[发明专利]基于CMOS传感器的激光增材形貌在线检测补偿方法

说明书

一种CMOS传感器的激光增材形貌在线检测补偿装置，属于金属工件激光增材制造技术领域，该装置的底部为底座，底座的上方设有工件基板，工件基板的上方设有沉积工件，沉积工件的一侧设有立柱，立柱上水平的设置激光增材制造机构，激光增材制造机构上垂直的设有激光连杆，激光连杆的底部设有激光熔覆头，激光连杆靠近底部设有测量单元支架，测量单元支架上连接有测量单元。

技术领域

本发明属于金属工件激光增材制造技术领域，涉及一种基于CMOS激光位移传感器的激光增材形貌在线检测补偿方法。

背景技术

激光增材制造技术是基于层层叠加制造的快速原型原理，通过激光对同轴输送的金属粉末材料按照规划的扫描路径实现逐层熔化堆积，直接制造具有三维形状金属功能工件的技术。它具有热输入能量可控、柔性化及无模化制造特点，特别适合于精密、复杂结构的钛合金、高温合金等贵重金属材料工件的直接制造与成形修复，可有效缩短产品开发运维周期、降低开发运维费用，已广泛应用于航空航天、能源化工等领域重大装备关键零部件的直接制造与成形修复。

激光增材制造过程中激光熔覆头存在加速、匀速、再减速的变速工作条件，变速工况下激光熔覆头和送粉器始终保持恒定工作状态，导致速度变化位置(例如工件边缘位置)和匀速位置(例如中心区域)的沉积宽度不同；且工件边缘位置通常较中心区域散热条件差，温度容易累积形成温度梯度，致使型面凹凸不平；沉积高度与理论高度存在误差，使得最终工件尺寸及表面状态无法达到理论数模设定的理想效果。在误差位置如不及时补偿随着沉积层数增多，误差将逐步增大甚至导致工件报废。

目前实际操作过程中常用的测量手段是用卡尺逐层沉积、逐层测量，此种方式极易受人为因素影响存在效率低、测量误差大、测量数据无法实时记录的问题，并且为防止工件氧化激光增材制造通常需要在密闭环境下进行，受观察窗尺寸限制操作人员所能观察到的范围有限，很难对工件整体表面形状做出完整判断。针对实际操作过程的不足，现阶段沉积工件形状自动化测量方法主要包括：基于高温计或光电二极管的熔池形状测量方法、基于CCD传感器的视觉测量方法、结构光三维测量方法。如按照测量过程又可分为在线测量和离线测量。

熔池形状测量属于间接测量，其测量结果由于需要事先建立数学模型，所以易受计算误差影响。测量过程中受热辐射干扰很难确定准确的熔池边缘位置。此种方式适合用于辅助测量，不适用于对工件确切尺寸测量。图像视觉测量方法通过分析照片灰度变化确定熔池边缘位置从而测量熔池尺寸。此种测量方式无法通过单次测量得到工件三维形状尺寸，测量效率较低，灰度识别易受灰度阈值影响，阈值选取需要预先进行实验验证。熔池形状测量和图像视觉测量本质上都是通过保证每道熔池形状尺寸来间接保证整体形状，根据误差累积理论即使每道熔池形状尺寸都合格也无法确保最终整体形状合格。结构光三维测量可以得到工件的三维数模，比对工件数模与理论数模即可测得误差。结构光测量存在以下问题：光学传感器对于安装空间要求高；易受光栅畸变影响；测量前需校准设备；数模拟合过程中易受人为因素及计算误差干扰；拟合阈值对计算结果影响较大。结构光测量通常作为成品工件测量手段，对于沉积过程测量效果不明显。以上三种离线测量手段均无法实现对工件误差位置、大小快速识别并计算。且离线测量后如需对工件误差进行修补需再次将工件放入增材设备中，存在二次装夹、重新定位的问题，会在误差补偿过程中引入新的误差，导致误差结果增大。

发明内容

发明目的

本发明针对现有三种离线测量手段均无法实现对工件误差位置、大小快速识别并计算，且离线测量后如需对工件误差进行修补需再次将工件放入增材设备中，存在二次装夹、重新定位的问题，会在误差补偿过程中引入新的误差，导致误差结果增大的问题，提供了一种基于CMOS激光位移传感器的激光增材形貌在线检测补偿方法。

技术方案