用于三维物体制造的激光光斑校准方法及校准系统与流程

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种用于三维物体制造的激光光斑校准方法及校准系统。

背景技术：

增材制造技术（additivemanufacturing，简称am）是一项具有数字化制造、高度柔性和适应性、直接cad模型驱动、快速、材料类型丰富多样等鲜明特点的先进制造技术，由于其不受零件形状复杂程度的限制，不需要任何的工装模具，因此应用范围非常广。选区激光熔融技术（selectivelasermelting，简称slm）是近年来发展迅速的增材制造技术之一，其以粉末材料为原料，采用激光对三维实体的截面进行逐层扫描完成原型制造，不受零件形状复杂程度的限制，不需要任何的工装模具，应用范围广。选择性激光熔融（也称slm）工艺的基本过程是：送粉装置将一定量粉末送至工作台面，铺粉装置将一层粉末材料平铺在成型缸底板或已成型零件的上表面，激光振镜系统控制激光以一个近似不变的光斑大小和光束能量按照该层的截面轮廓对实心部分粉末层进行扫描，使粉末熔化并与下面已成型的部分实现粘接；当一层截面烧结完后，工作台下降一个层的厚度，铺粉装置又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的扫描烧结，经若干层扫描叠加，直至完成整个原型制造。

为了保证激光在扫描工作平面时光斑聚焦，即光斑大小不变，现有技术一般采用以下两种手段实现：一种实现方法是通过f-θ镜，但此方法限制了烧结的成型面积，此外，由于此方式会产生畸变，从而会导致烧结平面中心光斑最小，而越到边界光斑越大，且该畸变不可调节。对于中等幅面的工业级的slm设备，采用此方法仅可烧结一些对激光功率密度敏感度低的材料（如不锈钢），但对于铝合金等一些敏感度高的材料就不适用；另一种实现方法是通过动态聚焦的方式，这种方法可以使激光在整个烧结平面的任意位置都是聚焦的，但是需要采用光斑校准。传统的光斑校准方法是通过光斑分析仪，测量几个不同的发散镜位置下的光斑随光程的变化，再通过拟合做差值，找到不同光程下激光聚焦时发散镜的位置。而烧结平面上不同的位置均对应一个光程，于是找到烧结平面的不同位置对应发散镜位置的关系。但是激光熔融设备的激光功率一般较高，而光斑分析仪属于精密仪器，容易受到干扰，测量波动幅度大，导致测量结果不准确。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种校准更精确的用于三维物体制造的激光光斑校准方法及校准系统。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于三维物体制造的激光光斑校准方法，包括以下步骤：

根据光学系统中聚焦镜、发散镜间的距离与聚焦光程之间的关系，计算得到理论聚焦校准表，以使设备理论上通过该理论聚焦校准表控制发散镜的位置实现激光聚焦在烧结平面任一位置；

调整聚焦镜和发散镜的位置，使激光在烧结平面中心基本聚焦；

调整x镜片、y镜片使激光垂直打在烧结平面中心；

在烧结平面的上下分别获取至少一个平行于烧结平面的截面，采用相同激光在烧结平面和所有截面的中心位置或附近，以及中心之外的位置进行线扫描；通过对所有平面的中心位置或附近扫描线的表面特征分析找到激光聚焦的平面，并得到该平面与烧结平面之间的距离，且根据光学系统中聚焦镜、发散镜间的距离与聚焦光程之间的关系，得到要将激光聚焦在烧结平面中心发散镜需变化的位置值δ1；通过对所有平面的中心之外的同一位置或附近扫描线的表面特征分析找到激光聚焦的平面，并得到该平面与烧结平面之间的距离，且根据光学系统中发散镜移动距离与聚焦光程变化距离间的关系，得到要将激光聚焦在烧结平面中心之外的所选位置发散镜需变化的位置值δ2；

将理论聚焦校准表进行线性变换，以使理论聚焦校准表中的中心的位置值移动δ1，以及中心之外所选位置的位置值移动δ2，线性变换后得到的校准表即为新校准表。

作为本发明的进一步优选方案，所述理论聚焦校准表通过以下方式得到：

根据光学系统中聚焦镜、发散镜间的距离与聚焦光程之间的关系，计算出当聚焦镜的位置一定时，激光聚焦在烧结平面任一位置时发散镜所对应的位置，并在烧结平面均匀取一个n*n的点位置，将每个点位置对应的发散镜位置形成一个n*n的方阵，该n*n的方阵即为理论聚焦校准表。

作为本发明的进一步优选方案，所述调整聚焦镜和发散镜的位置，使激光在烧结平面中心基本聚焦具体包括：

将发散镜的位置固定，通过移动聚焦镜的位置，保持激光能量不变，观察烧结平面中心的激光最亮时将聚焦镜固定；或者

将聚焦镜的位置固定，通过移动发散镜的位置，保持激光能量不变，观察烧结平面中心的激光最亮时将发散镜固定。

作为本发明的进一步优选方案，所述激光聚焦的平面为扫描线最窄的平面或者扫描线最亮的平面。

作为本发明的进一步优选方案，所述δ2通过以下方式得到：

通过对所有平面的同一角落附近扫描线的表面特征分析找到激光聚焦的平面，并得到该平面与烧结平面之间的距离；

根据光学系统中发散镜移动距离与聚焦光程变化距离间的关系，得到要将激光聚焦在烧结平面中心之外的同一角落发散镜需要变化的位置值δ2。

作为本发明的进一步优选方案，所述平行于烧结平面的截面通过以下方式获取：

将测试件置于成型缸底板上，通过移动活塞带动测试件进行上或下移动，使测试件的上表面与烧结平面之间存在一定的距离，该测试件的上表面即为平行于烧结平面的截面。

本发明还提供了一种用于三维物体制造的激光光斑校准系统，包括：

计算理论聚焦校准表模块，用于根据光学系统中聚焦镜、发散镜间的距离与聚焦光程之间的关系，计算得到理论聚焦校准表，以使设备理论上通过该理论聚焦校准表控制发散镜的位置实现激光聚焦在烧结平面任一位置；

第一调整模块，用于调整聚焦镜和发散镜的位置，使激光在烧结平面中心基本聚焦；

第二调整模块，用于调整x镜片、y镜片使激光垂直打在烧结平面中心；

获取偏移参数模块，用于在烧结平面的上下分别获取至少一个平行于烧结平面的截面，采用相同激光在烧结平面和所有截面的中心位置或附近，以及中心之外的位置进行线扫描；通过对所有平面的中心位置或附近扫描线的表面特征分析找到激光聚焦的平面，并得到该平面与烧结平面之间的距离，且根据光学系统中聚焦镜、发散镜间的距离与聚焦光程之间的关系，得到要将激光聚焦在烧结平面中心发散镜需变化的位置值δ1；通过对所有平面的中心之外的同一位置或附近扫描线的表面特征分析找到激光聚焦的平面，并得到该平面与烧结平面之间的距离，且根据光学系统中发散镜移动距离与聚焦光程变化距离间的关系，得到要将激光聚焦在烧结平面中心之外的所选位置发散镜需变化的位置值δ2；以及

获取新校准表模块，用于将理论聚焦校准表进行线性变换，以使理论聚焦校准表中的中心的位置值移动δ1，以及中心之外所选位置的位置值移动δ2，线性变换后得到的校准表即为新校准表。

作为本发明的进一步优选方案，所述计算理论聚焦校准表模块包括：

计算单元，用于根据光学系统中聚焦镜、发散镜间的距离与聚焦光程之间的关系，计算出当聚焦镜的位置一定时，激光聚焦在烧结平面任一位置时发散镜所对应的位置；以及

方阵选取单元，用于在烧结平面均匀取一个n*n的点位置，将每个点位置对应的发散镜位置形成一个n*n的方阵，该n*n的方阵即为理论聚焦校准表。

作为本发明的进一步优选方案，所述获取偏移参数模块中，激光聚焦的平面为扫描线最窄的平面或者扫描线最亮的平面。

作为本发明的进一步优选方案，所述方获取偏移参数模块中，用于在烧结平面的上下分别获取至少一个平行于烧结平面的截面，采用相同激光在烧结平面和所有截面的中心位置或附近以及同一角落附近进行线扫描。

本发明的用于三维物体制造的激光光斑校准方法及校准系统具有以下有益效果：

1、采用动态聚焦的方式，避免了畸形带的光斑不均匀性。用理论联系实际的方法，假定一个特殊的聚焦镜和发散镜位置使激光聚焦在烧结平面中心，推导出在此特定条件下的校准表。再根据实际的测量，对校准表进行比例缩放和平移，这样使得不改变理论关系的前提下得到新校准表，从而设备便可通过该新校准表控制发散镜的位置以实现激光聚焦在烧结平面，即保持光斑不变；

2、采用激光在测试件表面作用的线宽来替代激光的光斑大小，而均匀测试件表面激光扫描的线宽的波动很小，从而避免了光斑分析仪的敏感性，减小了测量带来的误差，使得校准结果更精确。

附图说明

图1为本发明用于三维物体制造的激光光斑校准方法提供的一优选实施例的方法流程图；

图2为本发明用于三维物体制造的激光光斑校准系统提供的一实施例的结构框图。

具体实施方式

为了让本领域的技术人员更好地理解并实现本发明的技术方案，以下将结合说明书附图和具体实施例做进一步详细说明。

本发明提供的用于三维物体制造的激光光斑校准方法，包括以下步骤：

步骤一、根据光学系统中聚焦镜、发散镜间的距离与聚焦光程之间的关系，计算得到理论聚焦校准表，以使设备理论上通过该理论聚焦校准表控制发散镜的位置实现激光聚焦在烧结平面任一位置；

该步骤中，所述理论聚焦校准表可由技术人员根据其实现目的（控制发散镜的位置实现激光聚焦在烧结平面任一位置）以及实验经验计算得到，在本发明中对此不作任何限制。作为本发明的一种具体实现方式，其可通过以下方式得到：

根据光学系统中聚焦镜、发散镜间的距离与聚焦光程之间的关系，计算出当聚焦镜的位置一定时，激光聚焦在烧结平面任一位置时发散镜所对应的位置，并在烧结平面均匀取一个n*n的点位置，将每个点位置对应的发散镜位置形成一个n*n的方阵，该n*n的方阵即为理论聚焦校准表。例如，可获取65*65的方阵作为理论聚焦校准表。

步骤二、聚焦镜和发散镜的位置，使激光在烧结平面中心基本聚焦；

该步骤具体通过以下方式实现：

将发散镜的位置固定，通过移动聚焦镜的位置，保持激光能量不变，观察烧结平面中心的激光最亮时将聚焦镜固定；或者

将聚焦镜的位置固定，通过移动发散镜的位置，保持激光能量不变，观察烧结平面中心的激光最亮时将发散镜固定。

在此需说明的是，除了上述两种实现方式，具体实施中，还可通过将聚焦镜和发散镜相互移动来保持激光能量不变，并观察烧结平面中心的激光最亮时将聚焦镜固定，从而实现激光在烧结平面中心基本聚焦的目的。

步骤三、调整x镜片、y镜片使激光垂直打在烧结平面中心；

步骤四、在烧结平面的上下分别获取至少一个平行于烧结平面的截面，采用相同激光在烧结平面和所有截面的中心位置或附近，以及中心之外的位置进行线扫描；通过对所有平面的中心位置或附近扫描线的表面特征分析找到激光聚焦的平面，并得到该平面与烧结平面之间的距离，且根据光学系统中聚焦镜、发散镜间的距离与聚焦光程之间的关系，得到要将激光聚焦在烧结平面中心发散镜需变化的位置值δ1；通过对所有平面的中心之外的同一位置或附近扫描线的表面特征分析找到激光聚焦的平面，并得到该平面与烧结平面之间的距离，且根据光学系统中发散镜移动距离与聚焦光程变化距离间的关系，得到要将激光聚焦在烧结平面中心之外的所选位置发散镜需变化的位置值δ2；该步骤中，所有平面包括烧结平面和所有截面，且所有平面是指在该平面内振镜摆动所能扫描的最大范围所形成的区域。

可以理解的是，该步骤对于δ1和δ2的获取没有先后顺序限制，也可同时限制。另外，该步骤中，在烧结平面的上下分别获取至少一个平行于烧结平面的截面，如可向上获取至少一个平行于烧结平面的截面，向下获取至少一个平行于烧结平面的截面，在此需说明的是，向上和向下获取的截面数量可以不相等，以及其与烧结平面的距离可以不相等。具体实施中，所述平行于烧结平面的截面通过以下方式获取：

将测试件置于成型缸底板上，通过移动活塞带动测试件进行上或下移动，使测试件的上表面与烧结平面之间存在一定的距离，该测试件的上表面即为平行于烧结平面的截面。本文中的测试件为激光能在上面打出印迹的物体，例如，该物体可为发黑的铝片，当然其还可以为其它物件，在此不做具体阐述。

具体实施中，相同激光是指具有相同激光功率、相同扫描速度的激光，当然，根据设计需要，其还可以为具有其它相同参数，在此不做一一例举。

优选地，上述通过对所有平面的中心之外的同一位置或附近扫描线的表面特征分析找到激光聚焦的平面中，其中心之外的同一位置或附近优选采用烧结平面的同一角落位置。

在此需说明的是，上述通过对所有平面的中心位置或附近扫描线的表面特征分析找到激光聚焦的平面，具体地，可认为扫描线最窄的平面或者扫描线最亮的平面为激光聚焦平面，当然，设计人员还可以通过表面特征的其它参数来判断其是否为激光聚焦平面，在此不做一一例举。另外，可通过带有测量功能的仪器或设备（如可带放大功能）测量物体上表面处于不同平面时的扫描线的线宽从而找出扫描线最窄的平面。

步骤五、将理论聚焦校准表进行线性变换，以使理论聚焦校准表中的中心的位置值移动δ1，以及中心之外所选位置的位置值移动δ2，线性变换后得到的校准表即为新校准表。

在此需说明的是，该步骤可以通过线性变换先使中心聚焦，再通过线性变换使中心之外位置聚焦；也可以通过线性变换先将中心之外位置聚焦，再将中心聚焦；当然，也可以通过线性变换将中心和中心之外位置同时聚焦。

本发明通过采用上述技术方案获得新校准表后，设备便可通过该新校准表控制发散镜的位置以实现激光聚焦在烧结平面任一位置，从而实现了激光光斑校准目的。

图1为本发明用于三维物体制造的激光光斑校准方法提供的一优选实施例的方法流程图，如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤11、计算理论聚焦校准表：根据光学系统中聚焦镜、发散镜间的距离与聚焦光程之间的关系，计算出当聚焦镜的位置一定时，激光聚焦在烧结平面任一位置时发散镜所对应的位置，并在烧结平面均匀取一个n*n的点位置，将每个点位置对应的发散镜位置形成一个n*n的方阵，该n*n的方阵即为理论聚焦校准表。例如，可获取65*65的方阵作为理论聚焦校准表；

步骤12、调整聚焦镜和发散镜的位置，使激光在烧结平面中心基本聚焦；

步骤13、调整x镜片、y镜片使激光垂直打在烧结平面中心；

步骤14、计算要将激光聚焦在烧结平面中心发散镜需变化的位置值δ1：在烧结平面的上下分别获取至少一个平行于烧结平面的截面，采用相同激光在烧结平面和所有截面的中心位置或附近进行线扫描，通过对所有平面的中心位置或附近扫描线的表面特征分析找到激光聚焦的平面，并得到该平面与烧结平面之间的距离，且根据光学系统中聚焦镜、发散镜间的距离与聚焦光程之间的关系，得到要将激光聚焦在烧结平面中心发散镜需变化的位置值δ1；

步骤15、计算要将激光聚焦在烧结平面的同一角落发散镜需变化的位置值δ2：在烧结平面的上下分别获取至少一个平行于烧结平面的截面，采用相同激光在烧结平面和所有截面的同一角落附近进行线扫描，通过对所有平面的同一角落附近扫描线的表面特征分析找到激光聚焦的平面，并得到该平面与烧结平面之间的距离，且根据光学系统中发散镜移动距离与聚焦光程变化距离间的关系，得到要将激光聚焦在烧结平面所选的同一角落发散镜需变化的位置值δ2；

步骤16、获取新校准表：将理论聚焦校准表进行线性变换，以使理论聚焦校准表中的中心的位置值移动δ1，以及所选角落的位置值移动δ2，线性变换后得到的校准表即为新校准表。

如图2所示，本发明还提供了一种用于三维物体制造的激光光斑校准系统，该系统包括：

计算理论聚焦校准表模块21，用于根据光学系统中聚焦镜、发散镜间的距离与聚焦光程之间的关系，计算得到理论聚焦校准表，以使设备理论上通过该理论聚焦校准表控制发散镜的位置实现激光聚焦在烧结平面任一位置；

第一调整模块22，用于调整聚焦镜和发散镜的位置，使激光在烧结平面中心基本聚焦；

第二调整模块23，用于调整x镜片、y镜片使激光垂直打在烧结平面中心；

获取偏移参数模块24，用于在烧结平面的上下分别获取至少一个平行于烧结平面的截面，采用相同激光在烧结平面和所有截面的中心位置或附近，以及中心之外的位置进行线扫描；通过对所有平面的中心位置或附近扫描线的表面特征分析找到激光聚焦的平面，并得到该平面与烧结平面之间的距离，且根据光学系统中聚焦镜、发散镜间的距离与聚焦光程之间的关系，得到要将激光聚焦在烧结平面中心发散镜需变化的位置值δ1；通过对所有平面的中心之外的同一位置或附近扫描线的表面特征分析找到激光聚焦的平面，并得到该平面与烧结平面之间的距离，且根据光学系统中发散镜移动距离与聚焦光程变化距离间的关系，得到要将激光聚焦在烧结平面中心之外的所选位置发散镜需变化的位置值δ2；以及

获取新校准表模块25，用于将理论聚焦校准表进行线性变换，以使理论聚焦校准表中的中心的位置值移动δ1，以及中心之外所选位置的位置值移动δ2，线性变换后得到的校准表即为新校准表。

具体实施中，所述计算理论聚焦校准表模块21可由技术人员根据其实现目的（控制发散镜的位置实现激光聚焦在烧结平面任一位置）以及实验经验计算得到，在本发明中对此不作任何限制。作为本发明的一种具体实现方式，其可通过以下方式得到：

计算单元，用于根据光学系统中聚焦镜、发散镜间的距离与聚焦光程之间的关系，计算出当聚焦镜的位置一定时，激光聚焦在烧结平面任一位置时发散镜所对应的位置；以及

方阵选取单元，用于在烧结平面均匀取一个n*n的点位置，将每个点位置对应的发散镜位置形成一个n*n的方阵，该n*n的方阵即为理论聚焦校准表。

上述第一调整模块22具体可通过以下方式实现：

将发散镜的位置固定，通过移动聚焦镜的位置，保持激光能量不变，观察烧结平面中心的激光最亮时将聚焦镜固定；或者

将聚焦镜的位置固定，通过移动发散镜的位置，保持激光能量不变，观察烧结平面中心的激光最亮时将发散镜固定。

在此需说明的是，除了上述两种实现方式，具体实施中，还可通过将聚焦镜和发散镜相互移动来保持激光能量不变，并观察烧结平面中心的激光最亮时将聚焦镜固定，从而实现激光在烧结平面中心基本聚焦的目的。

所述获取偏移参数模块24中，在烧结平面的上下分别获取至少一个平行于烧结平面的截面，其中，向上和向下获取的截面数量可以不相等，以及其与烧结平面的距离可以不相等。具体实施中，所述平行于烧结平面的截面通过以下方式获取：

将测试件置于成型缸底板上，通过移动活塞带动测试件进行上或下移动，使测试件的上表面与烧结平面之间存在一定的距离，该测试件的上表面即为平行于烧结平面的截面。可以理解的是，烧结平面即测试件的上表面位于烧结区域位置。

具体实施中，相同激光是指具有相同激光功率、相同扫描速度的激光，当然，根据设计需要，其还可以为具有其它相同参数，在此不做一一例举。

优选地，上述通过对所有平面的中心之外的同一位置或附近扫描线的表面特征分析找到激光聚焦的平面中，其中心之外的同一位置或附近优选采用烧结平面的同一角落。

在此需说明的是，上述通过对所有平面的中心位置或附近扫描线的表面特征分析找到激光聚焦的平面，具体地，可认为扫描线最窄的平面或者扫描线最亮的平面为激光聚焦平面，当然，设计人员还可以通过表面特征的其它参数来判断其是否为激光聚焦平面，在此不做一一例举。另外，可通过带有测量功能的仪器或设备（如可带放大功能）测量物体上表面处于不同平面时的扫描线的线宽从而找出扫描线最窄的平面。

以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均应属于本发明的保护范围。应当指出，在不脱离本发明原理前提下的若干修改和修饰，应视为本发明的保护范围。