專利名稱：一種用于光固化快速成型工藝的樹(shù)脂液位檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于快速成型技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種用于光固化快速成型工藝的樹(shù)脂液位檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
光固化快速成型以光敏樹(shù)脂為原料，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制紫外激光的掃描軌跡使其凝固成型。首先在槽中盛滿液態(tài)光敏樹(shù)脂，激光器發(fā)出的紫外激光束在偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的控制下按零件的分層截面信息在光敏樹(shù)脂表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，被掃描區(qū)域的樹(shù)脂薄層因被紫外光照射而產(chǎn)生光聚合反應(yīng)，固化形成零件的一個(gè)薄層。此后，工作臺(tái)下移一個(gè)薄層厚度，以使在上次固化的樹(shù)脂表面敷上一層新的液態(tài)樹(shù)脂，通過(guò)對(duì)下一層的掃描加工，新固化的一層將粘結(jié)在前一層上，如此重復(fù)直至零件制造完畢，得到三維實(shí)體原型。
為了保證零件的制作精度，并兼顧成型效率，成型機(jī)針對(duì)不同的零件及精度要求，在數(shù)據(jù)分層處理時(shí)，可采用不同的分層厚度(0.1～0.3mm)，這樣既可以選擇較小的分層厚度，以保證較高的零件表面質(zhì)量，也可以采用大的分層厚度，以減少制作時(shí)間。
保證精確的層厚，是保證快速成型制件Z方向精度的關(guān)鍵。目前，采取的關(guān)鍵技術(shù)之一是真空吸附刮平系統(tǒng)，其主要作用在于保證液面的平整，而真正要保證精確的層厚，就必須保證液面位置的恒定。在沒(méi)有采用激光液位檢測(cè)之前，液位主要靠樹(shù)脂溢流方式維持穩(wěn)定，但溢流使槽內(nèi)的樹(shù)脂液面產(chǎn)生梯度，造成工件向一個(gè)方向傾斜，而溢流流量的變化又使上述傾斜呈不確定性，會(huì)影響成型件的質(zhì)量。
光固化快速成型機(jī)的液位激光測(cè)控系統(tǒng)是成型機(jī)的重要部件。它檢測(cè)槽中樹(shù)脂液位的變化，使樹(shù)脂液面保持在合理的范圍，保證加工件有精確的層厚。國(guó)內(nèi)外成型機(jī)的樹(shù)脂槽液位檢測(cè)大多采用非接觸式激光液位計(jì)。基于光學(xué)三角測(cè)量原理，以激光直射樹(shù)脂液面，然后從側(cè)面收集散射光，經(jīng)透鏡光點(diǎn)成像在PSD(Positon Sensitive Device)或CCD(Charge CoupledDevice)上。通過(guò)檢測(cè)光點(diǎn)的位置變化，可以高精度地測(cè)得液位高低。但是，實(shí)踐證明這種方法對(duì)透明狀的光敏樹(shù)脂，由于散射光強(qiáng)度很弱，無(wú)法測(cè)得液位信號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種用于光固化快速成型工藝的樹(shù)脂液位檢測(cè)方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用的技術(shù)解決方案是，一種用于光固化快速成型工藝的樹(shù)脂液位檢測(cè)方法，其特征在于，該方法采用反射式傾角測(cè)量法檢測(cè)樹(shù)脂液位的移動(dòng)量Δx，具體包括以下步驟1)首先在光固化快速成型機(jī)的樹(shù)脂槽樹(shù)脂液面上方設(shè)置一半導(dǎo)體激光器和一個(gè)用于接收半導(dǎo)體激光器反射光的半導(dǎo)體光電位置敏感元件，并對(duì)激光進(jìn)行高頻調(diào)制，使半導(dǎo)體激光器響應(yīng)為高頻脈沖信號(hào)，并在電路中采用高通濾波的方法將信號(hào)與干擾分離；2)半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束照射在被測(cè)樹(shù)脂液面上并被反射到半導(dǎo)體光電位置敏感元件的敏感表面上，將樹(shù)脂槽液面的位移量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，半導(dǎo)體激光器的入射角為α；液面的位移量Δx在半導(dǎo)體光電位置敏感元件的長(zhǎng)度距離AB的關(guān)系為AB＝2Δxsinα。
本發(fā)明光源采用了高頻調(diào)制激光以克服雜散光的干擾，激光強(qiáng)度根據(jù)被測(cè)液面反射率而自適應(yīng)地改變，可測(cè)各種反射率的液面，采用閉環(huán)反饋，通過(guò)比例積分調(diào)節(jié)改變激光強(qiáng)度，自動(dòng)將PSD的電流I1+I2＝常數(shù)?？朔藗鹘y(tǒng)采用除法芯片在反射光較弱時(shí)誤差變大的缺點(diǎn)，簡(jiǎn)化了計(jì)算，提高了測(cè)量精度。
本發(fā)明的方法測(cè)量分辨率高，能夠滿足光固化成型對(duì)液位的檢測(cè)要求，可提高成型件的質(zhì)量。


圖1是PSD器件的基本結(jié)構(gòu)及特性；圖2是反射式傾角測(cè)量法原理圖；圖3是依本發(fā)明的方法開(kāi)發(fā)的激光液位檢測(cè)補(bǔ)償裝置框圖；圖4是高頻調(diào)制方法原理圖。
以下結(jié)合附圖和本發(fā)明的技術(shù)原理對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的用于光固化快速成型工藝的樹(shù)脂液位檢測(cè)方法，采用半導(dǎo)體光點(diǎn)位置敏感元件PSD作為敏感元件，半導(dǎo)體激光二極管(LD)作為光源，基于反射式傾角測(cè)量原理檢測(cè)樹(shù)脂液位的移動(dòng)量。
1.PSD器件的基本結(jié)構(gòu)及特性PSD是半導(dǎo)體光點(diǎn)位置敏感元件，其基本結(jié)構(gòu)如附圖1所示。當(dāng)有光束照射在其感光面上某一點(diǎn)時(shí)，就會(huì)在感光面產(chǎn)生一定的光生電流I0。此電流以I1和I2分別流向兩輸出電極，I1和I2分流關(guān)系取決于入射光點(diǎn)位置到兩極的等效電阻，又由于半導(dǎo)體光點(diǎn)位置敏感元件的P層阻抗均勻一致，則有以下分流關(guān)系成立I1I2=R2R1=L-xx---(1)]]>進(jìn)而有x=I2I0L---(2)]]>上式中，位置輸出信號(hào)x值只與分流關(guān)系相關(guān)。
2.反射式傾角測(cè)量法原理反射式傾角測(cè)量方法中的激光與鉛垂線不重合，而是有一定夾角。原理如附圖2。光源(LD)所發(fā)出的光束照射在被測(cè)樹(shù)脂液面上并被反射，照射在PSD的敏感表面上。由于液位高低與成像點(diǎn)落在PSD上的位置一一對(duì)應(yīng)，所以可由PSD檢測(cè)電路得到的信號(hào)計(jì)算出液位高低。即激光入射角為α，樹(shù)脂液面的位移量Δx在光電傳感器的長(zhǎng)度距離AB的關(guān)系為AB＝2Δxsinα。
3.雜散光和暗電流的影響以及對(duì)策從公式(2)可以看出，檢測(cè)中，如果除了工作光束外還有其它雜散光線進(jìn)入，如房間中的日光燈和成型機(jī)中的照明燈等，都會(huì)在半導(dǎo)體光電位置敏感元件PSD上產(chǎn)生附加電流，破壞關(guān)系式的成立。這無(wú)疑會(huì)干擾系統(tǒng)的正常檢測(cè)，使精度降低，甚至使系統(tǒng)無(wú)法工作。在儀器設(shè)計(jì)中必須考慮如何解決雜散光干擾問(wèn)題。
在沒(méi)有光束入射時(shí)，半導(dǎo)體光電位置敏感元件PSD兩輸出電極所輸出的電流稱為暗電流，暗電流隨偏置電壓和溫度變化而變化，環(huán)境溫度的上升會(huì)引起半導(dǎo)體光電位置敏感元件PSD暗電流的增大，暗電流的存在不僅要帶來(lái)誤差和噪聲，而且具有類似背景光產(chǎn)生的不利效應(yīng)。因此使用時(shí)應(yīng)加以消除。
考慮在儀器使用中干擾雜散光多為自然光或人工照明，這類干擾源的特點(diǎn)是其亮度變化是緩慢的，在半導(dǎo)體光電位置敏感元件PSD上造成的響應(yīng)為直流和低頻信號(hào)，如果對(duì)激光進(jìn)行高頻調(diào)制，使半導(dǎo)體光電位置敏感元件PSD響應(yīng)為高頻脈沖信號(hào)，則可在電路中采用高通濾波的方法將信號(hào)與干擾分離，再通過(guò)線性檢波，將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)。
在圖1中，求x=I2I0L]]>的時(shí)候，一般的方法是用除法芯片實(shí)現(xiàn)上式除法運(yùn)算。本申請(qǐng)采用閉環(huán)反饋，通過(guò)PI(比例積分)調(diào)節(jié)，改變激光強(qiáng)度，自動(dòng)將半導(dǎo)體光電位置敏感元件PSD的輸出電流I0(即I1+I2)＝常數(shù)。這樣讀取I1或I2其一，即可測(cè)得液位高低。實(shí)踐證明，這種方案可行。
本發(fā)明的反射式傾角測(cè)量方法中，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束與鉛垂線有一定的夾角。原理如圖2所示。半導(dǎo)體激光器(LD)所發(fā)出的光束照射在樹(shù)脂液面上并被反射，照射在半導(dǎo)體光電位置敏感元件PSD的敏感表面上。經(jīng)設(shè)置的半導(dǎo)體光電位置敏感元件PSD檢測(cè)電路檢測(cè)，然后據(jù)此計(jì)算而得出樹(shù)脂液面的高低變化。
圖2中的Δx為樹(shù)脂液面的變化，AB長(zhǎng)度為反射點(diǎn)在PSD器件上的變動(dòng)，入射角為α。根據(jù)平面幾何的知識(shí)，AB與Δx的關(guān)系為AB＝2Δxsinα。
當(dāng)一束光射到半導(dǎo)體光電位置敏感元件PSD的光敏面上時(shí)，在同一面上的不同電極之間將會(huì)有電流流過(guò)，這種電壓或電流隨著光點(diǎn)位置變化而變化的現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的橫向光電效應(yīng)。因此，可以檢測(cè)入射光點(diǎn)的照射位置，具有沒(méi)有死區(qū)，分辨率高，適配電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
參見(jiàn)圖3，圖3是依本發(fā)明的方法給出一種激光液位檢測(cè)裝置框圖，它包括PSD器件，半導(dǎo)體激光器(LD)，在半導(dǎo)體光電位置敏感元件PSD連接一數(shù)據(jù)采集卡，該數(shù)據(jù)采集卡對(duì)采集的樹(shù)脂液面的位移量Δx進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并輸入到工控機(jī)，工控機(jī)上連接有步進(jìn)電機(jī)控制卡，步進(jìn)電機(jī)控制卡與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接，用于控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)、定位和限位。
在光固化快速成型機(jī)的工作臺(tái)下降時(shí)，由樹(shù)脂槽內(nèi)的刮板刮平樹(shù)脂后，由工控機(jī)發(fā)出指令執(zhí)行液位控制程序，然后，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制卡與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制控制步進(jìn)電機(jī)將樹(shù)脂槽液位調(diào)節(jié)到給定位置。
半導(dǎo)體光電位置敏感元件PSD的測(cè)量值通過(guò)一塊適用于PC的高性能、高速的多功能數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，(如，用臺(tái)灣研華公司的ADAM-4017八通道模擬量輸入模塊，該模塊分辨率16Bit，可保證足夠的精度)經(jīng)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量通過(guò)RS-485與工控機(jī)(計(jì)算機(jī))進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
圖4是高頻調(diào)制方法原理圖，高頻調(diào)制方法采用閉環(huán)反饋，半導(dǎo)體光電位置敏感元件的兩個(gè)輸出端A、B分別連接電流/電壓轉(zhuǎn)換器、交流放大器和線性檢波器，并輸入一個(gè)加法器中，通過(guò)比例積分器和調(diào)光三極管改變半導(dǎo)體激光器的激光強(qiáng)度，自動(dòng)將半導(dǎo)體光電位置敏感元件的輸出電流I0＝I1+I2＝常數(shù)，其中I0為總電流，I1、I2是半導(dǎo)體光電位置敏感元件的兩個(gè)輸出端A、B的電流值，讀取I1或I2其中之一，即可測(cè)得液位高低。
經(jīng)申請(qǐng)人的實(shí)踐證明，本發(fā)明的測(cè)量分辨率高，可有效地改善成型工件的制作質(zhì)量。
鑒于國(guó)內(nèi)外激光液位計(jì)都是用固定強(qiáng)度激光，只能測(cè)不透明、反射率大的液體，對(duì)透明液體難以測(cè)量。本發(fā)明的激光強(qiáng)度根據(jù)被測(cè)液面反射率而自適應(yīng)地改變，可測(cè)各種反射率的表面。
權(quán)利要求
1.一種用于光固化快速成型工藝的樹(shù)脂液位檢測(cè)方法，其特征在于，該方法采用反射式傾角測(cè)量法檢測(cè)樹(shù)脂液位的移動(dòng)量Δx，具體包括以下步驟1)首先在光固化快速成型機(jī)的樹(shù)脂槽樹(shù)脂液面上方設(shè)置一半導(dǎo)體激光器和一個(gè)用于接收半導(dǎo)體激光器反射光的半導(dǎo)體光電位置敏感元件，并對(duì)激光進(jìn)行高頻調(diào)制，使半導(dǎo)體激光器響應(yīng)為高頻脈沖信號(hào)，并在電路中采用高通濾波的方法將信號(hào)與干擾分離；2)半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束照射在被測(cè)樹(shù)脂液面上并被反射到半導(dǎo)體光電位置敏感元件的敏感表面上，將樹(shù)脂槽液面的位移量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，半導(dǎo)體激光器的入射角為α；液面的位移量Δx在半導(dǎo)體光電位置敏感元件的長(zhǎng)度距離AB的關(guān)系為AB＝2Δxsinα。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的高頻調(diào)制方法采用閉環(huán)反饋，將半導(dǎo)體光電位置敏感元件的兩個(gè)輸出端分別連接電流/電壓轉(zhuǎn)換器、交流放大器和線性檢波使輸出端的電流轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，并輸入一個(gè)加法器中，通過(guò)比例積分器和調(diào)光三極管改變半導(dǎo)體激光器的激光強(qiáng)度，自動(dòng)將半導(dǎo)體光電位置敏感元件的輸出電流I0＝I1+I2＝常數(shù)，其中I0為總電流，I1、I2是半導(dǎo)體光電位置敏感元件的兩個(gè)輸出端的電流，讀取I1或I2其中之一，即可測(cè)得液位高低。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于光固化快速成型工藝的樹(shù)脂液位檢測(cè)方法。針對(duì)光固化成型系統(tǒng)中樹(shù)脂液位波動(dòng)影響工件成型精度，采用在樹(shù)脂槽液面上方設(shè)置半導(dǎo)體激光器(LD)和接收液面反射光的半導(dǎo)體位置敏感器件(PSD)，將樹(shù)脂液位轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的方法，實(shí)現(xiàn)液位的精確測(cè)量。鑒于不同樹(shù)脂反射率不同，現(xiàn)有液位計(jì)對(duì)于透明樹(shù)脂無(wú)法測(cè)量的問(wèn)題，本發(fā)明光源采用了高頻調(diào)制激光以克服雜散光的干擾，激光強(qiáng)度根據(jù)被測(cè)液面反射率而自適應(yīng)地改變，可測(cè)各種反射率的液面，采用閉環(huán)反饋，通過(guò)比例積分調(diào)節(jié)改變激光強(qiáng)度，自動(dòng)將PSD的電流I
文檔編號(hào)G01F23/22GK1789928SQ200510096499
公開(kāi)日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2005年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月7日
發(fā)明者王伊卿, 盧秉恒, 丁玉成, 宗學(xué)文, 李滌塵, 周宏志, 施仁, 張振 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)