輪廓測定設備及操作方法

2023-04-28 04:52:26

專利名稱：輪廓測定設備及操作方法
技術領域：
本發明一般涉及一種輪廓湖l澱設備，並且更具體地涉及一種在加工工藝中 對鄉的參數鄉實時測量的輪廓測定設備。
背景技術：
各種類型的加工工藝是已知的，並用T^造和修理部件。例如，雷射i^疑
系統被用於形成功能性組件，所述功能性組件由計Ml輔助設計(CAD)逐層構 建，而不使用樹可鑄模或者模具。示範性地，這樣的系統i頓激艦來使受控
量的注A^末謝七到SH七以沉積第一層，然後M31在先前沉積的層上m粉 末產生隨後的層。遺憾的是，由於這種系統的工藝複雜性，難於獲得累積層的
高度，並M於得到對焊接熔池容積的瞬時三嫩3D)測量。
某些系統使用二維(2D)觀察系統用於M統操作時監控焊接熔池的邊界。 然而，這樣的觀察系繊供對焊接區域的粗斷古計，而不鄉對焊接熔池容積 和累積層高度的測量。某些其它系統使用機夕卜(off-machine)測量方 ^測量 焊接熔池的3D容積。這樣的測量技術需要停lbta工工藝並且將部件M統移 除，以便測辦接熔池的容積。財卜，某些系統《頓傳繊用於觀糧累積涙的 高度。然而，這樣的傳 不具備*1^可靠測量的所需的測量解析度、精確度 或測量範圍。
因此，需要一種ili共對3D焊接;)^tk容積和由激^^紅藝所形成的部件 的累積層高度的精確湖懂的輪廓測定(profibmetry)設備。jt[^卜，希望提供一 種輪廓測定設備，該輪廓領啶設備育嫩提供對由加工工藝所構成的鄉的參數 的在線測量，可以f細於控制加工工藝的工藝參數。

發明內容
簡要來說，依照一個 例，提供一種輪廓測定設備。該輪廓測定設備包 括條紋投影(Singe projection)裝置，該條紋投影裝置被配置用以將條紋圖樣 投影到贈上；以及光學單元，期皮配置用以捕Miim所調審啲失真條紋 圖樣的圖像。輪廓測定設備還包括信號處理單元，該信號處理單元被配置用以
處棘自光學單元的所捕獲的圖像，以織圖像中濾除噪聲，並且獲得與微 的制it^修理相關的參數的實時估計。
在另一個實施例中，麟了一種制it^S。該制it^g包括加工系統，該 加工系統具有工藝參數並且被配置用以製造或者修理對象；以及輪廓測定設 備，該輪廓測定設備被配置用以從由輪廓測定設備所產生的單個圖像提供與對 象的製造或修理相關的參數的實時估計。輪廓測定設備包括條^^裝置，其 被配置用以將條紋圖樣投影到^上；以及光學單元，其被配置用以捕獲由對 象所調製的失真條紋圖樣的圖像；以及信號處理單元，其被配置用以處 自 光學單元的所捕獲的圖像，以便從圖像中濾除噪聲，並且獲得與對象的製造或
者修理相關的參數的實時估計。該製造體還包括控制系統，微酉遭用以基 於來自輪廓測定設備的所估計的參數調働B工系統的工藝參數。
在另一個實施例中，鵬一種雷射賺系統。該雷射;l^^統包括雷射熔
凝噴嘴，其被酉遣用以M在雷射產生的熔池中皿粉^^料來形^tm;以
及條紋，臂，期皮耦合到該雷射條疑噴嘴，並且被配置用以teim的頂部表
面上產生條紋圖樣。該雷射熔凝系^a包括光學單元，其被SfiS用以捕獲與對 斜目應的失真條紋圖樣的瞬時圖像；以及信號處理單元，微耦合到光學單元， 並且被配置用以處理來自光學單元的瞬時圖像，以便從圖像中濾除噪聲，並且
皿傅立葉變換分析來估計與)^m的製造或^s相關的參數。
在另一個實施例中，,一種控制制^X^用的工藝的方法。該方,括 將條紋圖樣投影到g上，以及捕獲與,目應的失真條紋圖樣的瞬時圖像。
該方法還包括處理所捕獲的圖像以便對噪聲圖像濾波並且M:傅立葉變換分析
來估計與對象的製造或修理相關的參數；以及響應於所估計的與，的製造或 修理相關的參i^制用於帝lMX藝的工藝參數。


m參考附圖閱讀下面的詳細說明，可以更好地s^本發明的這些以及其
它特徵、方面、以及優點，舒萬有附圖中同樣的字符l撥同樣的部件。
圖1是具有依據本發明方面的輪廓測定設備的激51( 1系統的圖解說明。
圖2是具有依據本發明技術的方面的輪廓測定設備12的、圖1的激鵬 凝噴嘴14的示範性配置30。
圖3是依據本發明的方面的圖2的輪廓觀啶設備的示範性配置的圖解說
明。
圖4是在依據本發明的方面的圖3的輪廓測定設備中用於產生結構化光圖
樣的示範性酉sa的圖示。
圖5是在依據本發明的方面的圖3的輪廓測定設備中用於產生結構化光圖 樣的另一個示範鵬遣的圖示。
圖6是在依據本發明的方面的圖3的輪廓測定設備中用於產生條紋圖樣的
全場幹涉儀的示範性酉as的圖示。
圖7是在依據本發明的方面的圖3的輪廓測定設備中用於產生條紋圖樣的
全場幹涉儀的另一 個示範性隨的圖示。
圖8是在依據本發明的方面的圖3的輪廓測定設備中用於產生條紋圖樣的
全:i^F涉儀的另一^範性SfiS的圖示。
圖9是依據本發明的方面的圖1的輪廓測定設備的另一^範性配置的圖
不o
具體實M式
如下面詳細討論的，本發明技術的實施例用於麟與艦加工工2^鄉 的製造或修理操作相關的參數的實時測量。尤其，本技術使用圖樣間隔分析 (pattern spacing analysis)用於從相應於)^的條紋圖樣對參M行估i十。這些 參數的實時估i憤一步用於控制加工工藝的工藝織。參照附圖，圖1圖示了 例如激5fe^縣統10柳卩工系統，激^fe^系統10具有耦合到激^)^疑噴嘴 14的輪廓測定設備12。該雷射條疑噴嘴14包括雷射源16, ^!皮酉SSffl以在基 底18上產^^池17。財卜，雷射條縣統10包括 20， ^^配翻以通 過在激^生的熔池17中鄉粉^^料24來形^j^22。尤其，激^l^鯀 統10 ^頓雷射束使^g的^A^末24 mi瞎底18上以貓P凍一層26， 然後il31在先前沉積的層上劍七粉末24產生隨後的層沫示出似形^jm 22。 在圖示的實施例中，輪廓測定設備12 ^到或者以物理方式附到激， 凝噴嘴14上，並且被15Sffl以獲得與X^22的審ijit^魏相關的參數。尤其， 輪廓測定設備12被酉擅用以獲得與焊接熔池17相關的參數，臓織可鵬 —步用於對加工工藝的工藝控制。這種參數的例，括熔池17的容積、累積 層26的高度、累積層26的厚度等等。如下面詳細解釋的，輪廓測定設備12 使用例如傅立葉變換分析的輪廓測定方法，用於在不幹涉加工或修理工藝的情 況下測*^些#^。
圖2是具Wf&廓測定設備12圖1的雷射條疑噴嘴14的示範性酉擅30。 在圖示的實施例中，雷射爝疑噴嘴14包括兩個臂32和34，臓兩個臂具有用 於條紋投影和/A)^t象22捕獲圖像的光學元#(參見圖1)。兩個臂32和34布置 在高處理雷射器16的兩側。在圖示的 例中，臂32被酉SS用以皿紋圖樣 鄉至lj膽22上，臂34被酉歷用以AU^ 22捕獲失真條紋圖樣的圖像。如 本領J^7lt人員應當離的，艦臂32可以Wm 22上臓不同類型的圖樣。 例如在一個實施例中，該條紋圖樣包括直線圖樣。在一個示範性實施例中，條 紋投影臂32具有足夠大的橫截面，以便覆蓋目標區域，而雷射器16被聚焦於 m 22上的點，從而提供高功率密度，以iim粉末。用於條紋投影和圖像 捕獲的兩個臂32和34的光學元件將在下面詳細描述。
圖3是圖2的輪廓測定設備12的示範性配置40的圖示。輪廓測定設備40 包括條郷影驢42，期皮酉歷用以條紋圖樣投影到正在經由加工系郷成 或修理的)^44上。條，影^g42將皿正弦條紋圖樣,麥M^面上。 在一個實施例中，條，影裝置42M例如液晶顯示IKLiquid Ciystal Display, LCD)、數雜鏡謝柳gital Microminor Device, DMD)或矽鎌晶(Liquid Qystal on Silica LCOS)投影機的數字式iS^鵬投影條紋圖樣。在可割戈實施例中， 條紋投影裝置42皿例如雷射器、發光二極體(LED)的光源、或者與例如光柵、
和全息組件的衍射組件相結合的燈來投影條紋圖樣。在某些其它實施例中，條 紋投影體42通過光學幹涉儀布局來鄉條紋圖樣。
在圖示的實施例中，條,影裝置32包括例如燈46或LED 48的光源、 以及通過光纖52耦合到光源用於^tm44上，光線的光學頭50。此外，輪 廓測定設備40包括光學單元54,期皮配置用於捕獲由纖44調製的失真條紋 圖樣的圖像。在這個示範性實施例中，光學單元54包括高通搶波器56和用於 捕獲條紋圖樣的圖像的照相機58，該圖^it一iWii電纜62被#^至,號處 理單元60。據些實施例中，光學單元54包括多^Ntf竟，戶/f^t^被酉翻 以捕獲失真條紋圖樣的圖像。在一個實施例中，光學單元54包括tit探測鏡。
信號處理單元60被fdg用以處棘自光學單元54的所捕獲的圖像，以從 所捕獲的圖像中濾除噪聲並且獲得與對象的製造或修理相關的參數的實時估 計。這樣的參數的例子包括熔池的容積、累積涙的高度、累積層的厚度等等。
應當指出，信號處理單元60可能包括具有通用計算機，其利用適當編程用於 估計參數，並便於基於所估計的參數的工藝控制。在某些實施例中，信號處理 單元60可以包括,制器。在示範性實施例中，輪廓測定設備40艦if^幾 雖(Computer Numerical Control, CNC)以估計膽44的所構建的高度，從而 消除在系統40中對附加的高度傳感器的需要。在操作中，信號處理單元60使 用圖樣間隔分析以從來自光學單元54的所捕獲的圖像中濾除噪聲。在這個示 範性實施例中，該圖樣間隔分析包括傅立葉變換分析。然而，可以設想娜其 它類型的圖樣間隔分析。更具體地，信號處理單元60提取失真條紋圖樣的相 圖(phase m邵)，並從這個相圖估計參數。將在下面闡明使用傅立葉變換從條 紋圖樣提取相圖以M該相圖估計參數。
在這個示範性實施例中，由光學單元54所捕獲的條紋圖樣的圖^M;下 面的等式表示
formula see original document page 8(1)
其中^是相位測量方法中所用的圖像的索引號；
/是像素(。')處的3M;
^是背景照度；
r是表示圖艦比度的條紋調製； A是^H蟲立圖像k的初相；以及
K是圖像的總數。
對於由等式(l)表示的圖像，兩維傅立葉變換可以如通過下式的表示來獲
得
formula see original document page 8 (2)
財卜，鵬用M^^波屍("，v)之後，條lJ下C("，v),其由下式標
formula see original document page 8 (3)
傅立葉逆變換之後，可以獲得c(")為
formula see original document page 84)
其中/和J是像素索引的維度。
此外，^f象素("')處的相值可以被計算為" 糾力 (5)
其中4和M樣魏c("')的虛部和實部。
此外，焊接熔池的輪廓可以從相圖獲得，並且由下式標
從而，ffl3ii^的傅立葉變換分析可以從單個瞬時圖像獲得包括與焊接熔池相 關的參數的焊^^池輪廓。
M些實施例中，信號處理單元60被配置用以將來自光學單元54的瞬時 圖像拆分為多個圖像，並且每個圖像的圖樣相對於其它圖像被移位。財卜，信 號處理單元60被1HS用以從多個圖像產生相圖，用於估計參數。應當注意， 光線條紋投影和傅立葉變換的結合允許相對容易的搶波，以移除例如從粉莉口 背景照度所產生的噪聲。產生自條紋圖樣的相位信息具有足夠高的解析度和精 確度。jtW卜，傅立葉變換輪廓測定允許從單個圖像產生相圖，因而導致用於圖 像處理和焊接熔池參數估計的時間相對較少。
所估計的與鄉44的制誠修理相關的參數可以糹細於加工系統(例如 上面參考圖1所描述的雷射條疑系統10)的工藝控制。微，激^^統10 的工藝參數可以根據所估計的與鄉44的制誠修理相關的參,fi^整。 示範性的工藝參數包括雷射功率、粉未M、焦點位置、雷射平移速度、槽尺 寸及其組合。錢些實施例中，控制系統(未示出)可會瀬合到加工系統10，用 於基於所估計的參數實現系統10的閉環控制。有利地，從單個瞬時圖像通過 傅立葉變換輪廓測^t相圖的估計允i^S於所估計的參數的立即工藝控制。
在上面所描述的輪廓觀啶設備40中結構化光圖樣的產生可以M:例如下
面參考圖冬8描述的多種配g^實現。尤其，,的示範性配置可以用於雷射 ,噴嘴30(參見圖2)，用於^X^22上產生結構化的光圖稱參見圖2)。
圖4是一種用於在圖3的輪廓測定設備40中產生結構化光圖樣的示範性 配置70的圖示。在圖示的實施例中，雷射72被職，以便在待測膽74的 表面處形成斑點。財卜，以相對於雷射束72成一角度布置的成^3t鏡76形成 激3fe^點的圖f滅圖片，戶脫圖像或圖片由照相機78捕獲。鄉74的表面高 度P)80的變^it成成像的斑點在這個圖像平面上橫向，一距離(d)82,所述 距離l細於艦由雷射72、激5^王點和照相機78構成的三角絲來估計表面
高度80的變化。
圖5 ，於在圖3的輪廓測定設備40中產生結構化光圖樣的另一種示範 性配置100的圖示。如上面參照圖4所描述的，戶脫示範性西遭70包括雷射 器72、成^5glt 76和照相機78。 it[^卜，在圖示的實施例中，3M:雷射器72 和衍射組件102投影條紋圖樣。衍射組件的例^^括光柵和全息組件。
如上面所述，輪廓測定設備40的條l^裝置42(參見圖3)可以通過投 影條紋的光學幹涉儀布局來鄉條紋圖樣。圖6-9圖示了用於投影條紋圖樣的 光學幹涉儀布局的示範^統酉SS。
圖6是用於在圖3的輪廓測定設備40中產生條紋圖樣的全:t^F涉儀的示 範性配置120的圖示。在圖示實施例中，幹涉儀包括邁克遜幹涉儀(Michelson Interferometer)。在操作中，從例如具有擴束器124的雷射器122的光源所鄉 的光束由分束器126拆分為3M差不多相等的兩個光束。這些光^t一被引導 至瞎準鏡128上，而另一艦被弓l導至lM^面130上。jht^卜，使由這兩錢 束的湖所產生的麟發生幹涉。當從例如照相機132的觀察口觀測時，幹涉 出現在鏡128的圖像和)( ^面130的圖#^間。由於由)(^^面130禾口鏡128 所反射的光波源於由同一個光源122所鄉的光束的拆分，所以這些波彼雌 幹，從而產生兩束幹涉圖樣。此外，幹涉儀的相位恢復可以通過由壓電換能器 (PZT)134相位偏移(phas&stepping)經由相移來實現。然而，可以4糊其它已
知的技術產生相圖。
圖7翻於在圖3的輪廓測定設備40中產生條紋圖樣的全^P涉儀的另 一示範性酉遣150的圖示。在這個示範性實施例中，幹涉儀150包括數字式全 息幹涉儀，其M31從待劍t^m所自或傳輸的波和基準波之間的幹涉產生條 紋圖樣。如圖6中所圖示的IBg,數字式全息幹涉儀150包括具有擴束器124 的光源122,以用於^tm 130上產生條紋圖樣。形卜，幹涉儀150包括鏡152 和154以及分束器156和158，以用於產tetm光束和Sa光束，所j^t^光
束和基準光束被組合以產生條紋圖樣。
圖8是用於在圖3的輪廓測定設備40中產生條紋圖樣的全;tlr^涉儀的另 一示範性配置170的圖示。在圖示的實施例中，幹涉儀170包括剪切幹涉儀 (shearing interferometer)。剪切幹涉儀170包括具有擴束器124的光源122,以 用於^ 130上產生條紋圖樣。JJ^卜，剪切幹涉儀170包括剪切板172。來
自鄉130的波前(wavefiont)以大約45度角入射到剪切板，並且由於板的 有限厚度，從剪切板172 g的波前被橫向剪切。此外，所目的波前的幹涉 導致條紋圖樣的產生。
本領域技術人員應當M，根據應用的所希望的，率，可以使用《if可上 述的技術用以M圖3的條,影裝置42 44上產生條紋圖樣。財卜，
M光學單元54捕獲相應於m 44的失真條紋圖樣的瞬時圖像，戶; ^P時圖 像由信號處理單元60處理，以便估計與對象44的審1，修理相關的參數。
圖9是圖1的輪廓測定設備12的另一示範性酉遣190的圖示。輪,頗啶 設備190包括條I^S^縫42， ^Miagffi以^tm 44上i^r紋圖樣。在 圖示的 例中，條iffij^^g42包括光源192，戶腿光源M光纖198耦合 到光柵194和透鏡196。在一個示範性實施例中，光柵194包括250 PLI光柵, 邀竟196包括雙凸,。此外，輪)T頗lJ定設備190包括光學單元54，用於捕獲 由鄉44調製的失真條紋圖樣的圖像。在這個示範性實施例中，光學單元54 包括管道探測鏡200和照相機202，臓管道探測鏡和照相豐;U131電纜62齢 到信號處理單元60。如先前描述的，來自光學單元54的所捕獲的圖#^聖由信 號處理單元60處理。信號處理單元60提取瞬時圖像的相圖，並且在不幹涉加 工工藝的情況下估計與對象44的加工操作相關的參數。在某些實施例中，典 型的幀率和處理可能以每秒約10次對系統提供更新，M於反饋和控制操作 M夠快的。此外，針自個應用優化的專用圖像處理設備結合高幀率照相機 可以JI^大約每秒100次的頓。
在上文中描述的方法的M方面在不同的加工應用中有效。JJ^技術可以 用於^f共與經由加工工藝對對象的製造或修理操作相關的參數的實時測量。該 技術還可以用於基於所估計的參數閉環控制加工工藝以獲得希望的輸出。如上 面指出的，更一般地，這裡描述的方劍頓傅立葉變換輪廓測定，用於M從 系統中濾除噪聲從單個瞬時圖像估計參數。J^卜，該技術尤其有利於 具有 良好解析度和精確度的輪廓測定設備，並且是^有效的而可用於廣泛的加工 應用。
雖然這裡僅示出和描述了本發明的某些時徵，佢對本領^^人員可以發 生很多修改和變化。因此應當理解的是，附帶的權利要求意圖覆誠有落A^ 發明實質精神的這樣的修改和變化。
i
部件列表
10 雷射條鯀統
12 輪廓測定設備
14 激娜疑噴嘴
16 雷射器
17 熔池
18 基底
20 粉末輸送噴嘴
24 粉末
26 已構建的層
30 雷射繊噴嘴
32-34輪廓測定設備的臂
40 輪廓測定設備
42 光源
44 贈
46 燈
48 LED
50 光學頭
52 光纖
54 光學單元
56 高通搶波器
58 照相機
60 信號處理單元
62 電纜
70 用於皿點三角測量;^法產生結構化光線的酉遣
72 雷射點
74 贈
76 纖
78 照相機
80D
82d
100用於產生結構化麟的隨
102衍射組件
120基於邁頓的幹涉儀
122雷射器
124擴束器
126分束器
128鏡
130部件
132照相脂口纖
134PZT
150基於數字式全就的幹涉儀
152鏡
154鏡
156分束器
158分束器
170剪切幹涉儀
152雷射器
172剪切板
190輪廓測定設備
192光源
194光柵
1%纖
198光纖
200管道探測鏡
202照相機
權利要求
1、一種輪廓測定設備(12)，包括條紋投影裝置(32)，其被配置用以將條紋圖樣投影到對象(22)上；光學單元(34)，其被配置用以捕獲由對象(22)調製的失真條紋圖樣的圖像；和信號處理單元(60)，其被配置用以處理來自光學單元(34)的所捕獲的圖像，以便從圖像中濾除噪聲，並且獲得與對象(22)的製造或修理相關的參數的實時估計。
2、 權利要求1戶艦的輪廓觀啶設敘12)，其中條紋投影體(32)艦光柵 (194)、或幹涉儀(120)、微字式條鄉影驢產生條紋圖樣。
3、 權利要求1戶腿的輪廓測定設敘12)，其中信號處理單元(60M頓圖樣 間隔分析，以M自光學單元(34)的所捕獲的圖像中濾除噪聲。
4、 權利要求3所述的輪廓觀!l定設敘12)，其中圖樣間隔分析包括傅立葉變換分析。
5、 一種帝lM^g,包括力口工系綴IO),具有工藝參數並且被配置用以制誠修W^(22); 輪廓測定設執12)，其被配置用以從輪廓狽!l定設擬12)所產生的單個圖像提 供與鄉(22)的製造或修理相關的織的實時估計，其中i^^廓測定設敘12)包括條紋投影裝置(32),其被配置用以條紋圖樣投影到膽(22)上； 光學單元(34)，其被酉fig用以捕獲由X^(22)調製的失真條紋圖樣的圖像；和信號處理單元(60),其被配置用以處理來自光學單元(34)的所捕獲的圖像， 以從圖像中濾除噪聲，並且獲得與，(22)的製造或修理相關的參數的實時估 計；以及控制系統，其被配翻以基於來自輪廓測定設敘12)的所估計的參數調整加 工系綴10)的工藝參數。
6、 權利要求5所述的制皿置，其中加工系統(10)包括雷射;^)疑系統， 並且工藝參數包括雷射功率、或粉末 、或焦點位置、艦度、離尺寸、或其組合。
7、 權利要求5戶誠的制it^g，其中與鄉的製造或修理相關的參數包 括焊接熔池的容積、或累計材料層的高度、或累計材料層的厚度、^組合。
8、 —種激5W)縣繳10)，包括雷射條疑噴嘴(14)，期皮酉虔用以通過在雷射產生的熔池(17衝麟粉;^才 糾24)而形^tm(22);條紋投影臂(32)，其耦合到雷射熔凝噴嘴(14)並且被配置用以Wm(22)的 頂部表面上產生條紋圖樣；光學單元(34),其被配置用以捕獲相應於m(22)的失真條紋圖樣的瞬時圖像；和信號處理單元(60),其耦合到光學單元(34)並且被配置用以處理來自光學單 元(34)的瞬時圖像，以從圖像中濾除噪聲，並且通過傅立葉變換分析來估計與 X^m(22)的製造或修理相關的參數。
9、 一種對用於制^tm的工SJ行控制的方法，包括 將條紋圖樣投影到贈上； 捕獲相應於膽的失真條紋圖樣的瞬時圖像；處理所捕獲的圖像，以濾除噪聲，並通過傅立葉變換分析來估計與對象的 製造或修理相關的參數；和響應於與贈的製造或修理相關的所估計的參數艦用於製造工藝的工藝 參繊行控制。
10、 一種對由加工系^^f形成的聰的參M行估計的方法，包括 將輪廓測定設備耦合到加工系統，用於通M"從輪廓測定設備所產生的單個圖像的信號處理來提供與對象的製造或修理相關的參數的實時估計，其中輪 廓測定設^JOT傅立葉變換分析用以從單個圖像中估計參數。
全文摘要
本發明提供了一種輪廓測定設備(12)。該輪廓測定設備(12)包括條紋投影裝置(32)，其被配置用以將條紋圖樣投影到對象(22)上；以及光學單元(34)，其被配置用以捕獲由對象(22)調製的失真條紋圖樣的圖像。該輪廓測定設備(12)還包括信號處理單元(60)，其被配置用以處理來自光學單元(34)的所捕獲圖像，以便從圖像中濾除噪聲，並獲得與對象(22)的製造或修理相關的參數的實時估計。
文檔編號G01B11/25GK101349551SQ200710152668
公開日2009年1月21日 申請日期2007年7月20日 優先權日2007年7月20日
發明者J·B·小迪頓, K·G·哈丁, M·N·阿澤, Q·胡, S·K·特瓦裡 申請人:通用電氣公司