CN105642894B - 振镜控制激光扫描精度校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种振镜控制激光扫描精度校正方法，步骤为：采用制图软件等比例绘制5条横线和5条纵线，得到25特征点区域图形；将25特征点区域图形以1:1的比例打印在硬纸板上；将标准硬纸板置于激光扫描焦平面上，通过矫正软件依次对特征点进行校正，使激光束通过振镜投射到硬纸板上的激光光斑与标准硬纸板上的对应特征点重合，完成激光扫描校正。优点为：与传统校正方法相比，本发明采用直接打印输出具有标准的25特征点的硬纸板途径，然后，只需要直接观察投射到硬纸板的激光光斑是否与对应特征点重合；而不是先通过激光输出打点，然后测量并逐点调节的方法；本发明省去了繁琐的校正步骤，并降低了校正难度。
Description
技术领域
本发明属于金属粉末激光熔化增材制造技术领域，具体涉及一种振镜控制激光扫描精度校正方法。
背景技术
随着科学技术的不断创新与发展，市场竞争愈发激烈，社会需求的不断多样化促使产品更新周期缩短，而对于航空航天、船舶和武器装备等领域中的一些具有特殊性能和复杂结构的金属零件，如航空发动机涡轮盘等，通常采用的材料均为难加工材料。传统方法进行加工制造往往加工周期较长，且材料的利用率极低，尤其对于具有高复杂度的零件，甚至无法完成制造，很难满足社会的市场需求。
金属粉末激光熔化增材制造技术是二十世纪末发展起来的一类先进制造技术，该技术以积分叠加为原理，通过离散粉末的堆积焊合生长式形成终端零件。目前，采用上述技术成形金属零件有两种具体方法，一种方法叫做选择性激光熔化(Selective LaserMelting，SLM)成形技术，另一种方法叫做激光工程化净成形技术(Laser EngineeringNear-net Shaping，LENS)。两类技术均是采用金属粉末作为原料，不同之处只是SLM技术是激光扫描预沉积在成形床上的粉末成形，而LENS技术则是通过喷嘴喷粉的方式将粉末送到激光熔化池中进行成形。两类技术均能够成形传统技术难以甚至是无法制造的复杂结构金属零部件。但相比之下，SLM技术的成形复杂度和精确度更高，适合作为未来设计理念下制造中小尺寸复杂内结构零部件的成形手段。
既然SLM技术的制造原理是积分增长，如果对制造零件的精度要求高，就务必解决激光扫描每一层的尺寸精度问题。现阶段的SLM技术多采用振镜作为光路的控制设备，振镜的固有精度只能通过制造商提供。当振镜已被装配到SLM设备上，这是最为关键的环节，其是通过25点矫正来最终确定激光平面扫描的轮廓精度。一般情况下，振镜厂商会提供相应的矫正软件，通过激光在横纵各五条等距平行线的25个交叉点位置上作用于感光纸，调节具体的矫正软件修正系数，从而使相邻两点的距离相同，并且保证特殊点的共直线性，即可完成矫正。具体的，如图1所示，为25特征点布置示意图，矫正方法需要保证扫描到感光纸的相邻特征点的等距离性质，如图1中的13点与周边的8、12、18与14点，而且要保证横纵五点共直线，如11～15点，或者3、8、13、18与23点等，均需要在同一条直线上。传统矫正方法为：通过软件设定25特征点，使所设定的25特征点的坐标满足图1所示的分均，即：满足相邻特征点的等距离性质，以及满足横纵五个特征点共直线性；当在激光焦平面放置感光纸后，将矫正软件所设定的25特征点分别打到感光纸上，然后，人工使用卡尺测量感光纸上各个特征点的距离、以及人工测量横纵五个特征点是否共直线，如果等距离性以及共直线性不满足，则需要对矫正软件的修正系数进行调整，然后重新在感光纸上打出25个特征点，再人工对感光纸上的特征点进行测量；如此调整校验多次。上述方法存在的主要问题为：由于采用人工方式对感光纸特征点进行测量，由于人为的干扰因素，一方面，其测量精度有限，通常情况下，调整校验多次后的结果，激光扫描直线依然会出现鼓形和枕形的现象，如图2所示，为目标激光扫描图形；如图3所示，为采用人工校正后激光扫描得到的枕形图形，可见，具有激光扫描精度低的问题。另一方面，还具有调整校验时间长的问题，，难以满足SLM技术的高精度成形的前端调试处理需求。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种振镜控制激光扫描精度校正方法，可有效解决传统激光扫描校正中由于人为的干扰因素，所出现的激光扫描精度校正的耗时长和精度差的问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种振镜控制激光扫描精度校正方法，包括以下步骤：
步骤1，当需要校正激光对某个特定形状区域的扫描精度时，在该特定形状区域的外面绘制一个正方形，使该特定形状区域完全包围在所述正方形的内部区域；
步骤2，采用理论计算方法，在步骤1所绘制的正方形上面布置等距离的5条横线和等距离的5条纵线，通过横线和纵线的交叉点，进而确定25个特征点的理论位置坐标，使25个特征点按5行5列的阵列布置；
步骤3，基于步骤2计算得到的25个特征点的理论位置坐标，采用制图软件等比例绘制同样的5条横线和5条纵线，进而得到25特征点区域图形；
步骤4，设置激光打印机，将步骤3绘制得到的25特征点区域图形以1:1的比例打印在硬纸板上；
步骤5，采用高精度平面测距仪器对硬纸板上的25特征点进行检测，判断25特征点是否满足以下两个精度要求：要求1，相邻特征点的等距性；要求2，横向5个特定特征点或纵向5个特定特征点的共直线性；如果满足，则执行步骤6；如果不满足，则对步骤3绘制得到的25特征点区域图形进行调整，然后重新在一张新的硬纸板上以1:1的比例打印调整后的25特征点区域图形，如此不断重复，直到满足精度要求，然后执行步骤6；
步骤6，将最终得到的已打印有符合精度要求的25特征点区域图形的硬纸板作为标准硬纸板；并将该标准硬纸板严格置于激光扫描焦平面上；
步骤7，调节标准硬纸板在激光扫描焦平面的位置，具体调节方法为：启动矫正软件，通过矫正软件调整振镜控制激光束的偏转，通过振镜使激光束偏转射到硬纸板上的激光光斑与硬纸板上13号特征点重合；其中，13号特征点为标准硬纸板上的25特征点区域图形中位于中心的特征点；
步骤8，然后，保持标准硬纸板位置不动，通过矫正软件依次对除13号特征点的其他24个特征点进行校正，使激光束通过振镜投射到硬纸板上，并且，投射到硬纸板上的激光光斑与标准硬纸板上的对应特征点重合，完成激光扫描校正；
其中，将其他24个特征点中任意一个特征点记为x号特征点，其校正方法为：
通过矫正软件对振镜摆片的偏转角度进行控制，使激光器发出的激光经过振镜的偏转作用后，向标准硬纸板投射出的x号激光光斑与标准硬纸板上的x号特征点重合，如果不重合，则对矫正软件的修正系数进行调整，直到重合。
优选的，所述特定形状区域为规则形状区域或不规则形状区域。
优选的，所述规则形状区域为圆形、梯形或三角形。
优选的，步骤1中，正方形的面积大于等于特定形状区域的面积。
优选的，步骤3中，所述制图软件为AUTOCAD制图软件。
优选的，步骤4中，所述硬纸板为100～250克重的纸板。
优选的，步骤8之后，还包括：
步骤9，在激光焦平面上放置感光纸，采用校正后的矫正软件对振镜摆片的偏转角度进行控制，使激光器发出的激光经过振镜的偏转作用后，在感光纸上扫描得到25特征点区域图形；
步骤10；利用高精度平面测距仪器检测感光纸上25特征点区域图形的属性，包括：相邻特征点的间距；然后将检测到的相邻特征点的间距与理论设计值进行对比，从而测算得到激光扫描精度误差。
优选的，激光器的工作参数为：激光功率：5～20W；扫描速度：1000mm/s～2000mm/s。
本发明提供的振镜控制激光扫描精度校正方法具有以下优点：
与传统校正方法相比，本发明采用直接打印输出具有标准的25特征点的硬纸板途径，然后，只需要直接观察投射到硬纸板的激光光斑是否与对应特征点重合；而不是先通过激光输出打点，然后测量并逐点调节的方法；本发明省去了繁琐的校正步骤，并降低了校正难度
附图说明
图1为25特征点布置示意图；
图2为目标激光扫描图形；
图3为采用人工校正后激光扫描得到的枕形图形；
图4为本发明提供的振镜控制激光扫描精度校正方法的流程示意图；
图5为本发明步骤1提供的正方形绘制方法示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明：
本发明提供一种振镜控制激光扫描精度校正方法，通过引入类似打印技术，预先保证特征点的等距性和共直线性，然后调整激光光斑，使其对准特征点，从而在很短时间内即可校对激光扫描平面的位置精度，省时省力，而且精确性大大提高。
具体的，如图4所示，本发明提供的振镜控制激光扫描精度校正方法，包括以下步骤：
步骤1，当需要校正激光对某个特定形状区域的扫描精度时，在该特定形状区域的外面绘制一个正方形，使该特定形状区域完全包围在所述正方形的内部区域；
其中，特定形状区域可以为任意形状，包括规则形状区域或不规则形状区域，此外，规则形状区域包括但不限于圆形、梯形或三角形。
本发明中，所绘制的正方形只要完全包围特定形状区域即可，正方形的面积大于等于特定形状区域的面积。参考图5，即为正方形绘制方法示意图。需要满足正方形完全包围特定形状区域的原因为：由于需要校正激光对特定形状区域的扫描精度，因此，如果激光对正方形的扫描精度满足要求，那么，对于位于正方形内部的任何区域，其扫描精度必然同样满足要求。
步骤2，采用理论计算方法，在步骤1所绘制的正方形上面布置等距离的5条横线和等距离的5条纵线，通过横线和纵线的交叉点，进而确定25个特征点的理论位置坐标，使25个特征点按5行5列的阵列布置，具体的，参考图1，即为25特征点布置示意图。
步骤3，基于步骤2计算得到的25个特征点的理论位置坐标，采用制图软件等比例绘制同样的5条横线和5条纵线，进而得到25特征点区域图形；
实际应用中，制图软件优选为AUTOCAD制图软件，通过AUTOCAD制图软件，可保证所绘制的25特征点区域图形的精度，即：满足相邻特征点的等距性，以及，满足横纵特征点的共直线性。
步骤4，设置激光打印机，将步骤3绘制得到的25特征点区域图形以1:1的比例打印在硬纸板上；
为保证校正精确，硬纸板需满足一定硬度要求，优选的，硬纸板为100～250克重的纸板。而如果纸板硬度达不到上述要求，纸板会出现褶皱，影响后续测量精度，进而最终降低校正精度。
步骤5，采用高精度平面测距仪器对硬纸板上的25特征点进行检测，判断25特征点是否满足以下两个精度要求：要求1，相邻特征点的等距性；要求2，横向5个特定特征点或纵向5个特定特征点的共直线性；如果满足，则执行步骤6；如果不满足，则对步骤3绘制得到的25特征点区域图形进行调整，然后重新在一张新的硬纸板上以1:1的比例打印调整后的25特征点区域图形，如此不断重复，直到满足精度要求，然后执行步骤6；
本步骤的实现原因为：当在步骤3中，采用制图软件绘制得到高精度的25特征点区域图形后，由于打印机具有打印精度偏差，因此，打印机打印得到的25特征点可能不会满足精度要求，此时，需要调整制图软件绘制的25特征点区域图形，对打印机打印精度偏差进行补偿，最终使硬纸板上的25特征点区域图形满足高精度要求。
步骤6，将最终得到的已打印有符合精度要求的25特征点区域图形的硬纸板作为标准硬纸板；并将该标准硬纸板严格置于激光扫描焦平面上；
步骤7，调节标准硬纸板在激光扫描焦平面的位置，具体调节方法为：启动矫正软件，通过矫正软件调节振镜控制激光束的偏转，通过振镜使激光束偏转射到硬纸板上的激光光斑与硬纸板上13号特征点重合；其中，13号特征点为标准硬纸板上的25特征点区域图形中位于中心的特征点；
步骤8，然后，保持标准硬纸板位置不动，通过矫正软件依次对除13号特征点的其他24个特征点进行校正，使激光束通过振镜投射到硬纸板上，并且，投射到硬纸板上的激光光斑与标准硬纸板上的对应特征点重合，完成激光扫描校正；
其中，将其他24个特征点中任意一个特征点记为x号特征点，其校正方法为：
通过矫正软件对振镜摆片的偏转角度进行控制，使激光器发出的激光经过振镜的偏转作用后，向标准硬纸板投射出的x号激光光斑与标准硬纸板上的x号特征点重合，如果不重合，则对矫正软件的修正系数进行调整，直到重合。
可见，在进行本步骤校正过程中，由于硬纸板已具有高精度的25特征点，因此，不需要手工测量，可直观观察到投射到硬纸板的激光光斑是否与对应特征点重合，如果不重合，直接对矫正软件进行修正即可。因此，本步骤不需要进行传统的手工测量特征点距离等人工操作，从而简化的校正步骤复杂度，提高了校正精度。
步骤8之后，还包括：
步骤9，在激光焦平面上放置感光纸，采用校正后的矫正软件对振镜摆片的偏转角度进行控制，使激光器发出的激光经过振镜的偏转作用后，在感光纸上扫描得到25特征点区域图形；其中，激光器的工作参数为：激光功率：5～20W；扫描速度：1000mm/s～2000mm/s。
步骤10；利用高精度平面测距仪器检测感光纸上25特征点区域图形的属性，包括：相邻特征点的间距；然后将检测到的相邻特征点的间距与理论设计值进行对比，从而测算得到激光扫描精度误差。
本发明提供的振镜控制激光扫描精度校正方法，具有以下优点：
(1)与传统校正方法相比，本发明采用直接打印输出具有标准的25特征点的硬纸板途径，然后，只需要直接观察投射到硬纸板的激光光斑是否与对应特征点重合；而不是先通过激光输出打点，然后测量并逐点调节的方法；本发明省去了繁琐的校正步骤，并降低了校正难度；
(2)本发明巧妙引入打印机配合校正，严格保证了特征点的共直线性，避免了人工校正过程出现的鼓形与枕形误差，而且初步保证了特征点的目标距离；
(3)本发明在制备具有标准25特征点的硬纸板时，采用专业平面测距仪器测量特征点的相对位置，避免了人为测量带来的误差，提高了硬纸板上特征点的精度，进而提高了校正精度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种振镜控制激光扫描精度校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，当需要校正激光对某个特定形状区域的扫描精度时，在该特定形状区域的外面绘制一个正方形，使该特定形状区域完全包围在所述正方形的内部区域；所绘制的正方形只要完全包围特定形状区域即可，正方形的面积大于等于特定形状区域的面积；
步骤2，采用理论计算方法，在步骤1所绘制的正方形上面布置等距离的5条横线和等距离的5条纵线，通过横线和纵线的交叉点，进而确定25个特征点的理论位置坐标，使25个特征点按5行5列的阵列布置；
步骤3，基于步骤2计算得到的25个特征点的理论位置坐标，采用制图软件等比例绘制同样的5条横线和5条纵线，进而得到25特征点区域图形；
步骤4，设置激光打印机，将步骤3绘制得到的25特征点区域图形以1:1的比例打印在硬纸板上；
步骤5，采用高精度平面测距仪器对硬纸板上的25特征点进行检测，判断25特征点是否满足以下两个精度要求：要求1，相邻特征点的等距性；要求2，横向5个特定特征点或纵向5个特定特征点的共直线性；如果满足，则执行步骤6；如果不满足，则对步骤3绘制得到的25特征点区域图形进行调整，然后重新在一张新的硬纸板上以1:1的比例打印调整后的25特征点区域图形，如此不断重复，直到满足精度要求，然后执行步骤6；
步骤6，将最终得到的已打印有符合精度要求的25特征点区域图形的硬纸板作为标准硬纸板；并将该标准硬纸板严格置于激光扫描焦平面上；
步骤7，调节标准硬纸板在激光扫描焦平面的位置，具体调节方法为：启动矫正软件，通过矫正软件调节振镜控制激光束的偏转，通过振镜使激光束偏转射到硬纸板上的激光光斑与硬纸板上13号特征点重合；其中，13号特征点为标准硬纸板上的25特征点区域图形中位于中心的特征点；
步骤8，然后，保持标准硬纸板位置不动，通过矫正软件依次对除13号特征点的其他24个特征点进行校正，使激光束通过振镜投射到硬纸板上，并且，投射到硬纸板上的激光光斑与标准硬纸板上的对应特征点重合，完成激光扫描校正；
其中，将其他24个特征点中任意一个特征点记为x号特征点，其校正方法为：
通过矫正软件对振镜摆片的偏转角度进行控制，使激光器发出的激光经过振镜的偏转作用后，向标准硬纸板投射出的x号激光光斑与标准硬纸板上的x号特征点重合，如果不重合，则对矫正软件的修正系数进行调整，直到重合；
可见，在进行本步骤校正过程中，由于硬纸板已具有高精度的25特征点，因此，可直观观察到投射到硬纸板的激光光斑是否与对应特征点重合，如果不重合，直接对矫正软件进行修正即可，因此，本步骤不需要进行传统的手工测量特征点距离人工操作，从而简化校正步骤复杂度，提高校正精度；
步骤8之后，还包括：
步骤9，在激光焦平面上放置感光纸，采用校正后的矫正软件对振镜摆片的偏转角度进行控制，使激光器发出的激光经过振镜的偏转作用后，在感光纸上扫描得到25特征点区域图形；
步骤10；利用高精度平面测距仪器检测感光纸上25特征点区域图形的属性，包括：相邻特征点的间距；然后将检测到的相邻特征点的间距与理论设计值进行对比，从而测算得到激光扫描精度误差；
其中，所述特定形状区域为规则形状区域或不规则形状区域；
其中，所述规则形状区域为圆形、梯形或三角形；
其中，步骤3中，所述制图软件为AUTOCAD制图软件；
其中，步骤4中，所述硬纸板为100～250克重的纸板；
其中，激光器的工作参数为：激光功率：5～20W；扫描速度：1000mm/s～2000mm/s。
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