一种高能束斑的标定方法与流程

本发明涉及一种标定方法，尤其涉及一种高能束斑的标定方法。

背景技术：

标定，也称作校准、矫正。即使束斑的尺寸、形状和位置达到预设的状态，并让系统记住该状态。

在增材制造(3D打印)等高能束加工领域，高能束斑的尺寸、形状和位置会直接影响加工工艺的质量。例如，束斑的尺寸应维持在最小，以使得能量更加集中；束斑尺寸过大，会导致能量不集中，造成加工缺陷。束斑的形状应保持圆形，畸变的束斑会导致加工的精度下降。束斑的位置应准确，位置存在偏差的束斑会导致加工的精度下降。因此，在进行高能束加工前，需要对束斑进行标定。

目前对束斑的标定方法之一是手动标定，即手动调节束斑的尺寸、形状和位置使之达到预设的状态。手动标定方法一般会借助一些标准零件，如在标准零件上事先做好标记点，标记点的位置是经过精确定位的。调节束斑使之与标记点重合，调节束斑使其尺寸最小、形状最圆。标记点的数量一般大于1个，呈阵列分布。手动标定方法的主要缺点是，依赖人的经验，可靠性不足且费时费力。

对束斑的另一种标定方法是自动化标定，即依靠计算机和传感器来调节束斑的尺寸、形状和位置使之达到预设的状态。普遍使用的是视觉传感方法，通过成像设备拍摄图像，提取束斑尺寸、形状和位置信息。但是该标定方法由于拍摄图像的畸变、成像设备相对束斑所在平面的位姿关系难以求解、不能消除聚焦对束斑位置的影响等原因，导致束斑的位置信息难以提取，无法快速有效地完成标定。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高能束斑的标定方法，以解决现有标定方法存在的可靠性不足以及束斑的位置信息难以提取，无法快速有效地完成标定的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种高能束斑的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

调节束斑至预设坐标处，使束斑处于预设状态，记录所述束斑处于预设状态时的圆形度；

在保持所述束斑像散不变的情况下，改变至少一次所述束斑的聚焦值；

生成束斑位置参数与聚焦值之间的函数关系；

调整当前束斑像散，使束斑的圆形度与处于预设状态时的圆形度的差值的绝对值小于预设值，并根据所述函数关系确定当前束斑的位置参数。

作为优选，所述使束斑处于预设状态包括：

调整束斑的聚焦值，使所述束斑尺寸达到预设最小值；

调整束斑的像散，使所述束斑圆形度处于预设圆形度。

作为优选，所述在保持所述束斑像散不变的情况下，改变至少一次所述束斑的聚焦值包括：

保持所述束斑的像散不变，使束斑的圆形度与处于预设状态时的圆形度的差值的绝对值小于预设值；

改变所述束斑的聚焦值，使所述束斑改变后的聚焦焦点高于/低于所述束斑处于预设状态时的聚焦焦点。

作为优选，所述改变所述束斑的聚焦值，使所述束斑改变后的聚焦焦点高于/低于所述束斑处于预设状态时的聚焦焦点之后还包括：

再次改变所述束斑的聚焦值，使所述束斑改变后的聚焦焦点低于/高于所述束斑处于预设状态时的聚焦焦点。

作为优选，所述生成束斑位置参数与聚焦值之间的函数关系包括：

记录处于预设状态时的束斑的聚焦值以及位置参数；

记录聚焦值改变后的束斑的聚焦值，改变位置参数直至束斑移动至预设坐标处，记录该新的位置参数；

根据处于预设状态时的束斑的聚焦值以及位置参数和聚焦值改变后的束斑的聚焦值以及新的位置参数，生成束斑位置参数与聚焦值之间的函数关系。

作为优选，所述束斑位置参数与聚焦值之间函数关系为以及或者为(X,Y)＝f(F)，其中：

X为所述束斑位置在X方向上的坐标控制参数，Y为所述束斑位置在Y方向上的坐标控制参数，F为聚焦值。

作为优选，所述调节束斑至预设坐标处之前还包括：

在标准板件上设置至少一个标志点；

通过成像装置拍摄所述标准板件的图像；

根据所述图像中的每个标志点生成对应的所述预设坐标。

作为优选，所述成像装置为CCD相机、CMOS相机、红外相机、近红外相机或者远红外相机。

作为优选，还包括：

所述预设坐标大于等于两个时，对第一个预设坐标对应的束斑进行标定；

所述第一个预设坐标对应的束斑标定结束后，对下一个预设坐标对应的束斑进行标定。

作为优选，还包括：

所述预设坐标大于等于两个时，调节每个束斑至所述束斑对应的预设坐标处，并使每个束斑处于预设状态，记录每个束斑处于预设状态时的圆形度；

在所有束斑均调节至对应的预设坐标处并处于预设状态后，保持每个束斑像散不变的情况下，改变至少一次束斑的聚焦值；

生成每个束斑位置参数与聚焦值之间的函数关系。

本发明通过生成束斑位置参数与聚焦值之间的函数关系，并根据该函数关系以及束斑处于预设状态时的圆形度，能够实现对束斑位置的标定校准，并可以标定聚焦对束斑位置的影响，在对束斑进行标定时不会受图像畸变的影响，无需求解成像装置相对束斑所在平面之间的复杂的位姿关系。具有快速、方便、可靠的优点。

附图说明

图1是本发明的标定装置的结构示意图；

图2是本发明高能束斑的标定方法的流程图；

图3是本发明中标准板件的结构示意图；

图4是本发明中成像装置拍摄的标准板件的图像示意图；

图5是本发明未调节束斑时束斑与预设坐标之间的位置关系；

图6是本发明调节束斑至预设坐标处时束斑与预设坐标之间的位置关系；

图7是本发明第一次改变束斑聚焦值时束斑与预设坐标之间的位置关系；

图8是本发明第二次改变束斑聚焦值时束斑与预设坐标之间的位置关系。

图中：

1、射线发生装置；2、工作平面；3、成像装置；4、计算机；5、射线束；6、标准板件；7、标志点；8、坐标；9、束斑。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本发明提供一种高能束斑的标定方法，用于对增材制造等高能束加工领域中的高能束斑的位置进行标定，其通过一种标定装置完成，如图1所示，该标定装置包括射线发生装置1、工作平面2、成像装置3以及计算机4，其中射线发生装置1用于产生射线束5，该射线束5可以是激光或者电子束，本实施例射线束5为电子束，上述射线发生装置1的加速电压为60kV，功率为0-10kW，并且上述电子束是在泵、阀的作用下形成的高真空环境中使用。

上述射线束5在工作平面2上留下束斑，成像装置3用于拍摄工作平面2上的束斑，并获取图像，计算机4接收成像装置3拍摄的图像，并对该图像进行处理，同时，计算机4还可以控制射线发生装置1，以调整射线束斑的尺寸、形状以及在工作平面2上的位置，进而实现对束斑位置的标定。

本发明中，上述成像装置3可以是CCD(Charged Coupled Device)相机、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)相机、红外相机、近红外相机或远红外相机。

本发明中，上述标定装置主要用于增材制造装置上，其用于对增材制造过程中高能束斑的标定。

如图2所示，本发明的高能束斑的标定方法具体包括以下步骤：

S100、调节束斑至预设坐标处，使束斑处于预设状态，记录束斑处于预设状态时的圆形度。

本实施例中，上述预设坐标是在进行标定之前预先设置好的，具体的，上述预设坐标的获取方法如下：

首先，可参照图3，先提供一标准板件6，该标准板件6呈平面板状，在标准板件6上设置至少一个标志点7，该标志点7为多个时可以呈阵列设置，例如可以是圆环形阵列，或者N×N阵列设置(例如5×5，或者7×7等)，也可以是其他排列。上述标志点7可以是孔、激光打标图案、喷漆、抛光点，只要保证标志点7与标准板件6的其他部位反差强烈、易于识别即可。标志点7的形状可以是圆形、方形或者正多边形等规则图案。由于是在标准板件6上进行标志点7的设置，所以标志点7在标准板件6上的相对位置精确唯一。

随后，将标准板件6放置在标定装置的工作平面2上，通过成像装置3对标准板件6的上表面进行拍摄，由于成像装置3拍摄时，其拍摄的图像存在畸变，因此拍摄的图像如图4所示，拍摄的标准板件6以及其上的标志点7与实际中的标准板件6和标志点7的形状有差别，通过计算机4计算出标志点7在图像中的坐标8，该坐标8即为本发明的上述预设坐标，由于标志点7设置为至少一个，因此预设坐标相对应的为至少一个。

本发明中，上述预设坐标存储在计算机4中，只要成像装置3与工作平面2之间的相对位姿不变，预设坐标就不需要更新。

成像装置3拍摄的图像中，标志点7和束斑均以像素形式存在，可以用标志点7或束斑的中心的坐标代表标志点7或束斑的坐标。该坐标以像素为单位，分辨力可以低于1个像素。

在设置好上述的预设坐标之后，通过成型装置3拍摄某个聚焦值下的束斑的图像，此时该束斑9与预设坐标之间的位置关系如图5所示，图中的×表示为预设坐标，此时束斑尺寸、形状以及位置为随机状态，随后通过计算机4计算出该束斑9的尺寸、形状以及位置。

之后需要对图5中所示的束斑进行调整，使其置于预设坐标处并处于预设状态(如图6所示)，本实施例中，上述预设状态具体是指：

调整束斑的聚焦值，使所述束斑尺寸达到预设最小值；

调整束斑的像散，使所述束斑圆形度处于预设圆形度；

调整束斑的位置参数，使所述束斑的中心与预设坐标的中心之间的距离小于预设值，该预设值取决于成像装置3的拍摄范围、分辨率以及计算机4的计算方法，本实施例中，上述成像装置3分辨率超过2000万像素，预设值可选用为0.2mm、0.1mm或者0.05mm。

在将束斑调整至预设状态后，通过计算机4记录束斑处于预设状态时的像散、聚焦值以及位置参数，本实施例中，束斑的位置参数是指对应上述预设坐标位置所形成的位置参数，其以X、Y方向上的坐标控制参数的方式体现。

S110、在保持束斑像散不变的情况下，改变至少一次束斑的聚焦值。

即在保持步骤S100中束斑的像散不变，使束斑的圆形度与处于预设状态时的圆形度的差值的绝对值小于预设值，然后改变该束斑的聚焦值，此时由于束斑的聚焦值发生变化，不仅会改变束斑的尺寸，其位置参数也会相应的发生变化。

本实施例中，可以只改变一次束斑的聚焦值，此时改变束斑的聚焦值，能够使束斑改变后的聚焦焦点高于/低于束斑处于预设状态时的聚焦焦点，如图7所示。

当然也可以根据需要改变多次，以提高标定的准确性。本实施例中，优选改变两次，此时第一次改变束斑的聚焦值，使得束斑改变后的聚焦焦点高于束斑处于预设状态时的聚焦焦点(如图7所示)，第二次改变束斑的聚焦值，改变后的聚焦焦点低于束斑处于预设状态时的聚焦焦点(如图8所示)。

S120、生成束斑位置参数与聚焦值之间的函数关系。

即在调整束斑处于预设状态时，记录处于预设状态时的束斑的聚焦值以及位置参数；

在改变束斑的聚焦值后，记录聚焦值改变后的束斑的聚焦值，并改变位置参数直至束斑移动至预设坐标处，记录该新的位置参数；

随后根据处于预设状态时的束斑的聚焦值以及位置参数和聚焦值改变后的束斑的聚焦值以及新的位置参数，生成束斑位置参数与聚焦值之间的函数关系。

本实施例中，上述位置在图像中以坐标形式体现，因此包括X、Y两个方向的参数，上述函数关系可以是聚焦值F与X方向坐标之间形成的函数关系以及聚焦值F与Y方向坐标之间形成的函数关系，即可以为以及其中X为所述束斑位置在X方向上的坐标控制参数，Y为所述束斑位置在Y方向上的坐标控制参数，F为聚焦值，k为系数，b为常数。也可以是X、Y两个方向的坐标共同与聚焦值F之间的函数关系，即可以为(X,Y)＝f(F)，其中X为所述束斑位置在X方向上的坐标控制参数，Y为所述束斑位置在Y方向上的坐标控制参数，F为聚焦值。

本实施例中，在上述函数关系生成后，即可根据该函数关系确定实际生产制造过程中采用的某聚焦值的束斑的位置参数，即根据函数关系能够计算出该束斑当前的坐标控制参数。在该坐标控制参数的控制下，束斑在工作平面上的实际坐标与给定坐标之间的误差很小，以达到提高束斑加工精度的目的。

本实施例中，上述标定方法中，使用的射线发射装置1发射的射线束5为电子束，因此，可通过改变聚焦线圈中的电流调节束斑聚焦值，通过改变像散线圈中的电流调节束斑形状，通过改变偏转线圈中的电流调节束斑的位置。

本实施例中，上述预设坐标可以是为一个，此时只需完成一个束斑的标定即可，预设坐标也可以是多个，此时，本发明的束斑的标定方式可以分为两种，其中：

第一种：先对第一个预设坐标对应的束斑进行标定，直至标定结束，即先对第一个预设坐标对应的束斑进行步骤S100-步骤S130的操作。

在第一个预设坐标对应的束斑标定结束后，对下一个预设坐标对应的束斑进行标定，同样对该预设坐标对应的束斑进行步骤S100-步骤S130的操作。

以此类推，完成所有的束斑的标定。

第二种，先对所有的束斑进行步骤S100的操作，即调节束斑至该束斑对应的预设坐标处，并使每个束斑处于预设状态，记录每个束斑处于预设状态时的圆形度。

之后在所有束斑均调节至对应的预设坐标处并处于预设状态后，保持每个束斑像散不变的情况下，改变每个束斑的聚焦值，且每个束斑的聚焦值改变至少一次。

生成每个束斑位置参数与聚焦值之间的函数关系，即每个束斑均对应有一个函数关系。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。