本發明涉及增材制造激光選區熔化，尤其涉及一種用于激光選區熔化過程的監測信號補償系統與方法。
背景技術：
1、激光選區熔化(selective?laser?melting,slm)技術作為增材制造(additivemanufacturing,am)的關鍵工藝之一，因其能夠直接制造復雜結構件而在航空航天、生物醫療、模具制造等領域受到廣泛關注。
2、slm技術基于分層制造、層層疊加的成型原理，通過高能量激光束逐層熔化金屬粉末，實現材料的三維自由成型。該技術在制備高精度復雜結構零件、縮短生產周期和降低成本等方面展現出巨大優勢。
3、然而，slm過程中會產生難以控制的缺陷，如冶金缺陷、翹曲、裂紋等，這些缺陷嚴重影響構件的質量和性能。通過對這些缺陷信號的采集和分析，可以實時監控slm過程，及時發現并調整可能出現的異常，從而提高制造過程的穩定性和產品質量。光電二極管由于采集頻率高被廣泛應用于監測過程中，但是同軸監測時接收到的光信號會根據打印位置的不同而產生較大的誤差。通過監測激光選區熔化成型過程，可以幫助優化加工參數，還可以用于診斷熔池的狀態。但是，目前尚缺少一種激光選區熔化過程監測信號補償的技術方案。
技術實現思路
1、本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點和不足，提供一種用于激光選區熔化過程的監測信號補償系統與方法。本發明在同一系統內實現對光強信號的補償校正，不僅解決了現有技術光電二極管采集帶來的精度誤差以及信號不準確的問題，而且通過光電二極管和功率計能夠實現對激光功率和打印過程監測，具有測量精度高、可實時測量、操作簡單以及測量成本低等優勢。
2、本發明通過下述技術方案實現：
3、一種用于激光選區熔化過程的監測信號補償系統，包括依次光路連接的連續光纖激光器10、準直器9、掃描振鏡2、場鏡1、過程監測模塊和數據處理模塊11；
4、所述過程監測模塊位于準直器9與掃描振鏡2的光路之間；所述過程監測模塊與數據處理模塊信號連接。
5、所述過程監測模塊包括二向色鏡3、紅外窄帶濾波片4、聚焦透鏡5、光電二極管6、功率計7和分光鏡8；
6、所述二向色鏡3和分光鏡8依次位于準直器9與掃描振鏡2之間的光路上；所述二向色鏡3、紅外窄帶濾波片4、聚焦透鏡5與光電二極管6依次光信號連接；所述分光鏡8與功率計7光信號連接；
7、所述光電二極管6和功率計7分別與數據處理模塊11電信號連接。
8、所述連續光纖激光器10發出的激光束經過分光鏡8等分為兩束光，一路直接被功率計7接收，用于監測功率變化；另一路經掃描振鏡2和場鏡1到達成形缸15預設位置的對金屬粉末進行選區熔化，以形成熔池并成型；同時，成型位置向外發出的熱輻射紅外光束依次經二向色鏡3反射、紅外窄帶濾波片4和聚焦透鏡5透射后，到達光電二極管6，數據處理模塊11根據掃描振鏡2實際掃描的位置坐標和光電二極管6采集到的光強數據進行對應，并對光強數據信號補償校正，最后將生成的二維校正圖像進行分析，實現激光選區熔化過程監測。
9、所述光強數據信號補償校正的公式如下：
10、激光選區熔化打印作業過程中，x方向和y方向的實際運動距離與振鏡角度的關系如下：
11、
12、式中，x、y為加工平面點的坐標，f為平場透鏡的焦距，α、β分別是偏轉鏡x與偏轉鏡y的偏轉角；
13、當振鏡僅沿x方向掃描β＝0或y方向掃描α＝0時，掃描位置坐標與振鏡偏轉角的關系可以簡化為：
14、x＝2fα
15、y＝2fβ
16、而掃描振鏡2中的偏轉鏡x能夠接收到熔池發出的光輻射隨偏轉角度的變化關系如下：
17、
18、其中，σ為偏轉鏡x所能接收到的熔池輻射角，θ為偏轉鏡x上的坐標在以熔池為球心上的緯度角，為偏轉鏡x上的坐標在以熔池為球心上的經度角；
19、得，接收輻射的面積為：
20、
21、由于偏轉鏡x接收到的光需要經過偏轉鏡y反射到光電二極管所能接收到的區域內，光電二極管能接收到的光強面積sout簡化為：
22、sout＝s?cos?2αcos?2β
23、以打印平面光強最大的位置為基準，將其余區域的光強校準為：
24、
25、其中，e1為需要補償位置的光強，smax為光電二極管接收到的最大光強時偏轉鏡x接收輻射的面積，s1為需要的補償位置的偏轉鏡x接收輻射的面積，αmax為光電二極管接收到的最大光強時偏轉鏡x的偏轉角度，α1為需要的補償位置的偏轉鏡x的偏轉角度，βmax為光電二極管6接收到的最大光強時偏轉鏡y的偏轉角度，β1為需要的補償位置的偏轉鏡y的偏轉角度。
26、所述分光鏡8的分光比例為1:1。
27、所述二向色鏡3的最短透射波長大于1000nm，且小于1064nm；
28、所述二向色鏡3的最短反射波長小于800nm；
29、所述紅外窄帶濾波片4的中心波長為900nm。
30、所述連續光纖激光器10產生的激光的波長為1064nm。
31、一種激光選區熔化過程監測信號補償方法，具體如下：
32、s1、增材加工：連續光纖激光器發射的激光一部分經過準直器、振鏡和場鏡后選擇性地照射在粉末床上形成熔池，進行熔融成型；
33、s2、功率計獲取數據：功率計接收到連續光纖激光器發射的另一部分激光并對其進行光電轉換得到電壓信號；
34、s3、監測功率變化：數據處理模塊分析得到的電壓信號，并判斷功率的穩定性與變化；
35、s4、采集熔池輻射信號：熔池向外發出的熱輻射紅外光束經所述二向色鏡3反射，依次經過紅外窄帶濾波片、聚焦透鏡透射后，到達光電二極管并將信號轉化為電壓信號輸出給數據處理模塊；
36、s5、數據對齊；數據處理模塊11將接收到的光電二極管6電壓信號與掃描振鏡2的實時掃描位置信息進行對應，得到原始信號二維分布圖；
37、s6、數據補償：先得到打印過程中x方向和y方向的實際運動距離與振鏡角度的關系：
38、
39、然后得到振鏡組中偏轉鏡x能夠接收到熔池發出的光輻射隨偏轉角度的變化關系：
40、
41、在得到接收輻射的面積為：
42、
43、由于偏轉鏡x接收到的光需要經過偏轉鏡y反射到光電二極管6所能接收到的區域內，光電二極管6能接收到的光強面積sout可簡化為：
44、sout＝s?cos?2αcos?2β
45、最后以打印平面光強最大的位置為基準，可將其余區域的光強校準為：
46、
47、s7、補償后數據對齊：數據處理模塊11將補償后的光電二極管6電壓信號與掃描振鏡2的實時掃描位置信息進行對應，得到補償后信號二維分布圖；
48、s8、數據融合：將補償后信號二維分布圖與功率計測量數據進行分析，實現激光選區熔化過程監測。
49、本發明相對于現有技術，具有如下的優點及效果：
50、本發明集成了過程監測技術及激光選區熔化技術為一體，可實現激光選區熔化成型過程中高精度、高實時性的打印過程監測。
51、本發明基于光電二極管和功率計兩個探測器，光電二極管和功率計與激光器共用同一套光學系統，通過激光光學與精確定位實現同軸監測，有利于獲得高的局部分辨率和快速掃描率，提高了監測結果的準確性和可靠性。
52、本發明通過分光鏡將激光等分為兩路，在測量熔池輻射率的過程中避免了系統的拆卸，大大提高了效率與精度。
53、本發明提出的光強補償校正方法能夠消除光電二極管因同軸安裝導致接收到的熔池輻射受成形位置角度影響，大大提高光電二極管過程監測的精度。具有測量精度高、可實時測量、操作簡單以及測量成本低的優勢。
54、本發明技術手段簡便易行，巧妙的避免了傳統光電二極管采集帶來的精度誤差以及信號不準確的問題。