本发明涉及增材制造熔池形貌领域，具体涉及一种用于检测熔池形貌的装置和方法及应用。
背景技术：
随着科学技术的发展，激光增材制造技术逐渐成为了一种新型加工方式，对于加速传统制造业转型升级，促进我国高端制造业发展具有重要作用。目前在国防工业、航天航空和核电等许多重要行业有了一定的应用，国家也在大力支持增材制造的相关研究。若能实现增材制造高精度加工，必然会引起制造业的变革。而想要实现高精度，对于熔池的研究是必不可少的。熔池是影响加工质量好坏的一个非常重要指标，如果可实现熔池的在线检测对增材制造的研究意义非凡。但是由于熔池存在的时间短、变化复杂导致熔池检测十分困难。其实熔池并不是仅仅存在于增材制造中，相对于焊接工艺、激光熔覆工艺中均存在熔池，但由于增材制造中的熔池的尺寸非常小，干扰多，检测更困难。就目前研究情况，对于熔池的检测通常是针对温度以及形貌这两个参数进行的。我们可以通过控制熔池的特性参数，来进一步控制加工精度。熔池的检测对于增材制造工艺提升具有非常重要的指导意义。
现在存在一些熔池的检测方法，但更多的是针对于传统的焊接熔池，真正用来检测增材制造的熔池较少。检测熔池的温度或者形貌对于熔池的研究都有重要的意义。其中测温法有接触式和非接触式，接触式主要采用热电偶的方式直接接触熔池测量其温度，并且由于需要接触只能进行单点式的温度测量；而非接触式的有多种方法，包括热辐射法和CCD(Charge coupled Device)图像信号测温。热辐射法通过感知熔池发出的红外射线，依靠热辐射原理来推算熔池温度，其得到的温度结果有较大的误差；CCD图像信号测温，利用CCD元件将采集到的光信号转变为图像，然后用标准高温黑体辐射源标定，呈现出熔池温度。测形法主要是采用高速摄像机，利用复合滤光技术和特殊光源，经过一定的处理后得到熔池的形貌。但是在增材制造过程中，由于金属粉末的快速高温融化，在熔池周围形成大量的高温等离子体，其状态与熔池相似，对于检测造成较大的干扰。同时熔池附近伴随着强光，对于熔池图像的摄取也存在很大的干扰，而且CCD图像信号测温和高速摄像机测形法都要经过一系列后处理才能呈现出想要的结果，并不能及时得到熔池参数信息，具有一定的滞后性，很难实现在线检测。
技术实现要素：
鉴于此，为了解决上述熔池检测困难的问题，本发明公开了一种用于检测熔池形貌的装置，该方法通过利用激光传感器的独特优势可以克服在增材制造过程中强光、高温干扰，能够实现增材制造中熔池的精确、快速检测，利用软件准确的将熔池的形貌呈现出来。
具体而言，本发明提供了一种用于检测熔池形貌的装置和方法及应用。
本发明提供了一种用于检测熔池形貌的装置，包括信号检测收集模块1和数据处理模块2，所述信号检测收集模块1包括激光传感器4；所述数据处理模块2包括显形单元10；所述显形单元10同所述激光传感器4连接。
优选的，所述信号检测收集模块1还包括位于激光传感器4外部的保护装置5。
优选的，所述保护装置5包括保护外壳6和冷却装置7，所述保护外壳6套在所述激光传感器4的外部；所述冷却装置7通过冷却管路9同所述保护外壳6连接。
优选的，所述冷却装置7包括位于激光传感器外部的循环制冷设备8，所述冷却管路9包括同所述保护外壳6连接的进管和出管。
优选的，所述装置还包括支撑调整模块3。
优选的，所述支撑调整模块3包括用来调整激光传感器4角度的旋转台11和角位移台12或者包括机械臂。
优选的，所述旋转台11同所述激光传感器4直接相连，所述角位移台12通过所述旋转台11同所述激光传感器4相连。
优选的，所述角位移台12同所述激光传感器4直接相连，所述旋转台11通过所述角位移台12同所述激光传感器4相连。
本发明还提供了一种用于检测熔池形貌的方法，通过信号检测收集模块1中的激光传感器4发射和接收信息，然后将数据输送至数据处理模块2中的显形单元10，显形单元10识别信号来检测出熔池形貌。
优选的，所述信号检测收集模块1还包括位于激光传感器4外部的保护装置5。
优选的，所述保护装置5包括保护外壳6和冷却装置7，所述保护外壳6套在所述激光传感器4的外部；所述冷却装置7通过冷却管路9同所述保护外壳6连接。
优选的，所述冷却装置7包括位于激光传感器外部的循环制冷设备8，所述冷却管路9包括同所述保护外壳6连接的进管和出管。
优选的，还包括用来支撑和调整激光传感器4的支撑调整模块3。
优选的，所述支撑调整模块3包括用来调整激光传感器4角度的旋转台11和角位移台12或者包括机械臂。
优选的，所述旋转台11同所述激光传感器4直接相连，所述角位移台12通过所述旋转台11同所述激光传感器4相连。
优选的，所述角位移台12同所述激光传感器4直接相连，所述旋转台11通过所述角位移台12同所述激光传感器4相连。
优选的，所述信号检测收集模块1还包括保护装置5，通过位于激光传感器4外部的保护装置5来保护激光传感器4。
优选的，所述保护装置5包括保护外壳6和冷却装置7，通过套在所述激光传感器4的外部的保护外壳6保护激光传感器4；所述冷却装置7通过冷却管路9同所述保护外壳6连接。
优选的，所述冷却装置7包括循环制冷设备8，通过位于激光传感器4外部的循环制冷设备8实现激光传感器4的正常工作，所述冷却管路9通过进管和出管同所述保护外壳6进行连接。
优选的，所述方法还包括利用支撑调整模块3来调整激光传感器4对准熔池形貌的角度。
优选的，所述支撑调整模块3包括用来调整激光传感器4角度的旋转台11和角位移台12或者包括机械臂。
优选的，所述旋转台11同所述激光传感器4直接相连，所述角位移台12通过所述旋转台11同所述激光传感器4相连。
优选的，所述角位移台12同所述激光传感器4直接相连，所述旋转台11通过所述角位移台12同所述激光传感器4相连。
本发明还提供了以上任一项所述的装置在熔池形貌检测领域中的应用。
优选的，所述应用为在增材制造熔池形貌领域中的应用。
所述信号探测收集模块作为本发明的光信号输出及接收装置，利用激光传感器作为工作元件，采用三角测量原理通过激光传感器的光学系统发射激光到被测熔池表面，进行光信号的输出，其中激光为线状，由一定数量的点组成；同时由于熔池表面形貌轮廓不同，发射到被测熔池表面的线激光上不同的点将以一定的角度反射到传感器的感应元件上来接收信号，接收信号为点的相对位置信息。与此同时，为了配合激光传感器的正常工作，所述信号检测收集模块还设置了保护装置，一方面用来防止激光传感器被碰撞损坏，另一方面使激光传感器时刻处于正常温度下进行工作，从而防止由于熔池周围温度过高，影响激光传感器测定的精确性。
其中，所述保护装置包括设置在激光传感器外部的保护外壳以及用来控制激光传感器温度，保证激光传感器正常工作的冷却装置。所述保护外壳用来保护激光传感器整体不被碰撞损坏。
所述的数据处理模块中显形单元接收传感器传输的电信号，其中电信号包含着熔池外轮廓点的相对位置坐标信息。由于传感器连续扫描熔池，将得到大量点的信息，显形单元将具有不同位置坐标的点组合形成点云图，重现熔池形貌。
为了能够保证激光传感器的激光对准熔池，实现熔池形貌的准确检测，所述检测装置还包括支撑调整模块。一方面，所述支撑调整模块包括旋转台，所述旋转台同所述激光传感器直接相连；所述支撑调整模块还包括角位移台，所述角位移台通过所述旋转台同所述激光传感器相连，可实现激光的方向调整，保证激光传感器的信号发射口和回收器件对准熔池。另一方面，所述角位移台同所述传感器直接相连，所述旋转台通过所述角位移台同所述激光传感器相连，保证激光传感器的信号发射口和回收器件对准熔池。
本发明带来的增益效果利用激光传感器的抗强光干扰、耐高温、可实现快速检测的特点，将收集熔池形貌的信号及时输送至显形单元中，同步呈现出熔池形貌的连续变化情况，以此实现熔池形貌在线检测，并根据熔池的实际变化趋势来快速调整加工参数，保证加工质量。
下面结合附图和各个具体实施方式，对本发明及其有益技术效果进行详细说明。
附图说明
图1为用于检测熔池形貌的装置的结构示意图。
图中附图标记说明如下：1-信号检测收集模块、2-数据处理模块、3-支撑调整模块、4-激光传感器、5-保护装置、6-保护外壳、7-冷却装置、8-循环制冷设备、9-冷却管路、10-显形单元、11-旋转台、12-角位移台。
具体实施方式
为了解决现有的对于熔池形貌检测的检测装置，其检测精度不高的问题，本发明提供了一种用于检测熔池形貌的装置及方法和应用。
具体而言，所述一种用于检测熔池形貌的装置，包括信号检测收集模块1和数据处理模块2，所述信号检测收集模块1包括激光传感器4；所述数据处理模块2包括显形单元10；所述显形单元10同所述激光传感器4连接。
本发明还提供了一种用于检测熔池形貌的方法，通过信号检测收集模块1中的激光传感器4发射和接收信息，然后将数据输送至数据处理模块2中的显形单元10，显形单元10识别信号来表征出熔池形貌。
激光传感器的光学系统发射激光到被测熔池表面，然后利用熔池表面形貌轮廓不同，发射的激光以一定角度反射到传感器感应元件上接收光信号，然后利用激光传感器内部单元将光信号转换为电信号，或者也可以根据激光传感器的型号不同，在外部连接光电转换单元，将激光传感器的光信号转换为电信号输出。
其中，在本发明的一种优选实施方式中，所述信号检测收集模块1还包括位于激光传感器4外部的保护装置。
其中，在本发明的又一种优选实施方式中，所述用于检测熔池形貌的装置还包括支撑调整模块3。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但是这些实施例仅为本发明的代表举例而已，不应理解为对本发明实施的限定范围。
实施例一
实施例一提供了一种用于检测熔池形貌的装置，包括信号探测收集模块1、数据处理模块2、支撑调整模块3。所述信号探测收集模块1包括激光传感器4和保护装置5，所述的保护装置5包括保护外壳6和冷却装置7，所述的冷却装置7包括循环制冷设备8和冷却管路9；所述数据处理模块2包括显形单元10；所述支撑调整模块3包括旋转台11和角位移台12。
所述的信号探测收集模块1，通过激光传感器4采用三角测量原理发射激光信号并接受反射信号。所述的保护装置5保证激光传感器4正常工作。其中，激光传感器购自瑞士ELAG，型号：OMS 16506-4096；所述的保护外壳6套在激光传感器的外部，可以避免激光传感器4受到损害，尤其激光传感器4的激光透射的镜片，保护外壳可以采用不锈钢材质，根据激光传感器的尺寸进行设计。冷却装置7使激光传感器4一直处于正常工作温度下，熔池周围温度非常高。
所述冷却装置7包括位于激光传感器外部的循环制冷设备8，以及由进管和出管组成的冷却管路9。其中，本实施例中循环制冷设备8为水冷机，其中，水冷机购自北京长流科学仪器有限公司，型号为LX-150Z，通过进管将冷水送入激光传感器的外部的保护外壳内部，经出管重新回流到水冷机。
所述的支撑调整模块3包括旋转台11和角位移台12，支撑调整模块3整体固定在工装上，随工装同步运动。其中旋转台11同所述激光传感器直接相连，角位移台12通过所述旋转台11同所述激光传感器相连，用来调整激光传感器4方向，保证信号的发射与回收。
所述的信号探测收集模块1主要进行熔池数据的获取，并将所得数据输送至显形单元10，显形单元10识别传感器信号，使熔池形貌连续的、实时的呈现出来，达到在线检测的目的，并与相关设定值进行对比分析，进行反馈调节相关工艺参数，保证加工质量。
实施例二
实施例二与实施例一的不同之处在于，实施例二中所述的支撑调整模块3包括旋转台11和角位移台12，其中角位移台12同所述激光传感器直接相连，旋转台11通过所述角位移台12同所述激光传感器相连，旋转台和角位移台用来调整激光传感器4方向能够对准熔池，保证信号的发射与回收。
实施例三
实施例三与实施例一的不同之处在于，实施例三用于检测熔池形貌的装置中的支撑调整模块不包括旋转台和角位移台，仅仅包含机械臂，将激光传感器固定在机械臂上，然后利用机械臂按照预定的轨迹进行运动，从而起到调整激光传感器的目的。
实施例四
实施例四与实施例一的不同之处在于，实施例三中激光传感器采用德国米铱2600-25标准型。循环制冷设备8为空冷器，通过进管将空气通入保护外壳内部，经出管排出。
以上所述仅为本发明的优选并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。