CN1582451A - 使用激光包层和激光辅助的直接金属制造工艺中的图像成像和图像处理技术实时监测和控制淀积高度的方法和*** - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种方法和***，用于在激光包层和激光辅助的直接金属制造工艺中使用图像成像和图像处理技术，来监测和控制淀积的高度。本发明还提供一种方法，不管激光功率单元的操作条件如何都可以控制激光功率强度的方法，激光功率的强度是最重要的工艺变量之一。本发明的方法和***通过实时地监测熔池的位置和高度，以及通过在这种基于激光表面改进技术的激光包层和激光辅助直接金属制造工艺中使用图像成像和图像处理技术来控制工艺变量，从而控制淀积的高度，这种激光包层和激光辅助直接金属制造工艺比如激光表面合金和激光包层，或激光辅助的直接金属制造技术。

Description

使用激光包层和激光辅助的直接金属制造工艺中的 图像成像和图像处理技术实时监测和控制淀积高度的方法和***
技术领域
本发明涉及使用激光包层和直接金属制造中的图像成像和图像处理技术来实时监测和控制包层高度的方法。
背景技术
激光辅助的直接金属制造被定义为快速近似净成形，它是在存储于计算机中三维对象的数字数据基础上能够采用功能材料(比如，金属、合金、陶瓷等)快速制造成产品制造所必需的三维产品和工具，且属于“直接金属加工”的范畴内。
三维对象的数字数据包括：三维计算机辅助设计(CAD)数据、医学计算机X线断层摄影术(CT)和核磁共振成像(MRI)数据，以及由三维物体数字化***测量的数字数据，且工具表示的是产品制造所必需的试验和批量生产的模型及模具。
与传统的制造技术——例如，电脑数值控制(CNC)切割、铸造以及其它制造机械等——相比，这些技术可使功能性金属原型、试验及批量生产的模型、复杂形状的成品以及各种工具都能快速地制造。这些技术可通过使用反向工程技术应用于模型和模具的恢复、重铸和修补。
这些技术的基本概念与通用的打印机类似，其中，可由CAD数据产生物理形状。直接金属制造可以通过将功能性材料以精确的位置形成于三维空间的方式来产生三维物理形状，这与打印机通过使用存储于计算机内文件数据在纸张两维表面上的精确位置喷涂碳或墨水几乎是一样的。
由于很难采用传统制造工艺由CAD数据来产生三维形状，在该工艺中，将材料切割为一模型或将熔铸材料浇入并凝固为一模型，因此必须应用材料累加(Incress)制造(MIM)的工艺。
基本上，三维物体是由两维表面组成，且每个两维表面是由一维线条组成。因此，可通过将一个两维表面层叠在另一个两维表面上来制造一个三维形状。这种技术被称为MIM工艺。如图1所示，通过构成形状的附加材料淀积来制造三维形状，这不同于传统的制造工艺，在传统的制造工艺中，是将大块的材料切割为模型或将熔铸金属浇入并凝固为模型。
在激光辅助的直接金属制造技术中，两维表面是通过激光包层的方法物理形成的。
如图2所示，激光包层技术可以在样本的表面形成包层205，所采用的方式为，通过将激光束202照射在样本表面201上以形成一局部熔池203，同时从外部将粉末状的包层材料(比如，金属、合金、陶瓷等)馈送到该熔池203。参考图3，在激光辅助的直接金属制造中，三维功能金属产品或工具可快速成形，所采用的方式为，由三维CAD数据计算两维剖面信息，从而形成包层，每个包层具有对应于两维剖面信息的形状、厚度和/或高度。
用于成形工艺的两维剖面信息，通过将三维CAD数据切成厚度均匀和/或高度均匀的数据或切成厚度变化的两维数据来完成，这些数据可用作成形信息。为了通过使用剖面信息来物理地实现对应CAD数据的精确三维形状，可通过激光包层工艺来形成对应两维剖面信息的形状、高度和/或厚度都精确的包层。
上述的工艺大大地影响了三维产品的尺寸精度。特别地，控制包层高度的技术，是实现激光辅助的直接金属制造技术中的一项关键技术。
在激光辅助的直接金属制造技术中，如图2中的激光包层技术所示，通过在沿x和y轴方向的固定激光束附近或固定样本周围的激光束附近***和传递一金属衬底(以下称为“样本”)来形成包层。可选择地，该激光束可与该样本一起传递，且可利用三轴或更多轴传递***或机械手来增加制造的自由度。
在成形的工艺中，对应两维剖面信息的包层形状，主要取决于由剖面信息和传递***精度的计算而得的加工路径，且可以相对容易地被实现。但是，包层的高度受大量工艺参数的影响，这些参数诸如激光功率、激光束的模式和尺寸、样本的穿透速度、包层粉末的特性、粉末馈送速率、粉末沉降速度、包层珠的重叠因素、所提供的不同辅助气体的种类或流量等。另外，环境因素，诸如由热积蓄引起的样本表面的温度变化，样本表面的条件以及激光发生器，会影响所形成的包层的高度。
因此，为了获得对应两维剖面信息的包层高度，有一个技术难点，即应该在实时监测熔池位置的同时，来控制影响包层高度的工艺参数。
美国专利6,122,564号揭示了一种反馈装置和方法，包括使用光电晶体管的光学检测设备和电子电路以实现控制包层高度的目的。在该方法中，光学检测设置在通过激光束照射在样本表面所形成的熔池附近，且该光学检测设备的光轴设置成正对着目标高度，从而当熔池达到目标高度时就会检测到从熔池辐射的光(红外线波长的光)。该光学检测设备包括窄带带通滤波器、摄像机镜头、光电晶体管或光电传感器。为了只有当熔池达到其与光轴相接触的高度时光电晶体管才能检测出光线(红外光线)，因此在该光电晶体管前方设置一掩膜，该掩膜具有一孔径，该孔径的中心通过该光轴。
这样，当熔池达到目标高度(包层的高度达到目标值)时，只具有红外光波长的光线部分可通过窄带带通滤波器，并可以通过掩膜的孔径，从而光电晶体管可以检测到光线。但是，当熔池没有达到目标高度的时候，由熔池辐射的光线被掩膜挡住了，因此光电晶体管就无法检测到任何光线。
在这种方法中，要通过光电晶体管的光检测来确定包层的高度(熔池)是否到达目标值。当光电晶体管暴露于光线的时候，就会产生电压降的现象。在这种情况下，就需要构成一种电路，从而可以使用所产生的电信号来控制传输到激光发生器的模拟电压信号，且通过使激光束根据光电晶体管的光检测来开或关从而控制激光功率。
但是，在美国专利6,122,564号中，无论熔池的高度是大于还是小于包层的目标值，光学检测设备都确定为相同。此时，发生了一个问题，即产生了一标准激光功率。特别是，当在某些特定位置包层高度部分大于目标值时，该光学检测设备仍确定包层高度未达到目标值，且产生一标准激光功率。
因此，在该位置的包层就会涂覆得更加厚或更加高，且该在此位置对激光包层的重复处理使该问题变得更加严重，从而破坏了成形的精度。另外，在激光辅助的直接金属制造中，当使用厚度和/或高度均匀的两维剖面信息来形成三维形状时，光学检测设备的机械机构不会有问题。但是，当使用厚度和/高度变化的两维剖面信息来形成三维形状时，产生了一个问题，即无论包层高度如何改变，就需要设置并纠正光学检测设备。
此外，激光功率的控制方法只是激光束的开/关方法，在该方法中，激光脉冲的持续时间是受控制的，因此难以将该技术应用于一连续波的激光发生器。
发明内容
因此，本发明就一直关注着在现有技术中所发生的上述问题，而且本发明的目的是提供一种方法和装置，在激光包层和激光辅助的直接金属制造中，该方法和装置使用高速图像成像和图像处理技术能够实时地测量熔池的位置和高度，且可通过控制工艺参数来理想地控制包层的高度。
本发明的另一个目的是提供一种激光功率校准方法，该方法可以获得激光功率，该激光功率是一项非常重要的工艺参数，它与激光的状态无关。
本发明的另一个目的是提供一种方法和装置，其中，实时测量熔池的实际位置和高度，从而控制工艺参数，使得包层高度精确地与包层的目标值相一致，当使用包括可变厚度的两维剖面信息来形成三维形状时，可以在不需要重新设置或纠正图像检测设备的情况下完成成形操作，本发明的方法和装置可适用于脉冲和连续波激光，且可通过成形工艺中的监测器来观察实际包层工艺的图像。
本发明的还有一个目的是提供一种方法和装置，它的有利之处是，该方法和装置可应用于激光表面的改进，该激光表面诸如激光表面合金和激光包层，以及激光多层包层，在激光多层包层中，通过重复的激光包层以及激光辅助的直接金属制造形成2mm或更大的包层。
为了实现上述目的，本发明提供了一种方法，用于在激光包层和激光辅助的直接金属制造中检测并控制包层的高度，该方法包括如下步骤：使用图像成像和图像处理技术实时检测并测量熔池的位置和高度，以及实时控制工艺参数。
另外，本发明提供一种装置，用于在激光包层和激光辅助的直接金属制造中使用图像成像和图像处理技术实时检测并控制包层的高度，该装置包括：激光发生器，用于通过激光束照射在样本的表面形成熔池；束传输装置，用于传输由激光束发生器所产生的激光束；束聚焦装置，用于聚焦通过束传输装置所传输的激光束；包层材料进料器，用于向通过由束聚焦装置聚焦的激光束所辐射在样本表面形成的熔池供给包层材料；传递***，用于通过位于z轴方向的束聚焦装置在包层工艺中保持激光束的焦距不变，并沿着激光束附近的加工路径自由地传递样本，从而在样本固定于x和y轴工作台的情况下完成激光包层；CAD/CAM装置，用于在三维CAD数据的基础上产生诸如加工路径之类的成形信息，并传输该成形信息；图像成像装置，用于实时获得熔池的图像并传输熔池的图像；图像处理装置，用于接收熔池的图像，在熔池图像的基础上来计算熔池的位置和高度，并传输所计算的数值；以及控制***，用于控制和监测元件，从CAD/CAM装置接收成形信息并完成激光包层，以及接收有关熔池的信息并实时控制工艺参数从而使包层的位置和高度达到目标值。
附图简述
通过以下结合附图所作的详细描述，将可以更加清楚地理解本发明的上述及其它目的、特征和优点，其中：
图1是说明材料累加制造(MIM)的示意图；
图2是说明激光包层的示意图；
图3是说明激光辅助的直接金属制造的示意图；
图4是说明激光辅助的直接金属制造***的示意图；
图5是上述***的局部放大图，其中设置了同心的粉末进料喷嘴和图像成像装置；
图6是上述图像成像设备的放大图；
图7、图7(A)和7(B)是显示第二种原理的曲线图，第二种原理可采用图像成像装置来观察熔池的图像，图7(A)是在激光束光轴上观察熔池的示意图，图7(B)是在监测器中观察熔池的图；
图8是显示第一种原理的示意图，第一种原理可采用图像成像装置观察熔池的图像；
图9(A)到(D)是显示根据样本或激光束传递方向的熔池图像的变化示意图，图9(A)是熔池正对图像成像装置所获得的示意图，图9(B)是熔池与图像成像装置成相反方向所获得的示意图，图9(C)和(D)是当样本或激光束在垂直于图像成像装置光轴的方向上传递时所获得的示意图；
图10为示出怎样根据熔池高度的变化来监测熔池图像的示意曲线图；
图11(A)到(C)是显示激光功率、包层高度和激光功率类型之间相关关系的图形；
图12是显示采用本发明的方法和装置制造的简单金属部分的照片；
图13是显示采用本发明的方法和装置制造的移动电话模型部分的照片；
图14是显示采用本发明的激光辅助直接金属制造技术制造的叶轮部分的照片；以及
图15是显示采用本发明的方法和装置重铸和制造的汽车挡泥板模型一部分的照片。
实施本发明的最佳方式
下文详细描述了根据本发明实施例在包层和直接金属制造中使用图像成像和图像处理实时监测并控制包层高度的方法。
图4是说明激光辅助的直接金属制造***的示意图。本发明的激光辅助直接金属制造***包括用于实时控制包层高度的图像成像和处理装置407和408，以及用于由三维CAD数据计算两维剖面信息、计算对应两维剖面信息的加工路径并传递到控制***403的计算机辅助设计(CAD)/计算机辅助制造(CAM)409。
激光发生器401较佳为工业CO2激光器，但是也可以是能够通过激光束的照射在金属样本的表面形成熔池的任何波长的激光器，比如Nd-YAG或高功率二极管激光器。由激光发生器所产生的激光束通过束传输装置405传输到束聚焦装置406。当应用Nd-YAG激光器等激光器时，就可通过光纤来传输激光束。
束聚焦装置406通过结合透镜、反射镜等光学部件制成，其所起的作用为聚焦激光束以使其适合激光包层。同心的粉末进料喷嘴414设置在束聚焦装置406下方，从而向熔池馈送由包层材料进料器404——较佳为粉末进料***——所提供的粉末。
同时，包层材料较佳为粉末状，但也可以为棒状或带状。当使用粉末状的包层材料时，可使用同心的粉末进料喷嘴和外侧的粉末进料喷嘴，并且可根据基于激光束提供粉末的方向来区别这两种喷嘴。
同心的粉末进料并未限制加工路径，因为它可以使金属粉末在所有方向上均匀地馈送至熔池，而且它适合于激光辅助的直接金属制造。
另一方面，外侧的粉末进料可以使金属粉末在激光束一侧的方向上馈送至熔池。外侧的粉末进料可将粉末损耗比率减小至最大为5％，且适合于形成厚度超过1mm的相对较厚的包层珠。但是，由于各向异性，其中珠子的形状和高度在包层方向上(样本或激光束的传递方向)是变化的，因此外侧的粉末进料受限于成形操作的加工路径。
同时，传递***(工作平台)402保持着位于z轴方向上的束聚焦装置406进行包层工艺中激光束的焦距不变，且可沿着激光束附近的加工路径自由地传递样本，从而可采用固定在x和y轴工作台上的样本来完成激光包层。
在激光辅助的直接金属制造和常规激光包层的工艺中，除了上述的传递***402之外，还可应用一传递***，在该***中，激光束可在固定样本的附近传递，或者激光束和样本同时传递。另外，为了提高制造的自由度，还可应用三轴或更多轴传递***或机械手。
气体控制***412所起的作用是控制激光包层中使用的各种气体。标号410和411分别表示冷却装置和户外单元。
控制***403包括个人计算机数字控制(PC-NC)***和各种输入和输出设备。控制***403可实时控制并监测构成本发明的激光辅助直接金属制造***的所有装置，且还包括激光发生器401、传递***402、包层材料进料器404、气体控制***412和冷却装置410。
特别是，控制***403的作用是根据从CAD/CAM装置409接收到的成形信息来执行激光包层的操作，并根据从图像处理装置408接收到的有关熔池高度的信息来实时控制包层工艺参数，从而使包层高度达到目标值。可替换的是，该控制***可包括通用的数字控制***，来代替PC-NC***。
图5是该***的局部放大图，在该图中，设置了同心的粉末进料喷嘴414和图像成像装置407。在该附图中，为了易于图示，未示出激光束202和为熔池203所提供的粉末流204。
如图2所示，在激光包层的工艺中，熔池203是由激光束202照射在样本的局部区域所形成的，与样本200或激光束的传递状态无关。因此，如图5所示，图像成像装置407可设置成与激光束的光轴501形成90-θ°的角度，并使图像成像装置407的光轴502通过激光束照射的区域，由此可将熔池的图像(比如，高度的变化)进行成像。
图6是图像成像装置407的放大图。该图像成像装置407包括中密度(ND)滤波器603、滤波器安装固定装置604、透镜602和电荷耦合器件(CCD)摄像机601。
ND滤波器603所起的作用是减小由熔池203反射的光线以及在ND滤波器603上的入射光线，从而保护透镜602不受激光包层工艺中所产生溅射的影响。ND滤波器603安装在透镜602的前面，也就是滤波器安装固定装置604。通过冷却管提供冷却水，冷却管605设置在滤波器安装固定装置604的圆周表面上，从而保护ND滤波器603和透镜602免受由从熔池203发射的辐射热量的损害。
透镜602所起的作用为向CCD摄像机601传输熔池203的图像。透镜602可包括通用摄像机透镜，但较佳地包括放大倍率固定的变焦透镜，从而将熔池203的图像失真最小化。
在本实施例中，为了实时地获得熔池203的图像，应用了高速黑白的CCD摄像机，它能够以步进扫描模式获得50帧/秒的图像。该CCD摄像机601每20毫秒获取熔池203的图像并向图像处理装置408传输图像信息。为了以更高的速度获得熔池203的图像，也可应用150帧/秒或更高的高速CCD摄像机。
图像成像装置407每20毫秒向图像处理装置408传输熔池203的图像信息。而图像处理装置408则使用图像处理技术来计算熔池的物理位置和高度，并实时地将计算的数据传输到控制***403。
图像处理装置408包括帧抓取装置和个人计算机，该帧抓取装置为一个只处理图像的板卡。使用Visual C++编程语言对图像处理(对熔池高度的计算)的软件进行编程。
该软件从图像成像装置407接收一幅图像信息并计算出熔池的位置和高度的嘴快速度需要5毫秒。如果应用具备数字信号处理器的帧抓取装置，则计算的处理速度可大大提高。另外，该软件允许从图像成像装置407接收到的图像信号实时显示在监测器上，因此在激光包层操作中，用户可实时地观察熔池。
以下将描述使用图像处理技术根据熔池的图像来计算熔池位置和高度的原理。
参考图2和图5，在激光包层工艺中，在熔池203的后面沿着激光束202所传递的路径形成具有特定高度的包层。此外，通过激光束202照射而形成的熔池203，相对于样本表面201倾斜一个特定的角度。在其间，熔池203的形状可根据聚焦的激光束202的束模式和剖面形状而不同。但是，在通用的激光包层中，熔池203的形状可设想为圆形。
图7(A)是显示在激光束光轴上观察到的熔池的示意图。如图5所示，图像成像装置407在与样本表面201倾斜角度θ的同时对熔池203进行成像。
当熔池203正对着图像成像装置407的时候，在CCD摄像机的图像平面701上形成熔池203的图像，如图7所示，且由于光路的差异，所监测到的圆形熔池203为椭圆形，其轴b’平行于包层且传递方向上非常短。
如图8所示，熔池203没有位于CCD摄像机的视野平面702上，因此在CCD摄像机图像平面701上可形成的熔池图像在图像成像装置407的光轴502附近具有稍微不同的长度b1和b2。然而，该差异是很小的，因此在图像处理工艺中不作考虑。当熔池的尺寸被设想为1mm时，在图像成像装置407观察到的(b1’-b2’)长度差异大约为2μm(2/1,000mm)，这是一个相对较小的值。
根据样本或激光束的传递方向，所观察到的熔池203的图像可具有不同的形状。
图9(A)到(D)显示了熔池形状变化的示意图。这些变化由以下的原因造成，即，通过图像成像装置407从外侧来监测熔池203，且熔池203根据样本或激光束的传递方向正对着图像成像装置407。图9(A)是熔池203的图像，观察时熔池203正对着图像成像装置的光轴，被观察为垂直且相对膨胀的椭圆。图9(B)是熔池203的图像，观察时熔池203与图像成像装置407的光轴502反向，被监测为垂直且相对扁平的椭圆。图9(C)和9(D)为熔池203的图像，观察时样本或激光沿着垂直于成像装置407光轴502的方向传递，被监测为向右和向左倾斜且垂直和相对扁平的椭圆。
熔池203的图像被观察得互相不同的问题，可通过除现有的图像成像装置以外再安装一个或多个图像成像装置来解决。在熔池203的高度测量中，只需使用一个图像成像装置就可获得理想的结果。
通过图像成像装置407监测熔池203所得到的图像，每个都具有特定的面积，如图9所示。为了根据这种图像信息使用图像处理方法来获得熔池的高度，必须确定在图像中表示熔池高度的像素。
在本发明中，计算通过成像装置407获得的图像的重心，尤其是像素，可以是像素的行束确定熔池的高度。另外，可应用不同的方法，其中，对应表示熔池图像的最长行的像素可确定为熔池的高度，或者在设想熔池为圆形且在图像中确定了对应中心的像素的情况下，获得实际熔池的中心。
图10是显示怎样根据熔池高度的变化来监测熔池图像的示意曲线图。由于熔池高度上的变化，在监测器(或CCD摄像机的图像平面)上可观察到处于不同位置的熔池图像。
因此，如果在熔池的图像中，特定像素的实际物理高度(绝对高度)和每个像素实际高度的变化值是已知的，就可根据熔池的图像计算出实际的物理高度。在本发明中，使用包层高度为已知的标准样本来纠正上述值。在负责图像处理的软件中包括了纠正模块。
图像处理装置408使用上述的原理来计算熔池的位置和高度，且该计算的值以ASCII数据的形式实时传输到控制***403。控制***403可实时控制工艺参数，从而在从CAD/CAM装置409实时接收到的剖面成形信息以及从图像处理装置408实时接收到的熔池高度数据的基础上，形成具有对应两维信息的形状和厚度(高度)的包层。
影响包层高度的工艺参数包括激光功率、激光束的尺寸和模式、样本(或激光束)的穿透速度(交互时间)以及粉末馈送速率等。在上述工艺参数中，激光功率最能影响包层的高度。
包层的高度H与激光功率P成比例关系，其中高度H随着激光功率P线性地增加。当利用了这样关系，就可以通过激光功率的实时控制自由地调节包层的高度。在这种情况下，可通过不同的控制方法来实现对激光功率的控制，这些方法比如比例-积分-微分(PID)控制(见Modern Control Engineering(现代控制工程)，Katsuhiko Ogata，Prentice-Hall，1990，pp.592-605)，模糊控制(见Fuzzy Logic Control(模糊逻辑控制)，Jeung-nam Byeon，HongreungScience Publishing Co.，1997)等。但是，在本实施例中，如图11所示，采用了相对较简单的控制方法。
如图11(B)所示，上述的控制方法允许熔池高度达到包层的目标值，其采用的方式如下，即如果熔池的高度H小于包层的目标值(目标高度)Ht，则允许输出比标准激光输出大P-Pt的激光束照射在样本上，而如果熔池的高度H大于包层的目标值(目标高度)Ht，则允许输出比标准激光输出小P-Pt的激光束照射在样本上。
如图11(C)所示，在实际的激光功率控制中，可将熔池的高度分成几组，每个组具有一个范围。成功地完成了对包层高度的控制。虽然在本发明中，将激光功率作为一个控制参数来控制，但却可以类似的方式实时控制其它的工艺参数，诸如粉末进料速率和样本(或激光束)的穿透速度。
通常来说，随着粉末进料速率的增加，激光包层的高度也增加。因此，对于激光功率，可以通过如下的方式来控制包层的高度，该方式如下，如果熔池的高度小于包层的目标高度则增加粉末进料速率，而如果熔池的高度大于包层的目标高度则减小粉末进料速率或停止粉末的供给。样本(或激光束)的穿透速度不同于激光功率或粉末进料速率，因为包层的高度根据样本(或激光束)穿透速度的增加而减小，而包层的高度根据样本(或激光束)穿透速度的减少而增加。因此，可采用以下的方式来控制包层的高度达到包层值的目标值，该方式为，如果熔池的高度大于目标值则增加样本(或激光束)的穿透速度，而如果熔池的高度小于目标值则减少样本(或激光束)的穿透速度。
大多数的激光器是由介于0到10V(或12V)之间的模拟电压信号来控制的。比如，0V允许激光功率为0，而10V的模拟电压信号则允许产生最大功率。另外，当施加介于0到10V之间的模拟电压信号时，就会产生了介于0和最大功率之间的激光功率。在大多数激光器中，模拟电压信号的响应时间小于1毫秒。对于应用于本发明的CO2激光发生器401来说，响应时间大约为60微妙(60/1,000,000秒)。控制***403可设计成将模拟电压信号处理为16比特的数字信号，该处理所产生的效果是，模拟电压信号可分为32,768级进行同时处理。
控制***403每20毫秒从图像处理装置408接收关于熔池高度的数据，将该数据与从CAD/CAM装置409传输来的成形信息进行比较，并确定使熔池高度达到目标值所需要的激光功率值。如上所述的确定值是数字数值，因此该值通过D/A转换器可转换为模拟信号并输入到激光发生器401。
激光发生器401可设计成产生对应于所输入模拟数子电压信号的激光功率。不过，虽然向该激光发生器输入相同的模拟电压信号，但根据激光的条件，比如***体、冷却程度、激光谐振器的杂质程度、真空程度、不同光学部件的状态(诸如后反射镜和输出耦合器)等，激光功率可有稍微的不同。
结果，在本发明中，发展并应用了不管激光状态如何都能获得理想激光功率的激光功率校准方法。在该方法中，在激光发生器401和控制***403之间形成闭环，且预定一模拟信号值，从而控制***403使用PID控制方法在激光包层或激光辅助的直接金属制造工艺之前获得了理想的激光功率。
在上述校准的工艺中，该理想的激光功率是目标值。另外，通过根据PID值以对应0到10V的32,768级改变数字值来确定该数字信号值，该值可使从激光器反馈的激光功率值达到目标值。
当用于激光包层或激光辅助直接金属制造中的激光功率值的数量为十个时，可采用上述的方法确定用于获得激光输出的数字信号。
控制***403使用纠正的模拟信号值来控制激光功率，因此在激光包层或激光辅助的直接金属制造中它不受激光状态的影响。
以下的应用例子涉及用本发明的方法和***所完成的由激光辅助的直接金属制造技术制造的样本。
(应用例1)
图12显示了由本发明的方法和***制造的简单金属部分的照片。在该制造中所使用的衬底为不锈钢(SUS316)，包层材料为铬-钼热工作模具钢，H-13工具钢(SKD61)，该材料是通常作为模具铸造模型材料使用的合金。由本发明的方法可获得100％的精细结构，且该产品的机械特征与精炼材料的机械特征相似，或比精炼材料的机械特征还要优越。
(应用例2)
图13显示了由本发明的方法和***制造的移动电话模型部分的照片。在该应用例2中，使用三维CAD数据切割250μm的厚度，这可用作成形信息。在这种情况下，激光束的尺寸大约为0.8mm，且激光包层的速度为0.85米每分钟。该衬底由不锈钢(SUS316)制成，且包层材料为H-13工具钢。用于制造模型所需要的激光成形时间为15小时37分钟。
(应用例3)
图14显示了由本发明的激光辅助直接金属制造技术制造的叶轮部分的照片。衬底和包层的材料为H-13工具钢。其它的条件与应用例2中的相同。用于制造模型所需要的激光成形时间为12小时8分钟。
(应用例4)
激光辅助的直接金属制造的主要特征为，使用三维CAD数据直接制造三维形状。该特征使得具有三维形状的产品可快速制造，并能够通过纠正CAD数据或使用反向工程技术恢复、重铸和修复已有的产品或模型。图15为示出汽车挡泥板模型部分的照片，该部分被切掉一部分并通过三维CAD数据的纠正进行重铸。模型的材料为FCD550，且用于重铸的材料为H-13工具钢(SKD61)。用于制造模型所需要的激光成形时间为1小时43分钟。
工业应用性
如上所述，本发明提供一种方法和***，用于激光包层和激光辅助的直接金属制造，它能够通过使用高速图像成像和图像处理实时测量熔池的位置和高度，并通过控制工艺参数理想地控制包层的高度。特别是，该激光辅助的直接金属制造是物理实现的。
另外，本发明的激光辅助直接金属制造是一种快速制造技术，它能够根据三维CAD数据通过使用产品或工具所需要的功能材料来快速制造三维产品或用于制造这种三维产品的多种工具。与传统的制造技术相比，比如CNC切割、铸造和其它制造机械等相比，该技术可使功能性金属原型、试验及批量生产的模型、复杂形状的成品和多种工具可快速地制造。该技术可通过使用反向工程技术应用于模型的恢复、重铸和修补。
此外，除了激光辅助的直接金属制造之外，本发明的方法和装置还可应用于激光表面的改进，比如激光表面合金和激光包层，以及激光多层包层，其中通过重复的激光包层形成2mm或更厚的包层。在这些工艺中，本发明的方法和***可以形成厚度均匀的包层，因此提高了激光操作的精度，且可降低后加工的成本。
所述通过在激光包层和激光辅助的直接金属制造中使用图像成像和图像处理技术实时监测和控制包层高度的方法和装置，并不局限于上述的例子，它可以由本领域技术人员容易地进行修改。

Claims (24)

1.一种方法，用于在激光包层和激光辅助直接金属制造中监测和控制包层高度，该方法包括以下步骤：使用图像成像和图像处理技术实时监测并测量熔池的位置和高度，以及实时控制工艺参数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工艺参数是激光功率和激光束尺寸及模式中的一项。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工艺参数是包层材料-馈送速率和样本或激光束的穿透速度。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过使用由图像成像所获得的熔池图像来确定表示熔池高度的像素，从而计算熔池的高度。
5.如权利要求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图像的重心。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述表示熔池高度的像素通过以下的一种方法来确定，其中，选择对应表示熔池图像最长行的像素作为熔池的高度，或者根据熔池的圆形或椭圆形状获得实际熔池的中心，并在图像中确定对应中心的像素。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过纠正熔池图像中任何像素的实际物理高度和每个像素的实际高度变化值来计算所述熔池的高度。
8.一种方法，用于在激光包层和激光辅助直接金属制造中监测和控制包层高度，其特征在于，使用包层高度与激光功率成线性比例的关系来使熔池的高度达到包层的目标值，从而如果熔池的高度H小于包层的目标值Ht则可以在样本上照射输出比标准激光输出大P-Pt的激光束，而如果熔池的高度H大于包层的目标值Ht则可以在样本上照射输出比标准激光输出小P-Pt的激光束。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，使用比例-积分-微分(PID)和模糊控制方法中的一种方法来控制激光功率，从而可以使熔池高度达到包层的目标值。
10.一种纠正激光输入模拟电压信号的方法，无论激光包层和激光辅助直接金属制造中的激光发生器的状态如何，都可以用于控制激光发生器的激光功率。
11.如权利要求1、8和10中任一权利要求所述的方法，其特征在于，该方法用于金属产品或模型的恢复、重铸和修补。
12.一种***，用于在激光包层和激光辅助的直接金属制造中使用图像成像和图像处理基础实时地监测和控制包层的高度，该***包括：
激光发生器，用于通过照射激光束在样本表面形成熔池；
束传输装置，用于传输由激光束发生器所产生的激光束；
束聚焦装置，用于聚焦通过束传输装置传输的激光束；
包层材料进料器，用于向熔池馈送包层材料，该熔池通过照射由束聚焦装置聚焦的激光束在样本表面形成；
传递***，用于在用位于z-轴方向上的束聚焦装置进行包层的工艺中保持激光束的焦距不变，并沿着激光束附近的加工路径自由地传递样本从而可以用固定于x和y轴工作台的样本完成激光包层；
计算机辅助设计/计算机辅助制造(CAD/CAM)装置，用于在三维CAD数据的基础上产生诸如加工路径之类的成形信息并传输该成形信息；
图像成像装置，用于实时地获得熔池的图像并传输该熔池的图像；
图像处理装置，用于接收熔池的图像，基于熔池的图像来计算熔池的位置和高度，并传输该计算的数值；以及
控制***，用于控制和监测元件，从CAD/CAM装置接收成形信息并完成激光包层，以及接收有关熔池的信息并实时控制工艺参数，以使包层的位置和高度达到目标值。
13.一种***，用于在激光包层和激光辅助的直接金属制造中使用图像成像和图像处理技术实时地监测和控制包层的高度，该***包括：
激光发生器，用于通过照射激光束在样本表面形成熔池；
束传输装置，用于传输由激光束发生器产生的激光束；
束聚焦装置，用于聚焦通过束传输装置传输的激光束；
包层材料进料器，用于向熔池馈送包层材料，该熔池通过照射由束聚焦装置聚焦的激光束在样本表面形成；
传递***，用于在固定于x和y轴工作台上的样本附近自由地传递激光束，从而完成激光包层；
计算机辅助设计/计算机辅助制造(CAD/CAM)装置，用于在三维CAD数据的基础上产生诸如加工路径之类的成形信息并传输该成形信息；
图像成像装置，用于实时地获得熔池的图像并传输该熔池的图像；
图像处理装置，用于接收熔池的图像，基于熔池的图像来计算熔池的位置和高度，并传输该计算的数值；以及
控制***，用于控制和监测元件，从CAD/CAM装置接收成形信息并完成激光包层，以及接收有关熔池的信息并实时控制工艺参数，以使包层的位置和高度达到目标值。
14.一种***，用于在激光包层和激光辅助的直接金属制造中使用图像成像和图像处理技术实时监测和控制包层的高度，该***包括：
激光发生器，用于通过照射激光束在样本表面形成熔池；
束传输装置，用于传输由激光束发生器产生的激光束；
束聚焦装置，用于聚焦通过束传输装置传输的激光束；
包层材料进料器，用于向熔池馈送包层材料，该熔池通过照射由束聚焦装置聚焦的激光束在样本表面形成；
传递***，用于在用位于z-轴方向上的束聚焦装置进行包层的工艺中保持激光束的焦距不变，并沿着激光束附近的加工路径自由地传递样本和激光束从而可以用固定于x和y轴工作台的样本完成激光包层；
计算机辅助设计/计算机辅助制造(CAD/CAM)装置，用于在三维CAD数据的基础上产生诸如加工路径之类的成形信息并传输该成形信息；
图像成像装置，用于实时获得熔池的图像并传输该熔池的图像；
图像处理装置，用于接收熔池的图像，基于熔池的图像计算熔池的位置和高度，并传输该计算的值；以及
控制***，用于控制和监测元件，从CAD/CAM装置接收成形信息并完成激光包层，以及接收有关熔池的信息并实时控制工艺参数，以使包层的位置和高度达到目标值。
15.一种***，用于在激光包层和激光辅助的直接金属制造中使用图像成像和图像处理技术实时监测和控制包层的高度，该***包括：
激光发生器，用于通过照射激光束在样本表面形成熔池；
束传输装置，用于传输由激光束发生器产生的激光束；
束聚焦装置，用于聚焦通过束传输装置传输的激光束；
包层材料进料器，用于向熔池馈送包层材料，该熔池通过照射由束聚焦装置聚焦的激光束在样本表面形成；
传递***，使用三轴或更多轴的传递***或机械手以增加完成激光包层的自由度；
计算机辅助设计/计算机辅助制造(CAD/CAM)装置，用于在三维CAD数据的基础上产生诸如加工路径之类的成形信息并传输该成形信息；
图像成像装置，用于实时地获得熔池的图像并传输该熔池的图像；
图像处理装置，用于接收熔池的图像，基于熔池的图像来计算熔池的位置和高度，并传输该计算的值；以及
控制***，用于控制和监测元件，从CAD/CAM装置接收成形信息并完成激光包层，以及接收有关熔池的信息并实时控制工艺参数，以使包层的位置和高度达到目标值。
16.如权利要求12、13、14和15中任一权利要求所述的***，其特征在于，以粉末状、线状或带状的形式提供包层材料，该包层材料馈送至通过束聚焦装置中聚焦的激光束照射在样本表面形成的熔池。
17.如权利要求16所述的***，其特征在于，还包括粉末进料喷嘴，如果包层材料以粉末状形式提供，则用于向激光束和形成在样本表面的熔池同时供给由包层材料进料器馈送的包层材料粉末。
18.如权利要求12、13、14和15中任一权利要求所述的***，其特征在于，所述激光为CO2、Nd-YAG以及高功率二极管激光中的一种。
19.如权利要求18所述的***，其特征在于，如果所述的激光为Nd-YAG激光则应用光纤。
20.如权利要求12、13、14和15中任一权利要求所述的***，其特征在于，所述图像成像装置包括中密度(ND)滤波器、滤波器安装固定装置、透镜和电荷耦合器件(CCD)摄像机。
21.如权利要求12、13、14和15中任一权利要求所述的***，其特征在于，所述图像成像装置包括中密度(ND)滤波器、滤波器安装固定装置、透镜和用于快速获得熔池图像的红外线(IR)摄像机。
22.如权利要求12、13、14和15中任一权利要求所述的***，其特征在于，所述图像成像装置设置在激光束的光轴上从而可以90-θ°的角度观察熔池。
23.如权利要求12、13、14和15中任一权利要求所述的***，其特征在于，所述图像成像装置包括多个图像成像子装置，从而防止根据样本或激光束的传递方向而观察到不同的熔池图像。
24.如权利要求12、13、14和15中任一权利要求所述的***，其特征在于，所述***可应用于金属产品或模型的恢复、重铸和修复。
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