本發(fā)明涉及增材制造熔池形貌領域，具體涉及一種用于檢測熔池形貌的裝置和方法及應用。
背景技術：
隨著科學技術的發(fā)展，激光增材制造技術逐漸成為了一種新型加工方式，對于加速傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，促進我國高端制造業(yè)發(fā)展具有重要作用。目前在國防工業(yè)、航天航空和核電等許多重要行業(yè)有了一定的應用，國家也在大力支持增材制造的相關研究。若能實現(xiàn)增材制造高精度加工，必然會引起制造業(yè)的變革。而想要實現(xiàn)高精度，對于熔池的研究是必不可少的。熔池是影響加工質(zhì)量好壞的一個非常重要指標，如果可實現(xiàn)熔池的在線檢測對增材制造的研究意義非凡。但是由于熔池存在的時間短、變化復雜導致熔池檢測十分困難。其實熔池并不是僅僅存在于增材制造中，相對于焊接工藝、激光熔覆工藝中均存在熔池，但由于增材制造中的熔池的尺寸非常小，干擾多，檢測更困難。就目前研究情況，對于熔池的檢測通常是針對溫度以及形貌這兩個參數(shù)進行的。我們可以通過控制熔池的特性參數(shù)，來進一步控制加工精度。熔池的檢測對于增材制造工藝提升具有非常重要的指導意義。
現(xiàn)在存在一些熔池的檢測方法，但更多的是針對于傳統(tǒng)的焊接熔池，真正用來檢測增材制造的熔池較少。檢測熔池的溫度或者形貌對于熔池的研究都有重要的意義。其中測溫法有接觸式和非接觸式，接觸式主要采用熱電偶的方式直接接觸熔池測量其溫度，并且由于需要接觸只能進行單點式的溫度測量；而非接觸式的有多種方法，包括熱輻射法和CCD(Charge coupled Device)圖像信號測溫。熱輻射法通過感知熔池發(fā)出的紅外射線，依靠熱輻射原理來推算熔池溫度，其得到的溫度結果有較大的誤差；CCD圖像信號測溫，利用CCD元件將采集到的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像，然后用標準高溫黑體輻射源標定，呈現(xiàn)出熔池溫度。測形法主要是采用高速攝像機，利用復合濾光技術和特殊光源，經(jīng)過一定的處理后得到熔池的形貌。但是在增材制造過程中，由于金屬粉末的快速高溫融化，在熔池周圍形成大量的高溫等離子體，其狀態(tài)與熔池相似，對于檢測造成較大的干擾。同時熔池附近伴隨著強光，對于熔池圖像的攝取也存在很大的干擾，而且CCD圖像信號測溫和高速攝像機測形法都要經(jīng)過一系列后處理才能呈現(xiàn)出想要的結果，并不能及時得到熔池參數(shù)信息，具有一定的滯后性，很難實現(xiàn)在線檢測。
技術實現(xiàn)要素：
鑒于此，為了解決上述熔池檢測困難的問題，本發(fā)明公開了一種用于檢測熔池形貌的裝置，該方法通過利用激光傳感器的獨特優(yōu)勢可以克服在增材制造過程中強光、高溫干擾，能夠?qū)崿F(xiàn)增材制造中熔池的精確、快速檢測，利用軟件準確的將熔池的形貌呈現(xiàn)出來。
具體而言，本發(fā)明提供了一種用于檢測熔池形貌的裝置和方法及應用。
本發(fā)明提供了一種用于檢測熔池形貌的裝置，包括信號檢測收集模塊1和數(shù)據(jù)處理模塊2，所述信號檢測收集模塊1包括激光傳感器4；所述數(shù)據(jù)處理模塊2包括顯形單元10；所述顯形單元10同所述激光傳感器4連接。
優(yōu)選的，所述信號檢測收集模塊1還包括位于激光傳感器4外部的保護裝置5。
優(yōu)選的，所述保護裝置5包括保護外殼6和冷卻裝置7，所述保護外殼6套在所述激光傳感器4的外部；所述冷卻裝置7通過冷卻管路9同所述保護外殼6連接。
優(yōu)選的，所述冷卻裝置7包括位于激光傳感器外部的循環(huán)制冷設備8，所述冷卻管路9包括同所述保護外殼6連接的進管和出管。
優(yōu)選的，所述裝置還包括支撐調(diào)整模塊3。
優(yōu)選的，所述支撐調(diào)整模塊3包括用來調(diào)整激光傳感器4角度的旋轉(zhuǎn)臺11和角位移臺12或者包括機械臂。
優(yōu)選的，所述旋轉(zhuǎn)臺11同所述激光傳感器4直接相連，所述角位移臺12通過所述旋轉(zhuǎn)臺11同所述激光傳感器4相連。
優(yōu)選的，所述角位移臺12同所述激光傳感器4直接相連，所述旋轉(zhuǎn)臺11通過所述角位移臺12同所述激光傳感器4相連。
本發(fā)明還提供了一種用于檢測熔池形貌的方法，通過信號檢測收集模塊1中的激光傳感器4發(fā)射和接收信息，然后將數(shù)據(jù)輸送至數(shù)據(jù)處理模塊2中的顯形單元10，顯形單元10識別信號來檢測出熔池形貌。
優(yōu)選的，所述信號檢測收集模塊1還包括位于激光傳感器4外部的保護裝置5。
優(yōu)選的，所述保護裝置5包括保護外殼6和冷卻裝置7，所述保護外殼6套在所述激光傳感器4的外部；所述冷卻裝置7通過冷卻管路9同所述保護外殼6連接。
優(yōu)選的，所述冷卻裝置7包括位于激光傳感器外部的循環(huán)制冷設備8，所述冷卻管路9包括同所述保護外殼6連接的進管和出管。
優(yōu)選的，還包括用來支撐和調(diào)整激光傳感器4的支撐調(diào)整模塊3。
優(yōu)選的，所述支撐調(diào)整模塊3包括用來調(diào)整激光傳感器4角度的旋轉(zhuǎn)臺11和角位移臺12或者包括機械臂。
優(yōu)選的，所述旋轉(zhuǎn)臺11同所述激光傳感器4直接相連，所述角位移臺12通過所述旋轉(zhuǎn)臺11同所述激光傳感器4相連。
優(yōu)選的，所述角位移臺12同所述激光傳感器4直接相連，所述旋轉(zhuǎn)臺11通過所述角位移臺12同所述激光傳感器4相連。
優(yōu)選的，所述信號檢測收集模塊1還包括保護裝置5，通過位于激光傳感器4外部的保護裝置5來保護激光傳感器4。
優(yōu)選的，所述保護裝置5包括保護外殼6和冷卻裝置7，通過套在所述激光傳感器4的外部的保護外殼6保護激光傳感器4；所述冷卻裝置7通過冷卻管路9同所述保護外殼6連接。
優(yōu)選的，所述冷卻裝置7包括循環(huán)制冷設備8，通過位于激光傳感器4外部的循環(huán)制冷設備8實現(xiàn)激光傳感器4的正常工作，所述冷卻管路9通過進管和出管同所述保護外殼6進行連接。
優(yōu)選的，所述方法還包括利用支撐調(diào)整模塊3來調(diào)整激光傳感器4對準熔池形貌的角度。
優(yōu)選的，所述支撐調(diào)整模塊3包括用來調(diào)整激光傳感器4角度的旋轉(zhuǎn)臺11和角位移臺12或者包括機械臂。
優(yōu)選的，所述旋轉(zhuǎn)臺11同所述激光傳感器4直接相連，所述角位移臺12通過所述旋轉(zhuǎn)臺11同所述激光傳感器4相連。
優(yōu)選的，所述角位移臺12同所述激光傳感器4直接相連，所述旋轉(zhuǎn)臺11通過所述角位移臺12同所述激光傳感器4相連。
本發(fā)明還提供了以上任一項所述的裝置在熔池形貌檢測領域中的應用。
優(yōu)選的，所述應用為在增材制造熔池形貌領域中的應用。
所述信號探測收集模塊作為本發(fā)明的光信號輸出及接收裝置，利用激光傳感器作為工作元件，采用三角測量原理通過激光傳感器的光學系統(tǒng)發(fā)射激光到被測熔池表面，進行光信號的輸出，其中激光為線狀，由一定數(shù)量的點組成；同時由于熔池表面形貌輪廓不同，發(fā)射到被測熔池表面的線激光上不同的點將以一定的角度反射到傳感器的感應元件上來接收信號，接收信號為點的相對位置信息。與此同時，為了配合激光傳感器的正常工作，所述信號檢測收集模塊還設置了保護裝置，一方面用來防止激光傳感器被碰撞損壞，另一方面使激光傳感器時刻處于正常溫度下進行工作，從而防止由于熔池周圍溫度過高，影響激光傳感器測定的精確性。
其中，所述保護裝置包括設置在激光傳感器外部的保護外殼以及用來控制激光傳感器溫度，保證激光傳感器正常工作的冷卻裝置。所述保護外殼用來保護激光傳感器整體不被碰撞損壞。
所述的數(shù)據(jù)處理模塊中顯形單元接收傳感器傳輸?shù)碾娦盘?，其中電信號包含著熔池外輪廓點的相對位置坐標信息。由于傳感器連續(xù)掃描熔池，將得到大量點的信息，顯形單元將具有不同位置坐標的點組合形成點云圖，重現(xiàn)熔池形貌。
為了能夠保證激光傳感器的激光對準熔池，實現(xiàn)熔池形貌的準確檢測，所述檢測裝置還包括支撐調(diào)整模塊。一方面，所述支撐調(diào)整模塊包括旋轉(zhuǎn)臺，所述旋轉(zhuǎn)臺同所述激光傳感器直接相連；所述支撐調(diào)整模塊還包括角位移臺，所述角位移臺通過所述旋轉(zhuǎn)臺同所述激光傳感器相連，可實現(xiàn)激光的方向調(diào)整，保證激光傳感器的信號發(fā)射口和回收器件對準熔池。另一方面，所述角位移臺同所述傳感器直接相連，所述旋轉(zhuǎn)臺通過所述角位移臺同所述激光傳感器相連，保證激光傳感器的信號發(fā)射口和回收器件對準熔池。
本發(fā)明帶來的增益效果利用激光傳感器的抗強光干擾、耐高溫、可實現(xiàn)快速檢測的特點，將收集熔池形貌的信號及時輸送至顯形單元中，同步呈現(xiàn)出熔池形貌的連續(xù)變化情況，以此實現(xiàn)熔池形貌在線檢測，并根據(jù)熔池的實際變化趨勢來快速調(diào)整加工參數(shù)，保證加工質(zhì)量。
下面結合附圖和各個具體實施方式，對本發(fā)明及其有益技術效果進行詳細說明。
附圖說明
圖1為用于檢測熔池形貌的裝置的結構示意圖。
圖中附圖標記說明如下：1-信號檢測收集模塊、2-數(shù)據(jù)處理模塊、3-支撐調(diào)整模塊、4-激光傳感器、5-保護裝置、6-保護外殼、7-冷卻裝置、8-循環(huán)制冷設備、9-冷卻管路、10-顯形單元、11-旋轉(zhuǎn)臺、12-角位移臺。
具體實施方式
為了解決現(xiàn)有的對于熔池形貌檢測的檢測裝置，其檢測精度不高的問題，本發(fā)明提供了一種用于檢測熔池形貌的裝置及方法和應用。
具體而言，所述一種用于檢測熔池形貌的裝置，包括信號檢測收集模塊1和數(shù)據(jù)處理模塊2，所述信號檢測收集模塊1包括激光傳感器4；所述數(shù)據(jù)處理模塊2包括顯形單元10；所述顯形單元10同所述激光傳感器4連接。
本發(fā)明還提供了一種用于檢測熔池形貌的方法，通過信號檢測收集模塊1中的激光傳感器4發(fā)射和接收信息，然后將數(shù)據(jù)輸送至數(shù)據(jù)處理模塊2中的顯形單元10，顯形單元10識別信號來表征出熔池形貌。
激光傳感器的光學系統(tǒng)發(fā)射激光到被測熔池表面，然后利用熔池表面形貌輪廓不同，發(fā)射的激光以一定角度反射到傳感器感應元件上接收光信號，然后利用激光傳感器內(nèi)部單元將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，或者也可以根據(jù)激光傳感器的型號不同，在外部連接光電轉(zhuǎn)換單元，將激光傳感器的光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。
其中，在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，所述信號檢測收集模塊1還包括位于激光傳感器4外部的保護裝置。
其中，在本發(fā)明的又一種優(yōu)選實施方式中，所述用于檢測熔池形貌的裝置還包括支撐調(diào)整模塊3。
下面結合具體實施例對本發(fā)明做進一步說明，但是這些實施例僅為本發(fā)明的代表舉例而已，不應理解為對本發(fā)明實施的限定范圍。
實施例一
實施例一提供了一種用于檢測熔池形貌的裝置，包括信號探測收集模塊1、數(shù)據(jù)處理模塊2、支撐調(diào)整模塊3。所述信號探測收集模塊1包括激光傳感器4和保護裝置5，所述的保護裝置5包括保護外殼6和冷卻裝置7，所述的冷卻裝置7包括循環(huán)制冷設備8和冷卻管路9；所述數(shù)據(jù)處理模塊2包括顯形單元10；所述支撐調(diào)整模塊3包括旋轉(zhuǎn)臺11和角位移臺12。
所述的信號探測收集模塊1，通過激光傳感器4采用三角測量原理發(fā)射激光信號并接受反射信號。所述的保護裝置5保證激光傳感器4正常工作。其中，激光傳感器購自瑞士ELAG，型號：OMS 16506-4096；所述的保護外殼6套在激光傳感器的外部，可以避免激光傳感器4受到損害，尤其激光傳感器4的激光透射的鏡片，保護外殼可以采用不銹鋼材質(zhì)，根據(jù)激光傳感器的尺寸進行設計。冷卻裝置7使激光傳感器4一直處于正常工作溫度下，熔池周圍溫度非常高。
所述冷卻裝置7包括位于激光傳感器外部的循環(huán)制冷設備8，以及由進管和出管組成的冷卻管路9。其中，本實施例中循環(huán)制冷設備8為水冷機，其中，水冷機購自北京長流科學儀器有限公司，型號為LX-150Z，通過進管將冷水送入激光傳感器的外部的保護外殼內(nèi)部，經(jīng)出管重新回流到水冷機。
所述的支撐調(diào)整模塊3包括旋轉(zhuǎn)臺11和角位移臺12，支撐調(diào)整模塊3整體固定在工裝上，隨工裝同步運動。其中旋轉(zhuǎn)臺11同所述激光傳感器直接相連，角位移臺12通過所述旋轉(zhuǎn)臺11同所述激光傳感器相連，用來調(diào)整激光傳感器4方向，保證信號的發(fā)射與回收。
所述的信號探測收集模塊1主要進行熔池數(shù)據(jù)的獲取，并將所得數(shù)據(jù)輸送至顯形單元10，顯形單元10識別傳感器信號，使熔池形貌連續(xù)的、實時的呈現(xiàn)出來，達到在線檢測的目的，并與相關設定值進行對比分析，進行反饋調(diào)節(jié)相關工藝參數(shù)，保證加工質(zhì)量。
實施例二
實施例二與實施例一的不同之處在于，實施例二中所述的支撐調(diào)整模塊3包括旋轉(zhuǎn)臺11和角位移臺12，其中角位移臺12同所述激光傳感器直接相連，旋轉(zhuǎn)臺11通過所述角位移臺12同所述激光傳感器相連，旋轉(zhuǎn)臺和角位移臺用來調(diào)整激光傳感器4方向能夠?qū)嗜鄢?，保證信號的發(fā)射與回收。
實施例三
實施例三與實施例一的不同之處在于，實施例三用于檢測熔池形貌的裝置中的支撐調(diào)整模塊不包括旋轉(zhuǎn)臺和角位移臺，僅僅包含機械臂，將激光傳感器固定在機械臂上，然后利用機械臂按照預定的軌跡進行運動，從而起到調(diào)整激光傳感器的目的。
實施例四
實施例四與實施例一的不同之處在于，實施例三中激光傳感器采用德國米銥2600-25標準型。循環(huán)制冷設備8為空冷器，通過進管將空氣通入保護外殼內(nèi)部，經(jīng)出管排出。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。