控制卡与步进电机驱动器控制控制步进电机将树脂槽液位调节到给定位置。

半导体光电位置敏感元件PSD的测量值通过一块适用于PC的高性能、高速的多功能数据采集卡进行A/D转换，(如，用台湾研华公司的ADAM-4017八通道模拟量输入模块，该模块分辨率16Bit，可保证足够的精度)经转换后的数字量通过RS-485与工控机(计算机)进行数据通信。

图4是高频调制方法原理图，高频调制方法采用闭环反馈，半导体光电位置敏感元件的两个输出端A、B分别连接电流/电压转换器、交流放大器和线性检波器，并输入一个加法器中，通过比例积分器和调光三极管改变半导体激光器的激光强度，自动将半导体光电位置敏感元件的输出电流I₀＝I₁+I₂＝常数，其中I₀为总电流，I₁、I₂是半导体光电位置敏感元件的两个输出端A、B的电流值，读取I₁或I₂其中之一，即可测得液位高低。

经申请人的实践证明，本发明的测量分辨率高，可有效地改善成型工件的制作质量。

鉴于国内外激光液位计都是用固定强度激光，只能测不透明、反射率大的液体，对透明液体难以测量。本发明的激光强度根据被测液面反射率而自适应地改变，可测各种反射率的表面。

Claims (1)

1.一种用于光固化快速成型工艺的树脂液位检测方法，其特征在于，该方法采用反射式倾角测量法检测树脂液位的移动量Δx，具体包括以下步骤：

1)首先在光固化快速成型机的树脂槽树脂液面上方设置一半导体激光器和一个用于接收半导体激光器反射光的半导体光电位置敏感元件，并对激光进行高频调制，使半导体激光器响应为高频脉冲信号，并在电路中采用高通滤波的方法将信号与干扰分离；

2)半导体激光器发出的光束照射在被测树脂液面上并被反射到半导体光电位置敏感元件的敏感表面上，将树脂槽液面的位移量转换为电信号，半导体激光器的入射角为α；液面的位移量Δx在半导体光电位置敏感元件的长度距离AB的关系为：AB＝2Δxsinα；

所述的高频调制方法采用闭环反馈，将半导体光电位置敏感元件的两个输出端分别连接电流/电压转换器、交流放大器和线性检波器使输出端的电流转换为直流信号，并输入一个加法器中，通过比例积分器和调光三极管改变半导体激光器的激光强度，自动将半导体光电位置敏感元件的输出电流I₀＝I₁+I₂＝常数，其中I₀为总电流，I₁、I₂是半导体光电位置敏感元件的两个输出端的电流，读取I₁或I₂其中之一，即可测得液位高低。

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