本發(fā)明涉及激光精密加工，自動(dòng)化控制和材料微觀組織表征領(lǐng)域,尤其涉及一種基于激光精密加工的微觀組織三維重構(gòu)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

材料微觀顯微組織的三維觀測(cè)和定量表征一直是材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的焦點(diǎn)和難點(diǎn)。由于材料內(nèi)部特征結(jié)構(gòu)眾多，空間關(guān)系復(fù)雜，顯微組織具有多樣性和多變性，采用常規(guī)的金相觀測(cè)并不能有效表征微觀組織的空間細(xì)節(jié)。為此，廣大材料科技工作者主要采用連續(xù)切片技術(shù)。

針對(duì)金屬材料，對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)的三維重構(gòu)多采用連續(xù)切片技術(shù)，其基本原理為用一系列假想的平行平面去切割三維物體，從而得到這些平面與物體表面之間的封閉輪廓線，作為物體不同高度的外形信息。得到不同微觀結(jié)構(gòu)、不同層面的連續(xù)磨拋截面拓?fù)湫蚊?，再利用上位機(jī)圖像處理技術(shù)將所獲取的眾多二維精磨截面拓?fù)渫庑芜B接起來(lái)，就得到了微結(jié)構(gòu)的三維空間立體結(jié)構(gòu)分布。該技術(shù)因?yàn)閮r(jià)格低廉，分辨率高，能精確再現(xiàn)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，在材料科學(xué)的三維重構(gòu)中獲得了較為廣泛的應(yīng)用。

然而，逐層移去材料的微小薄片的過(guò)程非常繁瑣，研究材料顯微組織只能在二維磨面上定性地觀測(cè)，測(cè)量結(jié)果精度較差，切片層間距不好把握，很大程度上只能依賴于者的熟練程度和主觀判讀結(jié)果以及所用的測(cè)量?jī)x器，而且其巨大的工作量使得者有心無(wú)力，難以獲得整個(gè)結(jié)構(gòu)或表面的三維總體信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于激光精密加工的微觀組織三維重構(gòu)系統(tǒng)及方法，通過(guò)上位機(jī)控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)拋光、腐蝕、干燥和圖像采集全過(guò)程的自動(dòng)化，大大提高了圖像采集工作的效率，可適用于高效率、大體積和高可信度的微觀結(jié)構(gòu)的三維模型構(gòu)建。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下：

一種基于激光精密加工的微觀組織三維重構(gòu)系統(tǒng)，包括激光打標(biāo)機(jī)、機(jī)械手、數(shù)據(jù)采集卡、上位機(jī)以及圖像采集裝置；

所述機(jī)械手和所述上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)線相連，所述激光打標(biāo)機(jī)通過(guò)所述數(shù)據(jù)采集卡與所述上位機(jī)相連，所述圖像采集裝置連接所述上位機(jī)；

所述激光打標(biāo)機(jī)，用于根據(jù)所述上位機(jī)的控制信號(hào)在待測(cè)待加工件上進(jìn)行打孔定位以及激光掃描，并將完成信號(hào)反饋至所述上位機(jī)；

所述機(jī)械手，用于根據(jù)所述上位機(jī)的控制信號(hào)，對(duì)待測(cè)待加工件進(jìn)行夾持和移動(dòng)，并將完成信號(hào)反饋至所述上位機(jī)；

所述圖像采集裝置，用于采集待測(cè)待加工件切片圖像并進(jìn)行分析和識(shí)別處理，得到處理后的待測(cè)待加工件切片的二維組織結(jié)構(gòu)信息圖和切片層厚度，并發(fā)送給所述上位機(jī)；

所述上位機(jī)，用于對(duì)所述機(jī)械手發(fā)送控制信號(hào)控制機(jī)械手動(dòng)作；通過(guò)所述數(shù)據(jù)采集卡對(duì)所述激光打標(biāo)機(jī)發(fā)送控制信號(hào)控制激光打標(biāo)機(jī)動(dòng)作；以及基于待測(cè)待加工件切片的二維組織結(jié)構(gòu)信息圖和切片層厚度，重構(gòu)三維微觀組織結(jié)構(gòu)。

本系統(tǒng)的有益效果是：

(1)精度高：激光加工具有精度高、可控性強(qiáng)的特點(diǎn)，根據(jù)待加工表面材質(zhì)，可以通過(guò)控制激光加工參數(shù)(功率，行走速率、掃描次數(shù)等)精確控制表面減薄的層間距；

(2)制備效率高：通過(guò)激光加工可實(shí)現(xiàn)快速高效的表面減薄，減少傳統(tǒng)金相制備過(guò)程的機(jī)械磨拋和測(cè)量的時(shí)間，提高金相制備效率和精度；

(3)自動(dòng)化程度高：通過(guò)本系統(tǒng)的硬件控制和軟件重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高效的三維組織自動(dòng)化重構(gòu)。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。

進(jìn)一步，還包括用于對(duì)待測(cè)待加工件進(jìn)行干燥的干燥裝置；所述干燥裝置通過(guò)繼電器連接至所述數(shù)據(jù)采集卡，用于所述上位機(jī)對(duì)所述繼電器發(fā)送控制信號(hào)控制風(fēng)機(jī)動(dòng)作。

進(jìn)一步，所述干燥裝置為風(fēng)機(jī)。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是：提供高效、可控的干燥方案。

進(jìn)一步，所述圖像采集裝置為相連接的ccd攝像系統(tǒng)和臺(tái)式金相顯微鏡。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是：實(shí)現(xiàn)清晰高分辨、自動(dòng)化的圖片拍攝。

另外，本發(fā)明還提供了一種基于激光精密加工的微觀組織三維重構(gòu)方法，包括以下步驟：

(1)固定待加工件并將其放置在激光打標(biāo)機(jī)工作臺(tái)上，設(shè)置激光打標(biāo)機(jī)的加工參數(shù)；

(2)啟動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)進(jìn)行打孔定位以及激光掃描以均勻去除待加工件表面的薄層材料；

(3)機(jī)械手夾持已掃描的待加工件，并移至耐腐蝕液體槽，將待加工件放入腐蝕液中進(jìn)行腐蝕；

(4)機(jī)械手將腐蝕后的待加工件提出，并移至清洗工作臺(tái)，放入酒精槽中清洗；

(5)機(jī)械手將清洗完畢的待加工件移至干燥工作臺(tái)，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)對(duì)待加工件進(jìn)行風(fēng)干；

(6)機(jī)械手將待加工件放置在金相顯微鏡觀察視場(chǎng)中，采用顯微鏡及ccd相機(jī)進(jìn)行圖像采集；

(7)圖像采集完成后，機(jī)械手夾持待加工件并重置到激光打標(biāo)機(jī)工作臺(tái)，重復(fù)步驟(1)至步驟(6)，直至獲得滿足測(cè)試需求的片層二維位置組織圖像；

(8)上位機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理，通過(guò)定位孔糾正圖片的位置偏差，并提取定位孔標(biāo)定區(qū)域內(nèi)的圖像信息以及結(jié)構(gòu)二維圖像信息的層間距離，重構(gòu)三維圖片，得到顯微組織的三維結(jié)構(gòu)。

本方法的有益效果是：連續(xù)切片法獲得二維微觀組織的層間距得到了精確控制，待加工件腐蝕控制準(zhǔn)確，減小了每層之間的腐蝕誤差；照片拍攝位置通過(guò)激光打孔定位，更為準(zhǔn)確，該方法可移植性、通用性強(qiáng)。

進(jìn)一步，所述步驟(1)激光打標(biāo)機(jī)的加工參數(shù)包括激光功率、激光行走速率、激光焦距以及掃描次數(shù)。

進(jìn)一步，所述步驟(1)之前還包括步驟：制作待加工件，獲得平整光潔的待觀察面；將待加工件觀察面置上，安裝至固定夾具并用水平儀校準(zhǔn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

鑒于現(xiàn)有的材料微觀顯微組織三維重構(gòu)連續(xù)切片技術(shù)所存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明旨在提供一種新的高精度連續(xù)切片方法，并通過(guò)上位機(jī)控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)拋光、腐蝕、干燥和圖像采集全過(guò)程的自動(dòng)化，大大提高了圖像采集工作的效率。可適用于高效率、大體積和高可信度的微觀結(jié)構(gòu)的三維模型構(gòu)建。

如圖1所示，一種基于激光精密加工的微觀組織三維重構(gòu)系統(tǒng)，包括激光打標(biāo)機(jī)、機(jī)械手、干燥裝置、數(shù)據(jù)采集卡、上位機(jī)以及圖像采集裝置；機(jī)械手和上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)線相連，并基于tcp/ip通訊協(xié)議進(jìn)行信號(hào)收發(fā)；激光打標(biāo)機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡與上位機(jī)相連，并進(jìn)行信號(hào)的接收；風(fēng)機(jī)通過(guò)繼電器連接至數(shù)據(jù)采集卡，與上位機(jī)相連，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送信號(hào)，控制風(fēng)機(jī)的通/斷；顯微鏡通過(guò)ccd相機(jī)連接上位機(jī)，采集待測(cè)待加工件切片的二維組織結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和識(shí)別處理，并由數(shù)據(jù)線連接至上位機(jī)自動(dòng)在線完成顯微微觀組織的三維重構(gòu)。其中，圖像采集裝置為相連接的ccd相機(jī)和顯微鏡，干燥裝置為風(fēng)機(jī)。

其中，激光達(dá)標(biāo)機(jī)，用于在待測(cè)待加工件上進(jìn)行打孔定位以及激光掃描，保證亞微米級(jí)加工表面減薄精度，并提高加工效率；機(jī)械手，用于對(duì)待測(cè)待加工件的夾持和移動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)精度高，并且可以輸出控制信號(hào)，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)機(jī)械手夾持待加工件，腐蝕，擺放(拍攝、減薄)的自動(dòng)化，提高效率和精度；風(fēng)機(jī)，用于對(duì)待測(cè)待加工件進(jìn)行干燥；上位機(jī)，用于控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)及風(fēng)機(jī)的動(dòng)作，以及對(duì)測(cè)待加工件切片的二維組織結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，基于切片的二維組織結(jié)構(gòu)信息圖和切片層厚度，重構(gòu)三維微觀組織結(jié)構(gòu)。

另外，本發(fā)明還提供了一種基于激光精密加工的微觀組織三維重構(gòu)方法，包括以下步驟：

(1)制作待加工件，獲得平整光潔的待觀察面；

(2)將待加工件觀察面置上，安裝至固定夾具并用水平儀校準(zhǔn)；

(3)將固定好的待加工件放置在激光打標(biāo)機(jī)工作臺(tái)上，設(shè)置激光打標(biāo)機(jī)的加工參數(shù)；

(4)啟動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)在待加工件表面上按照設(shè)置的加工參數(shù)進(jìn)行打孔定位以及激光掃描均勻去除待加工件表面的薄層材料；

(5)機(jī)械手夾持已掃描的待加工件，并移至耐腐蝕液體槽，將待加工件放入腐蝕液中進(jìn)行腐蝕；

(6)機(jī)械手將腐蝕后的待加工件提出，并移至清洗工作臺(tái)，放入酒精槽中清洗；

(7)機(jī)械手將清洗完畢的待加工件移至干燥工作臺(tái)，使用風(fēng)機(jī)對(duì)待加工件進(jìn)行風(fēng)干；

(8)機(jī)械手將風(fēng)干后的待加工件放置在金相顯微鏡觀察視場(chǎng)中，采用顯微鏡及ccd相機(jī)進(jìn)行圖像采集；

(9)圖像采集完成后，機(jī)械手夾持待加工件并重置到激光打標(biāo)機(jī)工作臺(tái)，重復(fù)步驟(3)至步驟(8)，直至獲得滿足測(cè)試需求的片層二維位置組織圖像；

(10)運(yùn)用上位機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理，通過(guò)定位孔糾正圖片的位置偏差，并提取定位孔標(biāo)定區(qū)域內(nèi)的圖像信息以及結(jié)構(gòu)二維圖像信息的層間距離，重構(gòu)三維圖片，得到顯微組織的三維結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的方法采用激光精密加工實(shí)現(xiàn)待加工件的連續(xù)切片，精確去除表面材料厚度(微米級(jí)或亞微米級(jí)，根據(jù)微觀組織的最小特征尺寸進(jìn)行選擇)，實(shí)現(xiàn)每層切片厚度的控制，并提高表面光潔度，降低金相磨拋工作量；同時(shí)使用激光打孔，準(zhǔn)確定位，確保后續(xù)拍得的照片在同一個(gè)視場(chǎng)下，提高圖像處理精度和難度。

上位機(jī)控制機(jī)械手對(duì)切片后的待加工件進(jìn)行抓取，移動(dòng)和腐蝕，實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)可控，腐蝕時(shí)間精確，保證每層的腐蝕效果一致；

采用高分辨率的ccd相機(jī)配合高精度的金相顯微鏡，來(lái)獲取清晰可靠的二維組織結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，最后基于切片的二維組織結(jié)構(gòu)信息圖和切片層厚度，重構(gòu)金屬材料的三維微觀組織結(jié)構(gòu)。

與傳統(tǒng)連續(xù)切片技術(shù)進(jìn)行三維重構(gòu)的方法相比較，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、待觀察表面的精度得到了保證。

2、連續(xù)切片法獲得二維微觀組織的層間距得到了精確控制。

3、試驗(yàn)過(guò)程精確可控，自動(dòng)化程度高。

4、待加工件腐蝕控制準(zhǔn)確，減小了每層之間的腐蝕誤差。

5、照片拍攝位置通過(guò)激光打孔定位，更為準(zhǔn)確。

6、此種技術(shù)可移植性、通用性強(qiáng)。

實(shí)施例一

本實(shí)施例所采用的設(shè)備為：激光打標(biāo)機(jī)、機(jī)械手、耐腐蝕液體槽、小型風(fēng)機(jī)、臺(tái)式金相顯微鏡、ccd相機(jī)。

本實(shí)施例以采用待加工件為4mm厚的高溫鎳基合金inconel690待加工件。

本實(shí)施例采用的試驗(yàn)參數(shù)為：激光去除待加工件表面深度4μm。

采用上述材料及試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行微觀組織三維重構(gòu)如下：

(1)使用電火花切割設(shè)備將待加工件切割成合適尺寸的待加工件，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)金相制備工藝，獲得出平整光潔(拋光)的待觀察面；

(2)將待加工件觀察面置上，安裝至固定夾具并用水平儀校準(zhǔn)；

(3)運(yùn)行機(jī)械手夾持固定好的待加工件放置在激光打標(biāo)機(jī)工位，發(fā)送信號(hào)給上位機(jī)并等待，上位機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳輸信號(hào)啟動(dòng)激光打標(biāo)機(jī)(已設(shè)置激光打標(biāo)機(jī)的相關(guān)參數(shù))；

(4)激光打標(biāo)機(jī)運(yùn)行，在待加工件表面上進(jìn)行打孔定位，并進(jìn)行激光面掃，均勻去除待加工件表面上厚度4μm的一層材料，完成以上動(dòng)作后，發(fā)送信號(hào)至上位機(jī)；

(5)上位機(jī)收到打標(biāo)機(jī)完成動(dòng)作信號(hào)，通過(guò)網(wǎng)線發(fā)送信號(hào)啟動(dòng)機(jī)械手夾持已加工工件，移至金相腐蝕工位，將待加工件放入腐蝕液中進(jìn)行腐蝕，并等待，由上位機(jī)計(jì)時(shí)器控制腐蝕時(shí)間，發(fā)出腐蝕動(dòng)作完成信號(hào)；

(6)機(jī)械手收到動(dòng)作完成信號(hào)后，將待加工件提出腐蝕液，并移至工位清洗，放入酒精槽中清洗，并等待，由上位機(jī)計(jì)時(shí)器控制浸泡時(shí)間，發(fā)出清洗動(dòng)作完成信號(hào)；

(7)機(jī)械手收到動(dòng)作完成信號(hào)，運(yùn)行將試樣移至干燥工位由風(fēng)機(jī)進(jìn)行干燥，發(fā)出動(dòng)作完成信號(hào)，并等待，上位機(jī)收到機(jī)械手信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡控制繼電器，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)對(duì)待加工試件表面進(jìn)行風(fēng)干，由上位機(jī)計(jì)時(shí)器控制風(fēng)干時(shí)間，發(fā)出完成信號(hào)，通過(guò)繼電器控制風(fēng)機(jī)關(guān)閉，之后上位機(jī)發(fā)出啟動(dòng)機(jī)械手下一步運(yùn)行信號(hào)；

(8)機(jī)械手收到運(yùn)行信號(hào)，啟動(dòng)將待加工件放置在金相顯微鏡觀察視場(chǎng)工位處，并等待；

(9)采用顯微鏡及ccd相機(jī)進(jìn)行圖像采集：調(diào)整放大倍數(shù)和焦距，使用ccd相機(jī)對(duì)待加工件拍照，并存儲(chǔ)在上位機(jī)中；

(10)圖像采集完成后，在上位機(jī)上輸入完成信號(hào)，上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)線發(fā)出運(yùn)行信號(hào)，機(jī)械手收到信號(hào)后，夾持待加工件重置到工位激光打標(biāo)機(jī)位置，循環(huán)以上，直至獲得足夠多或滿足測(cè)試需求的片層二維位置組織圖像；

(11)運(yùn)用上位機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行自動(dòng)在線處理，通過(guò)定位孔糾正圖片的位置偏差，并提取定位孔標(biāo)定區(qū)域內(nèi)的圖像信息，結(jié)構(gòu)二維圖像信息的層間距離，重構(gòu)三維圖片，最后得到可信度高的顯微組織的三維結(jié)構(gòu)。

經(jīng)上述試驗(yàn)步驟，完成了材料微觀顯微組織的三維重構(gòu)，效率和精確度明顯提高，可以普及應(yīng)用。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。