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CN114226760A - 用于激光选区熔化的铺粉设备振镜输入光路调节装置与调节方法 - Google Patents

用于激光选区熔化的铺粉设备振镜输入光路调节装置与调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于激光选区熔化的铺粉设备振镜输入光路调节装置与调节方法，其中调节装置包括：纵长导轨；设置在纵长导轨上并可沿着导轨滑动的第一滑块和第二滑块；支撑架；十字测微尺安装架和十字测微尺；光学系统，安装在所述支撑架上，并且其出光端朝向十字测微尺，用于发射激光束；扩束镜组件，设置在所述光学系统的出光光路中，用于对朝向十字测微尺发射的激光束进行扩束整形；以及光学微调系统，安装在所述支撑架上，用于调整扩束镜组件的位置。本发明的铺粉设备振镜输入光路调节装置通过扩束镜后的光斑中心位置及直径大小的测量，准确计算光束准直性及相应的调节方式，对振镜前端输入光路进行调节校准。

Description

用于激光选区熔化的铺粉设备振镜输入光路调节装置与调节 方法
技术领域
本发明涉及激光选区熔化增材制造技术领域，尤其是振镜系统校准，具体而言涉及一种用于激光选区熔化的铺粉设备振镜输入光路调节装置与调节方法。
背景技术
在增材制造技术领域，激光选区熔化工艺具有更优良的成型性能、极高的成型精度。激光选区熔化系统通常包括控制系统、铺粉系统、氛围保护系统、激光扫描系统四个系统，实现增材制造功能和精度控制，同时这也是影响成型的主要误差来源。
从光纤发出的激光束是影响成型效果的第一个因素，需要良好的准直性，否则会影响打印质量，甚者烧损光学元件及在设备腔体内散射产生热量。但该问题并没有被关注和解决，市面上的产品多依靠机械间的配合准直激光，而初期粗糙的调节产生的误差是后期振镜校准时无法修正的。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于激光选区熔化的铺粉设备振镜输入光路调节装置与调节方法，解决了现有铺粉设备光路调准直、调中过程中存在的操作过程复杂、调不准以至烧损镜片的问题。
根据本发明目的的第一方面提出一种用于激光选区熔化的铺粉设备振镜输入光路调节装置，包括：
纵长导轨；
设置在纵长导轨上并可沿着导轨滑动的第一滑块和第二滑块；
设置在第一滑块上的支撑架，所述支撑架与第一滑块被限位在所述纵长导轨的一端；
设置在第二滑块上的十字测微尺安装架和十字测微尺，十字测微尺固定安装在十字测微尺安装架上，并被设置可通过十字测微尺安装架来调整其在竖直平面内的位置；所述
光学系统，安装在所述支撑架上，并且其出光端朝向十字测微尺，用于发射激光束；其包括光纤准直头以及光纤头固定套；
扩束镜组件，设置在所述光学系统的出光光路中，用于对朝向十字测微尺发射的激光束进行扩束整形；以及
光学微调系统，安装在所述支撑架上，用于调整扩束镜组件的位置。
根据本发明目的的第二方面提出一种振镜输入光路调节校准方法，包括以下步骤：
步骤1：振镜输入光路调节校准系统搭建，包括：步骤1.1：将光纤准直头穿过光纤头固定套，用顶丝将光纤准直头和光纤头固定套锁紧；步骤:1.2：将步骤1.1装配好的组件与支撑架锁紧连接；步骤1.3：将步骤1.2装配好的组件和扩束镜安装套锁紧连接；步骤1.4：将步骤1.3装配好的组件安装在第一滑块上并锁紧，第一滑块与纵长导轨锁紧固定；将十字测微尺安装在第二滑块的十字测微尺安装架上并锁紧，移动第二滑块使其靠近光纤准直头的输出端，再将第二滑块和纵长导轨锁紧固定；
步骤2、通过激光器控制系统打开指示用的532nm红色可见光，通过光纤准直头输出的平行光束投射在位于其前端放置的十字测微尺上，正视十字测微尺读出激光光斑边界落在标尺的刻度上的示数，分别记X、Y方向的读数为xR、xL、yR、yL，调节十字测微尺在竖直平面内的位置，使：xR+xL＝0，yR+yL＝0，即十字测微尺的刻度线相交中心与激光光斑圆心重合，完成系统调零；
步骤3：关闭激光器指示用红色可见光，将扩束镜组件与扩束镜螺纹套由细牙螺纹配合锁紧，作为整体插入到扩束镜安装套内，并通过顶丝预紧固定；
步骤4：再次打开指示用红色可见光，通过扩束镜组件整形光束后，输出光束投射到前端放置的十字测微尺上，根据十字测微尺上的刻度，计算出激光光斑直径和相对位置数据，实现对扩束镜组件的校准。
其中，所述步骤4的具体实现包括：
步骤4.1：正视十字测微尺，以红色圆形激光光斑的边缘为标准精细读数，读出X、Y方向上的四个刻度值xR1、xL1、yR1、yL1，并计算出圆心位置(x1，y1)以及光斑直径D1；
调节扩束镜安装套与扩束镜螺纹套连接处的顶丝，在竖直平面上移动扩束镜组件，使xR1+xL1＝0，yR1+yL1＝0，即光斑中心与十字测微尺的刻度交叉产生的中心重合；
步骤4.2：将十字测微尺移动到纵长导轨的最远端，再次读出X、Y方向上的四个刻度值xR2、xL2、yR2、yL2，并计算出圆心位置(x2，y2)以及光斑直径D2；
步骤4.3：基于步骤4.1和步骤4.2分别计算的圆心位置和光斑直径，判断扩束镜组件的偏移和扩束性能。
由以上本发明的实施方案，本发明提供了一种通过扩束镜后的光斑中心位置及直径大小的快速测量，利用测量所得数据准确计算光束准直性及相应的调节方式，对振镜前端输入光路形成一种低成本、高效率、高精度的校准。
附图说明
图1是本发明提出的用于激光选区熔化的铺粉设备振镜输入光路调节装置的示意图。
图2是铺粉设备振镜输入光路调节方法中使用的十字测微尺示意图；
图3是铺粉设备振镜输入光路调节方法的工作流程图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
结合附图1、2所示实施例的用于激光选区熔化的铺粉设备振镜输入光路调节装置，旨在通过扩束镜后的光斑中心位置及直径大小的测量比对，利用测量所得数据准确计算光束准直性及相应的调节方式，对振镜前端输入光路进行高效率、高精度的校准。
如图1所示的示例的铺粉设备振镜输入光路调节装置包括纵长导轨1、第一滑块2-1和第二滑块2-2。
第一滑块2-1和第二滑块2-2，设置在纵长导轨上并可沿着导轨滑动。
如图1，支撑架7设置在第一滑块2-1上，支撑架7与第一滑块被限位在所述纵长导轨的一端，位于末尾的位置。
用于激光光斑测量的十字测微尺(未表示出)安装在十字测微尺安装架3上，并且整体安装在第二滑块2-2上的，并可随着第二滑块2-2在纵长导轨1上同步滑动。
其中，十字测微尺可通过紧固件刚性固定安装在十字测微尺安装架3上，并且可通过十字测微尺安装架3来调整其在竖直平面内的位置，即上下移动。
光学系统，安装在支撑架7上，并且其出光端朝向十字测微尺，用于发射激光束。如图1，光学系统包括光纤准直头8以及光纤头固定套9，光纤准直头8锁紧在光纤固定套9的内部，光纤头固定套9安装在支撑架7上。
结合图1，扩束镜组件4，设置在光学系统的出光光路中，用于对朝向十字测微尺发射的激光束进行扩束整形。
光学微调系统，安装在支撑架7上，用于调整扩束镜组件4的位置。
结合图1，光学微调系统包括共光轴的扩束镜螺纹套5以及扩束镜安装套6，扩束镜组件4螺纹连接在扩束镜螺纹套5的内部并锁紧，扩束镜组件4与扩束镜螺纹套5锁紧后作为整体，插入扩束镜安装套内并通过顶丝预紧固定，扩束镜安装套6安装在所述支撑架7上。
由此，经由待校准光学系统输出的红色可见光束投射到十字测微尺上呈圆形光斑，通过十字测微尺(分度值0.1mm)用来对光斑边缘落在刻度尺上的位置进行测量，所得测量数据用于计算光斑中心位置和直径大小，并判断是否准直。同时，可通过微调系统来依据测量参数微调四维调节锁紧结构，例如X轴和Y轴方向分别设置的顶丝结构，构成四维调节机构，实现精细校准。
优选地，十字测微尺采用平板状结构，作为系统的光斑信息测量器件，要求是平整度良好且不易热胀冷缩的平板材质，该材质接收到待校准光学系统输出光路的照射后有明显的颜色变化。十字测微尺上设置有严格垂直的两条标尺，标尺量程均大于输出光路的光斑直径，标尺的分度值为0.1mm，如图2所示。
结合图3所示的流程示意，本发明提出的振镜输入光路调节校准方法，包括以下步骤：
步骤1：振镜输入光路调节校准系统搭建，包括：
步骤1.1：将光纤准直头穿过光纤头固定套，用顶丝将光纤准直头和光纤头固定套锁紧；
步骤:1.2：将步骤1.1装配好的组件与支撑架锁紧连接；
步骤1.3：将步骤1.2装配好的组件和扩束镜安装套锁紧连接；
步骤1.4：将步骤1.3装配好的组件安装在第一滑块上并锁紧，第一滑块与纵长导轨锁紧固定；将十字测微尺安装在第二滑块的十字测微尺安装架上并锁紧，移动第二滑块使其靠近光纤准直头的输出端，再将第二滑块和纵长导轨锁紧固定；
步骤2、通过激光器控制系统打开指示用的532nm红色可见光，通过光纤准直头输出的平行光束投射在位于其前端放置的十字测微尺上，正视十字测微尺读出激光光斑边界落在标尺的刻度上的示数，分别记X、Y方向的读数为xR、xL、yR、yL，调节十字测微尺在竖直平面内的位置，使：xR+xL＝0，yR+yL＝0，即十字测微尺的刻度线相交中心与激光光斑圆心重合，完成系统调零；
步骤3：关闭激光器指示用红色可见光，将扩束镜组件与扩束镜螺纹套由细牙螺纹配合锁紧，作为整体插入到扩束镜安装套内，并通过顶丝预紧固定；
步骤4：再次打开指示用红色可见光，通过扩束镜组件整形光束后，输出光束投射到前端放置的十字测微尺上，根据十字测微尺上的刻度，计算出激光光斑直径和相对位置数据，实现对扩束镜组件的校准。
其中，步骤4的具体实现包括：
步骤4.1：正视十字测微尺，以红色圆形激光光斑的边缘为标准精细读数，读出X、Y方向上的四个刻度值xR1、xL1、yR1、yL1，并计算出圆心位置(x1，y1)以及光斑直径D1；
调节扩束镜安装套与扩束镜螺纹套连接处的顶丝，在竖直平面上移动扩束镜组件，使xR1+xL1＝0，yR1+yL1＝0，即光斑中心与十字测微尺的刻度交叉产生的中心重合；
步骤4.2：将十字测微尺移动到纵长导轨的最远端，再次读出X、Y方向上的四个刻度值xR2、xL2、yR2、yL2，并计算出圆心位置(x2，y2)以及光斑直径D2；
步骤4.3：基于步骤4.1和步骤4.2分别计算的圆心位置和光斑直径，判断扩束镜组件的偏移和扩束性能。
其中，所述步骤4.3中，对比步骤4.1和4.2获得的圆心坐标，如果步骤4.2获得的圆心朝向X轴正向或者反向偏移，则调节扩束镜安装套上的顶丝，将扩束镜组件的尾部对应地朝向X轴正向偏移或者反向偏移。
其中，步骤4.3中，对比步骤4.1和4.2获得的光斑直径，若步骤4.2获得的光斑直径发生变化，则表明扩束镜组件对光束的整形过程中并不能将激光器输入的准直光束扩束为需要的孔径更大的准直光束，则提示更换扩束镜，需要更换扩束镜来解决此问题。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (8)

1.一种用于激光选区熔化的铺粉设备振镜输入光路调节装置，其特征在于，包括：
纵长导轨；
设置在纵长导轨上并可沿着导轨滑动的第一滑块和第二滑块；
设置在第一滑块上的支撑架，所述支撑架与第一滑块被限位在所述纵长导轨的一端；
设置在第二滑块上的十字测微尺安装架和十字测微尺，十字测微尺固定安装在十字测微尺安装架上，并被设置可通过十字测微尺安装架来调整其在竖直平面内的位置；所述
光学系统，安装在所述支撑架上，并且其出光端朝向十字测微尺，用于发射激光束；
扩束镜组件，设置在所述光学系统的出光光路中，用于对朝向十字测微尺发射的激光束进行扩束整形；以及
光学微调系统，安装在所述支撑架上，用于调整扩束镜组件的位置。
2.根据权利要求1所述的用于激光选区熔化的铺粉设备振镜输入光路调节装置，其特征在于，所述光学系统包括光纤准直头以及光纤头固定套，光纤准直头锁紧在光纤固定套内，所述光纤头固定套安装在支撑架上。
3.根据权利要求1所述的用于激光选区熔化的铺粉设备振镜输入光路调节装置，其特征在于，所述光学微调系统包括共光轴的扩束镜螺纹套以及扩束镜安装套，所述扩束镜组件螺纹连接在扩束镜螺纹套内并锁紧，所述扩束镜螺纹套插入扩束镜安装套内并通过顶丝预紧固定，扩束镜安装套安装在所述支撑架上。
4.根据权利要求1所述的用于激光选区熔化的铺粉设备振镜输入光路调节装置，其特征在于，所述十字测微尺为平板状，并且在接收到光学系统输出光路的照射后产生颜色变化，所述十字测微尺上设置有严格垂直的两条标尺，标尺量程均大于输出光路的光斑直径，标尺的分度值为0.1mm。
5.基于权利要求1所述的用于激光选区熔化的铺粉设备振镜输入光路调节装置的振镜输入光路调节校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：振镜输入光路调节校准系统搭建，包括：
步骤1.1：将光纤准直头穿过光纤头固定套，用顶丝将光纤准直头和光纤头固定套锁紧；
步骤：1.2：将步骤1.1装配好的组件与支撑架锁紧连接；
步骤1.3：将步骤1.2装配好的组件和扩束镜安装套锁紧连接；
步骤1.4：将步骤1.3装配好的组件安装在第一滑块上并锁紧，第一滑块与纵长导轨锁紧固定；将十字测微尺安装在第二滑块的十字测微尺安装架上并锁紧，移动第二滑块使其靠近光纤准直头的输出端，再将第二滑块和纵长导轨锁紧固定；
步骤2、通过激光器控制系统打开指示用的532nm红色可见光，通过光纤准直头输出的平行光束投射在位于其前端放置的十字测微尺上，正视十字测微尺读出激光光斑边界落在标尺的刻度上的示数，分别记X、Y方向的读数为xR、xL、yR、yL，调节十字测微尺在竖直平面内的位置，使：xR+xL＝0，yR+yL＝0，即十字测微尺的刻度线相交中心与激光光斑圆心重合，完成系统调零；
步骤3：关闭激光器指示用红色可见光，将扩束镜组件与扩束镜螺纹套由细牙螺纹配合锁紧，作为整体插入到扩束镜安装套内，并通过顶丝预紧固定；
步骤4：再次打开指示用红色可见光，通过扩束镜组件整形光束后，输出光束投射到前端放置的十字测微尺上，根据十字测微尺上的刻度，计算出激光光斑直径和相对位置数据，实现对扩束镜组件的校准。
6.根据权利要求5所述的振镜输入光路调节校准方法，其特征在于，所述步骤4的具体实现包括：
步骤4.1：正视十字测微尺，以红色圆形激光光斑的边缘为标准精细读数，读出X、Y方向上的四个刻度值xR1、xL1、yR1、yL1，并计算出圆心位置(x1，y1)以及光斑直径D1；
调节扩束镜安装套与扩束镜螺纹套连接处的顶丝，在竖直平面上移动扩束镜组件，使xR1+xL1＝0，yR1+yL1＝0，即光斑中心与十字测微尺的刻度交叉产生的中心重合；
步骤4.2：将十字测微尺移动到纵长导轨的最远端，再次读出X、Y方向上的四个刻度值xR2、xL2、yR2、yL2，并计算出圆心位置(x2，y2)以及光斑直径D2；
步骤4.3：基于步骤4.1和步骤4.2分别计算的圆心位置和光斑直径，判断扩束镜组件的偏移和扩束性能。
7.根据权利要求6所述的振镜输入光路调节校准方法，其特征在于，所述步骤4.3中，对比步骤4.1和4.2获得的圆心坐标，如果步骤4.2获得的圆心朝向X轴正向或者反向偏移，则调节扩束镜安装套上的顶丝，将扩束镜组件的尾部对应地朝向X轴正向偏移或者反向偏移。
8.根据权利要求6所述的振镜输入光路调节校准方法，其特征在于，所述步骤4.3中，对比步骤4.1和4.2获得的光斑直径，若步骤4.2获得的光斑直径发生变化，则表明扩束镜组件对光束的整形过程中并不能将激光器输入的准直光束扩束为需要的孔径更大的准直光束，则提示更换扩束镜。
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