用于激光增材制造的同轴测距及自适应调节装置的制作方法

本发明涉及激光增材制造，特别是一种用于激光增材制造的同轴测距及自适应调节装置。

背景技术：

1、在激光增材制造领域，激光定向能量沉积（lded）技术近年来在航空航天高端装备制造等领域发展迅速。该技术利用高能激光将金属粉末或丝材熔化并逐层堆积，能够直接制造和修复复杂形状的金属结构。相较传统减材加工，lded在中大型、复杂几何金属零件的制造上具有独特优势，可实现近净成形，减少材料浪费和后续加工成本。

2、在lded增材制造过程中，保持激光加工头与熔池表面之间恒定的工作距离至关重要。工作距离直接决定激光束与粉末束流的空间耦合精度，当二者的交汇位置偏离最佳匹配区间时，将造成材料浪费与能量损失，严重时还会造成激光加工头的损坏。此外，在实际逐层堆积过程中，工件表面可能发生形变或堆积不均匀，使得工作距离出现较大的偏差，这种波动与沉积过程中的热积累、熔池流动行为以及上一层沉积金属的表面状态等因素都有关。

3、现有方案大多采用外置式传感器布局，其测距光路与加工激光光路不同轴，离轴测量易引入视差误差和机械干涉问题，且在高速加工过程中难以满足在线实时测量的需求，导致lded工艺中工作距离的控制精度和响应速度不足，沉积质量一致性难以保证。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述问题，提供一种用于激光增材制造的同轴测距及自适应调节装置，能够对工作距离进行实时监测和自适应闭环调节，以保证沉积过程稳定性和成形质量一致性。

2、本发明提供一种用于激光增材制造的同轴测距及自适应调节装置，包括：激光加工模块，包括激光加工头及设于所述激光加工头内的光路耦合组件，所述激光加工头能够发射加工激光；oct测距模块，与所述激光加工头连接，并能够向所述激光加工头发射测距光，所述光路耦合组件将所述测距光与所述加工激光耦合成同轴光束并入射至工件表面，所述oct测距模块接收从所述工件表面返回的测距反射光，以生成干涉信号；处理模块，与所述oct测距模块通信连接，所述处理模块根据所述干涉信号获取所述激光加工头与所述工件表面之间的实时工作距离wdt，并根据所述实时工作距离wdt和预设工作距离wd0获取工作距离偏差△wd；以及，控制模块，与所述处理模块及所述激光加工模块通信连接，所述控制模块根据所述工作距离偏差△wd驱动所述激光加工头沿z轴方向运动，使所述实时工作距离wdt维持在所述预设工作距离wd0。

3、上述用于激光增材制造的同轴测距及自适应调节装置中，通过光路耦合组件将测距光与加工激光耦合成同轴光束，使得测距路径与加工路径重合，可有效避免视差与结构干涉等问题，保持高精度测量；同时，通过oct测距模块、处理模块及控制模块的配合，实现了对实时工作距离wdt的在线监测与自适应闭环调节，确保激光焦点始终稳定位于预定焦平面附近，使熔池维持稳定的形态与温度，从而保证沉积层厚度的均匀化，有效提升成形质量与过程稳定性。

4、在其中一个实施例中，所述激光加工模块还包括激光器，所述激光加工头内设有沿同一光轴依次布置的准直镜及聚焦镜，所述激光器与所述激光加工头连接并用于向所述准直镜输出所述加工激光；所述光路耦合组件包括设于所述准直镜及所述聚焦镜之间的二向色镜，所述oct测距模块输出的所述测距光入射至所述二向色镜，所述二向色镜将所述测距光反射入所述加工激光，以使所述测距光与所述加工激光耦合成所述同轴光束，所述同轴光束经所述聚焦镜聚焦后入射至所述工件表面。

5、如此设置，二向色镜使得测距光与加工激光在空间上完全重合，以实现实时工作距离wdt的同轴测量；该结构仅在原有激光加工头内部增加二向色镜，无需改变加工激光路径与整体光路布局，具备良好的工程兼容性与设备可扩展性。

6、在其中一个实施例中，所述激光加工模块还包括设于所述激光加工头内的孔径调节组件，所述oct测距模块输出的所述测距光经所述孔径调节组件入射至所述二向色镜，所述孔径调节组件用于调节所述测距光的入射光斑直径。

7、如此设置，在加工过程中，当熔池表面状态发生变化时，通过孔径调节组件动态调整测距光的入射光斑直径，能够适应不同熔池表面反射率或散射条件，从而提高干涉信号质量，增强测距的可靠性和灵敏度。

8、在其中一个实施例中，所述oct测距模块包括：宽谱低相干光源，用于产生所述测距光，部分所述测距光输出至所述激光加工头，其余部分所述测距光作为参考光；参考组件，包括反射镜和可调延迟线，所述反射镜用于接收所述参考光并反射回参考反射光，所述可调延迟线用于调节所述参考光的光程；接收光纤组件，用于接收从所述工件表面返回的所述测距反射光；以及，光谱干涉仪，与所述参考组件及所述接收光纤组件连接，用于将所述参考反射光与所述测距反射光合束，以生成所述干涉信号。

9、如此设置，oct测距模块采用频域oct技术进行非接触式高精度测距，具有更高的灵敏度、更快的信号采集速度和更强的抗噪声能力；可调延迟线使得参考组件与激光加工头的光程能够实现动态匹配，提高干涉对比度，大幅提高系统的测距深度和精度。

10、在其中一个实施例中，所述处理模块包括：光谱仪，用于采集所述干涉信号；模数转换器，用于将所述干涉信号转换为数字信号；快速傅里叶变换单元，用于将所述数字信号转换为深度方向的反射强度分布；主峰提取单元，用于根据所述反射强度分布提取主反射峰；以及，计算单元，用于根据所述主反射峰计算所述实时工作距离wdt，并根据所述实时工作距离wdt和预设工作距离wd0获取工作距离偏差△wd。

11、如此设置，实现从干涉信号到可用于控制的工作距离偏差△wd的精确转换，实现实时、高精度的闭环反馈控制。

12、在其中一个实施例中，所述处理模块还包括抗干扰单元，所述抗干扰单元用于对所述主反射峰进行有效性判断，并在判断结果为有效时输出至所述计算单元。

13、如此设置，能够有效剔除因熔池动态流动、粉末散射和等离子体发光等复杂干扰引入的无效信号，确保测距结果的准确性和鲁棒性，提高系统在复杂加工环境下的可靠性。

14、在其中一个实施例中，所述控制模块包括z轴补偿单元，所述z轴补偿单元用于根据所述工作距离偏差△wd生成z轴补偿量，并将所述z轴补偿量叠加至所述激光加工头的预设z轴轨迹上，以驱动所述激光加工头沿z轴方向运动。

15、如此设置，实现了z轴与xy轴运动的并行插补，确保z轴实时补偿可在不中断xy轨迹运动的前提下同步执行，实现焦点位置的动态跟随控制。

16、在其中一个实施例中，所述控制模块还包括：信号调理单元，用于对所述工作距离偏差△wd进行平滑滤波和变化速率限幅处理；及/或，保护单元，用于在所述工作距离偏差△wd无法获取或超出预设范围时，控制所述z轴补偿单元停止工作。

17、如此设置，信号调理单元能够有效避免oct测距反馈的抖动或突变导致z轴位置控制不稳定，在不降低响应速度的前提下有效提升控制模块的动态稳定性与轨迹执行平滑性；保护单元能够在测距信号异常时自动禁用z轴补偿功能，防止误动作造成设备损伤，确保加工过程的连续性与安全性。

18、在其中一个实施例中，所述测距光的波长范围为1300nm-1320nm或1540nm-1560nm，光谱宽度为50nm-100nm；及/或，所述加工激光的波长范围为1060nm-1080nm。

19、在其中一个实施例中，所述用于激光增材制造的同轴测距及自适应调节装置还包括送粉模块，所述送粉模块包括同轴设置于所述激光加工头的送粉喷嘴，所述送粉喷嘴用于将金属粉末输送至所述加工激光的焦点处；及/或，所述用于激光增材制造的同轴测距及自适应调节装置还包括与所述激光加工头连接的水冷模块，所述水冷模块用于对所述激光加工头进行冷却。

20、如此设置，送粉模块实现了金属粉末与加工激光的同轴供给，确保粉末束流与激光束在空间上精确耦合，提高材料利用率和成形质量；水冷模块能够确保激光加工头光学部件温度恒定，避免因过热导致激光加工头损坏或光路偏差，提高系统的长期工作稳定性和可靠性。