本发明涉及激光精密加工，自动化控制和材料微观组织表征领域,尤其涉及一种基于激光精密加工的微观组织三维重构系统及方法。
背景技术：
材料微观显微组织的三维观测和定量表征一直是材料科学与工程领域的焦点和难点。由于材料内部特征结构众多，空间关系复杂，显微组织具有多样性和多变性，采用常规的金相观测并不能有效表征微观组织的空间细节。为此，广大材料科技工作者主要采用连续切片技术。
针对金属材料，对其微观结构的三维重构多采用连续切片技术，其基本原理为用一系列假想的平行平面去切割三维物体，从而得到这些平面与物体表面之间的封闭轮廓线，作为物体不同高度的外形信息。得到不同微观结构、不同层面的连续磨抛截面拓扑形貌，再利用上位机图像处理技术将所获取的众多二维精磨截面拓扑外形连接起来，就得到了微结构的三维空间立体结构分布。该技术因为价格低廉，分辨率高，能精确再现材料内部结构特征，在材料科学的三维重构中获得了较为广泛的应用。
然而，逐层移去材料的微小薄片的过程非常繁琐，研究材料显微组织只能在二维磨面上定性地观测，测量结果精度较差，切片层间距不好把握，很大程度上只能依赖于者的熟练程度和主观判读结果以及所用的测量仪器，而且其巨大的工作量使得者有心无力，难以获得整个结构或表面的三维总体信息。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于激光精密加工的微观组织三维重构系统及方法，通过上位机控制机械手的运动，实现抛光、腐蚀、干燥和图像采集全过程的自动化，大大提高了图像采集工作的效率，可适用于高效率、大体积和高可信度的微观结构的三维模型构建。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种基于激光精密加工的微观组织三维重构系统，包括激光打标机、机械手、数据采集卡、上位机以及图像采集装置；
所述机械手和所述上位机通过网线相连，所述激光打标机通过所述数据采集卡与所述上位机相连，所述图像采集装置连接所述上位机；
所述激光打标机，用于根据所述上位机的控制信号在待测待加工件上进行打孔定位以及激光扫描，并将完成信号反馈至所述上位机；
所述机械手，用于根据所述上位机的控制信号，对待测待加工件进行夹持和移动，并将完成信号反馈至所述上位机；
所述图像采集装置，用于采集待测待加工件切片图像并进行分析和识别处理，得到处理后的待测待加工件切片的二维组织结构信息图和切片层厚度，并发送给所述上位机；
所述上位机，用于对所述机械手发送控制信号控制机械手动作；通过所述数据采集卡对所述激光打标机发送控制信号控制激光打标机动作；以及基于待测待加工件切片的二维组织结构信息图和切片层厚度，重构三维微观组织结构。
本系统的有益效果是：
(1)精度高：激光加工具有精度高、可控性强的特点，根据待加工表面材质，可以通过控制激光加工参数(功率，行走速率、扫描次数等)精确控制表面减薄的层间距；
(2)制备效率高：通过激光加工可实现快速高效的表面减薄，减少传统金相制备过程的机械磨抛和测量的时间，提高金相制备效率和精度；
(3)自动化程度高：通过本系统的硬件控制和软件重构，实现高效的三维组织自动化重构。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，还包括用于对待测待加工件进行干燥的干燥装置；所述干燥装置通过继电器连接至所述数据采集卡，用于所述上位机对所述继电器发送控制信号控制风机动作。
进一步，所述干燥装置为风机。
采用上述进一步方案的有益效果是：提供高效、可控的干燥方案。
进一步，所述图像采集装置为相连接的ccd摄像系统和台式金相显微镜。
采用上述进一步方案的有益效果是：实现清晰高分辨、自动化的图片拍摄。
另外，本发明还提供了一种基于激光精密加工的微观组织三维重构方法，包括以下步骤：
(1)固定待加工件并将其放置在激光打标机工作台上，设置激光打标机的加工参数；
(2)启动激光打标机进行打孔定位以及激光扫描以均匀去除待加工件表面的薄层材料；
(3)机械手夹持已扫描的待加工件，并移至耐腐蚀液体槽，将待加工件放入腐蚀液中进行腐蚀；
(4)机械手将腐蚀后的待加工件提出，并移至清洗工作台，放入酒精槽中清洗；
(5)机械手将清洗完毕的待加工件移至干燥工作台，启动风机对待加工件进行风干；
(6)机械手将待加工件放置在金相显微镜观察视场中，采用显微镜及ccd相机进行图像采集；
(7)图像采集完成后，机械手夹持待加工件并重置到激光打标机工作台，重复步骤(1)至步骤(6)，直至获得满足测试需求的片层二维位置组织图像；
(8)上位机对图像进行处理，通过定位孔纠正图片的位置偏差，并提取定位孔标定区域内的图像信息以及结构二维图像信息的层间距离，重构三维图片，得到显微组织的三维结构。
本方法的有益效果是：连续切片法获得二维微观组织的层间距得到了精确控制，待加工件腐蚀控制准确，减小了每层之间的腐蚀误差；照片拍摄位置通过激光打孔定位，更为准确，该方法可移植性、通用性强。
进一步，所述步骤(1)激光打标机的加工参数包括激光功率、激光行走速率、激光焦距以及扫描次数。
进一步，所述步骤(1)之前还包括步骤：制作待加工件，获得平整光洁的待观察面；将待加工件观察面置上，安装至固定夹具并用水平仪校准。
附图说明
图1为本发明的系统结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
鉴于现有的材料微观显微组织三维重构连续切片技术所存在的上述问题，本发明旨在提供一种新的高精度连续切片方法，并通过上位机控制机械手的运动，实现抛光、腐蚀、干燥和图像采集全过程的自动化，大大提高了图像采集工作的效率。可适用于高效率、大体积和高可信度的微观结构的三维模型构建。
如图1所示，一种基于激光精密加工的微观组织三维重构系统，包括激光打标机、机械手、干燥装置、数据采集卡、上位机以及图像采集装置；机械手和上位机通过网线相连，并基于tcp/ip通讯协议进行信号收发；激光打标机通过数据采集卡与上位机相连，并进行信号的接收；风机通过继电器连接至数据采集卡，与上位机相连，通过数据采集卡发送信号，控制风机的通/断；显微镜通过ccd相机连接上位机，采集待测待加工件切片的二维组织结构数据并对数据进行分析和识别处理，并由数据线连接至上位机自动在线完成显微微观组织的三维重构。其中，图像采集装置为相连接的ccd相机和显微镜，干燥装置为风机。
其中，激光达标机，用于在待测待加工件上进行打孔定位以及激光扫描，保证亚微米级加工表面减薄精度，并提高加工效率；机械手，用于对待测待加工件的夹持和移动，其运动精度高，并且可以输出控制信号，通过编程实现机械手夹持待加工件，腐蚀，摆放(拍摄、减薄)的自动化，提高效率和精度；风机，用于对待测待加工件进行干燥；上位机，用于控制机械手的运动及风机的动作，以及对测待加工件切片的二维组织结构数据进行分析处理，基于切片的二维组织结构信息图和切片层厚度，重构三维微观组织结构。
另外，本发明还提供了一种基于激光精密加工的微观组织三维重构方法，包括以下步骤：
(1)制作待加工件，获得平整光洁的待观察面；
(2)将待加工件观察面置上，安装至固定夹具并用水平仪校准；
(3)将固定好的待加工件放置在激光打标机工作台上，设置激光打标机的加工参数；
(4)启动激光打标机在待加工件表面上按照设置的加工参数进行打孔定位以及激光扫描均匀去除待加工件表面的薄层材料；
(5)机械手夹持已扫描的待加工件，并移至耐腐蚀液体槽，将待加工件放入腐蚀液中进行腐蚀；
(6)机械手将腐蚀后的待加工件提出，并移至清洗工作台，放入酒精槽中清洗；
(7)机械手将清洗完毕的待加工件移至干燥工作台，使用风机对待加工件进行风干；
(8)机械手将风干后的待加工件放置在金相显微镜观察视场中，采用显微镜及ccd相机进行图像采集；
(9)图像采集完成后，机械手夹持待加工件并重置到激光打标机工作台，重复步骤(3)至步骤(8)，直至获得满足测试需求的片层二维位置组织图像；
(10)运用上位机对图像进行处理，通过定位孔纠正图片的位置偏差，并提取定位孔标定区域内的图像信息以及结构二维图像信息的层间距离，重构三维图片，得到显微组织的三维结构。
本发明的方法采用激光精密加工实现待加工件的连续切片，精确去除表面材料厚度(微米级或亚微米级，根据微观组织的最小特征尺寸进行选择)，实现每层切片厚度的控制，并提高表面光洁度，降低金相磨抛工作量；同时使用激光打孔，准确定位，确保后续拍得的照片在同一个视场下，提高图像处理精度和难度。
上位机控制机械手对切片后的待加工件进行抓取，移动和腐蚀，实现过程自动可控，腐蚀时间精确，保证每层的腐蚀效果一致；
采用高分辨率的ccd相机配合高精度的金相显微镜，来获取清晰可靠的二维组织结构数据，最后基于切片的二维组织结构信息图和切片层厚度，重构金属材料的三维微观组织结构。
与传统连续切片技术进行三维重构的方法相比较，本发明具有以下优点：
1、待观察表面的精度得到了保证。
2、连续切片法获得二维微观组织的层间距得到了精确控制。
3、试验过程精确可控，自动化程度高。
4、待加工件腐蚀控制准确，减小了每层之间的腐蚀误差。
5、照片拍摄位置通过激光打孔定位，更为准确。
6、此种技术可移植性、通用性强。
实施例一
本实施例所采用的设备为：激光打标机、机械手、耐腐蚀液体槽、小型风机、台式金相显微镜、ccd相机。
本实施例以采用待加工件为4mm厚的高温镍基合金inconel690待加工件。
本实施例采用的试验参数为：激光去除待加工件表面深度4μm。
采用上述材料及试验参数进行微观组织三维重构如下：
(1)使用电火花切割设备将待加工件切割成合适尺寸的待加工件，通过标准金相制备工艺，获得出平整光洁(抛光)的待观察面；
(2)将待加工件观察面置上，安装至固定夹具并用水平仪校准；
(3)运行机械手夹持固定好的待加工件放置在激光打标机工位，发送信号给上位机并等待，上位机通过数据采集卡传输信号启动激光打标机(已设置激光打标机的相关参数)；
(4)激光打标机运行，在待加工件表面上进行打孔定位，并进行激光面扫，均匀去除待加工件表面上厚度4μm的一层材料，完成以上动作后，发送信号至上位机；
(5)上位机收到打标机完成动作信号，通过网线发送信号启动机械手夹持已加工工件，移至金相腐蚀工位，将待加工件放入腐蚀液中进行腐蚀，并等待，由上位机计时器控制腐蚀时间，发出腐蚀动作完成信号；
(6)机械手收到动作完成信号后，将待加工件提出腐蚀液，并移至工位清洗，放入酒精槽中清洗，并等待，由上位机计时器控制浸泡时间，发出清洗动作完成信号；
(7)机械手收到动作完成信号，运行将试样移至干燥工位由风机进行干燥，发出动作完成信号，并等待，上位机收到机械手信号，通过数据采集卡控制继电器，启动风机对待加工试件表面进行风干，由上位机计时器控制风干时间，发出完成信号，通过继电器控制风机关闭，之后上位机发出启动机械手下一步运行信号；
(8)机械手收到运行信号，启动将待加工件放置在金相显微镜观察视场工位处，并等待；
(9)采用显微镜及ccd相机进行图像采集：调整放大倍数和焦距，使用ccd相机对待加工件拍照，并存储在上位机中；
(10)图像采集完成后，在上位机上输入完成信号，上位机通过网线发出运行信号，机械手收到信号后，夹持待加工件重置到工位激光打标机位置，循环以上，直至获得足够多或满足测试需求的片层二维位置组织图像；
(11)运用上位机对图像进行自动在线处理，通过定位孔纠正图片的位置偏差，并提取定位孔标定区域内的图像信息，结构二维图像信息的层间距离，重构三维图片，最后得到可信度高的显微组织的三维结构。
经上述试验步骤，完成了材料微观显微组织的三维重构，效率和精确度明显提高，可以普及应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。