CN101468395A - 回转体表面激光快速成形方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及快速成形技术，具体地说是一种回转体表面激光快速成形方法及其系统。其方法是：以回转面分层切片、回转扫描路径填充方法形成系统加工路径的数据依据；采用高功率聚焦激光束为能量源，进行激光熔覆成形；利用摆动式同轴送粉，实现粉末在垂直和水平方向任意角度送给；并使用金属粉末在运动控制单元的自动控制下、在直线与回转三轴联动的执行机构上，完成扫描填充成形过程，从而直接、自动、快速地制备成形全密度金属功能零件。采用本发明能够使金属粉末在运动控制单元的自动控制下、在直线与回转联动的执行机构上，实现在回转体表面进行快速成形加工，制造出直接进行功能性应用的回转类金属零件。
Description
技术领域
本发明涉及快速成形技术，具体地说是一种回转体表面激光快速成形方法及其系统。
背景技术
快速成形技术是八十年代末兴起并得到迅速发展的崭新制造技术，被认为是近二十年来制造技术领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与数控技术的出现相比。
在快速成形技术的发展历程中，按照成形材料划分可将快速成形技术分为以下三个阶段：基于非金属材料的原型件快速成形技术、基于传统快速原型设备的金属零件直接成形技术、金属零件直接快速成形技术。金属零件直接快速成形技术因其可直接由金属粉末经高功率激光熔覆制造成形金属功能零件而倍受人们的关注，并且取得了非常长足的发展。
快速成形技术是将计算机数据处理、机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学技术熔合为一体的一项技术，其中数据处理算法是人们一直研究的热点之一。通常快速成形数据处理的步骤是：首先在计算机上制作出零件三维CAD模型，将零件三维CAD模型进行网格化处理后存储成STL格式文件；然后对STL格式文件进行分层切片处理，得到各层截面的二维轮廓信息；最后按照这些轮廓信息自动生成快速成形加工路径。在目前快速成形的各种工艺技术中，均是通过各种各样的计算机数据处理算法，将CAD实体模型离散成STL文件后，用二维平面进行切片分层处理，所得到的各个分层轮廓均在一个二维平面内。因此在成形加工的过程中，均是选择适当的一个平面材料做为支撑的基体。而采用圆柱曲面作为三维空间内的分层切片曲面进行分层切片数据处理仍然未见报道，因此以回转体为支撑基体的回转体表面激光快速成形技术是一项新的快速成形技术。
发明内容
为了能够在回转体表面进行快速成形加工，制造出能够直接进行功能性应用的回转类金属零件，本发明提供一种回转体表面激光快速成形加工方法及其系统。
本发明技术方案如下：回转体表面激光快速成形方法：以回转面分层切片、回转扫描路径填充方法形成系统加工路径的数据依据；采用高功率聚焦激光束为能量源，进行激光熔覆成形；利用摆动式同轴送粉，实现粉末在垂直和水平方向任意角度送给；并使金属粉末在运动控制单元的自动控制下、在直线与回转三轴联动的执行机构上，完成扫描填充成形过程，从而直接、自动、快速地制备成形全密度金属功能零件；
所述回转分层切片方法指：在回转体零件的CAD建模时，以一定直径的回转体为基体，在基体上设计出零件的形状特征，将该CAD模型离散，将离散数据以STL格式保存；将一系列同心圆柱曲面作为STL文件的分层曲面，再进行分层切片数据处理，得到相应各层同心圆柱曲面上的轮廓形状；所述回转扫描路径填充方法是以回转扫描形式对圆柱曲面上的轮廓形状进行扫描路径填充处理，将得到的扫描路径数据保存为CLI格式的文件，作为系统加工路径的数据依据；
其中所述高功率聚焦激光束选自横流、多模、针板式3KW CO2激光器，激光输出功率不稳定度小于±2％，电子光闸反应速度小于50ms。
回转体表面激光快速成形系统：由激光光源、运动执行机构、摆动式同轴送粉机构、存有分层切片数据处理程序及运动控制程序的运动控制单元组成。激光光源输出激光束经过运动执行机构、摆动式同轴送粉机构的光路至基体表面，运动执行机构末端与摆动式同轴送粉机构相连接，运动控制单元一方面与激光光源电连接，控制激光开关；另一方面分别与运动执行机构中的各轴电机电连接，按分层切片数据处理程序及运动控制程序指令控制各轴运动。
本发明具有如下特点：
1.本发明采用同心圆柱曲面对回转体零件进行分层切片数据处理，采用螺旋扫描形式对圆柱曲面内的各轮廓进行扫描路径填充处理，提供了回转体零件激光直接快速成形制造技术的一个新的技术路线。
2.与传统的激光气动光闸不同，在本发明的系统中采用了可控硅电子光闸技术，并且可由计算机进行激光的开关控制。其特点的反应迅速、可控性好、无机械振动、节约能源、能量稳定。
3.本发明在原有的粉末喷嘴基础上，设计了可在水平面与垂直面间实现90°角内的任意角摆动的送粉结构，实现了垂直面、水平面以及其间的任意角度的成形加工，极大地提高了粉末喷嘴的工作能力和成形适用范围。
4.本发明基于PC机的运动控制单元以及运动执行机构，其标准化程度高、柔性好、开放性强、节约成本、操作简单、可充分发挥PC机的强大功能。采用伺服电机、步进电机以及精密的滚珠丝杠和滚珠导轨组成运动执行机构，定位精度与重复定位精度均极高。
附图说明
图1是本发明的系统总体结构图。
图2是图1中摆动粉末喷嘴机构结构示意图。
图3是本发明采用图2所示摆动粉末喷嘴机构用于回转体表面激光快速成形的一个实施例。
图4是图1中运动控制单元结构示意图。
图5是图4中分层切片数据处理程序流程图。
图6是图4中运动控制程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明回转体表面激光快速成形方法：以回转面分层切片、回转扫描路径填充方法形成系统加工路径的数据依据；采用高功率聚焦激光束为能量源，进行激光熔覆成形；利用摆动式同轴送粉，实现粉末在垂直和水平方向任意角度送给；并使用金属粉末在运动控制单元的自动控制下、在直线与回转三轴联动的执行机构上，完成扫描填充成形过程，从而直接、自动、快速地制备成形全密度金属功能零件；
所述回转分层切片方法指：在回转体零件的CAD建模时，以一定直径的回转体为基体，在基体上设计出零件的形状特征，将该CAD模型离散，将离散数据以STL格式保存；将一系列同心圆柱曲面作为STL文件的分层曲面，再进行分层切片数据处理，得到相应各层同心圆柱曲面上的轮廓形状；所述回转扫描路径填充方法是以回转扫描形式对圆柱曲面上的轮廓形状进行扫描路径填充处理，将得到的扫描路径数据保存为CLI格式的文件，作为系统加工路径的数据依据；
其中所述高功率聚焦激光束选自横流、多模、针板式3KW CO2激光器，激光输出功率不稳定度小于±2％，电子光闸反应速度小于50ms；
采用高功率聚焦激光束为能量源的情况下，可以通过计算机进行激光开关的反应迅速的自动控制，进行激光熔覆成形。
本发明回转体表面激光快速成形系统：由激光光源1，运动执行机构，摆动式同轴送粉机构，存有分层切片数据处理程序及运动控制程序的运动控制单元9组成，其中激光光源1输出激光束2经运动执行机构、摆动式同轴送粉机构的光路至基体表面，运动执行机构末端与摆动式同轴送粉机构相连接，运动控制单元9一方面与激光光源1电连接，控制激光开关；另一方面分别与运动执行机构中的各轴电机电连接，按分层切片数据处理程序及运动控制程序指令控制各轴运动。
运动执行机构由Y轴4，与Z轴伺服电机3相连的Z轴5，U轴7，机座8，回转基体18组成，机座8为L型结构，置有回转基体18的U轴7作为回转转台，安装在机座8水平方向上，Z轴5位于U轴7上方，下端与摆动粉末喷嘴机构6安装在一起，上端与Z轴伺服电机3，Z轴5通过导轨与Y轴4垂直安装在一起；Y轴4位于垂直方向的机座8上；其中Y轴4、U轴7的伺服电机分别位于机座8内；Z轴5和Y轴4内设与激光光源1光路相通的通道。
图4是运动控制单元9，由插入工业控制计算机中的运动控制器和I/O控制器组成，其中运动控制器为市购产品，采用研华PCI-1240型卡，I/O控制器为市购产品，采用研华PCI-1755型卡，运动控制器输出至Y轴4、Z轴5、U轴7、V轴四轴驱动器，用以驱动各轴伺服电机及步进电机；I/O控制器控制激光光源1中的冷水机组、真空泵、风机、高压以及电子光闸的开关；工业控制计算机内还存有分层切片数据处理程序及运动控制程序，驱动Y轴4、Z轴5、U轴7、V轴运动。
所述分层切片数据处理程序具体流程(如图5所示)为：首先进行回转体零件的CAD建模；然后将该CAD模型离散成三角面片，并将离散数据以STL格式保存；第三步是STL文件的检测与修复；第四步是基于圆柱曲面的分层切片数据处理，得到轮廓形状；第五步是基于回转扫描的轮廓填充处理；最后将得到的扫描路径数据保存为CLI格式的文件，作为系统加工路径的数据依据。
所述运动控制程序具体流程(如图6所示)为：首先对运动控制器进行初始化；然后各个运动轴执行归零运动；第三步是进行运动控制判断，即：在不进行运动控制时，执行各轴位置调整运动；在进行运动控制时，进行由CLI数据文件驱动的成形加工运动；最后判断是否进行新的运动(即新的运动控制)，如果选“是”则跳转执行，如果选“否”则退出运动控制程序。
摆动式同轴送粉机构由固定筒10，同步带11，粉末喷射口13，激光输出口14，旋转筒16，步进电机17组成，旋转筒16、步进电机17安装在固定筒10上，步进电机17通过同步带11与在垂直方向安装有粉末喷射口13的旋转筒16连接，使旋转筒16可带动粉末喷射口13在水平面与垂直面间实现90°角摆动，用于传递旋转扭矩；激光输出口14位于旋转筒16的激光光路上，激光输出口14设于喷射口13内部；激光输出口14经旋转筒16、固定筒10与运动执行机构中的光路相通。
光路由一次反射镜，二次反射镜12、三次反射镜15，其中一次反射镜安装在Z轴5中，位于光路上，二次反射镜12安装在固定筒10底部，与安装旋转筒16端部的三次反射镜15在同一光路上。二次反射镜12及三次反射镜15均45度角安装，并相互平行(三次反射镜15通过旋转筒16与二次反射镜12平行、位于在激光输出口14上方)。
本发明原理：所述运动执行机构由带动成形零件(安装在U轴7上方的回转转台上)做旋转运动的U轴7、带动摆动式同轴送粉机构进行径向进给运动的Y轴4、带动摆动式同轴送粉机构进行轴向进给运动的Z轴5、带动摆动式同轴送粉机构的粉末喷射口13在水平面与垂直面间实现90°角摆动的V轴(参见图3，旋转筒16的回转中心线即为V轴，实际是绕X轴的回转轴)，Z轴5一端与Z轴伺服电机3相连接，另一端与摆动式同轴送粉机构6相连，做径向进给运动的Y轴4一端与垂直方向上的机座8安装在一起，且通过滑动机构(导轨)与Z轴5水平向滑动连接，实现分层厚度上的间歇进给，可执行独立运动；Y轴4、Z轴5分别采用伺服电机驱动；而U-V-Z三轴实现三轴联动(即：U轴为绕Z的旋转轴，V轴为绕X轴的旋转轴，其联动的实现通过三轴插补运动实现)，从而实现精确的扫描填充成形过程。U、V二轴采用步进电机驱动。可成形的回转体最大直径1000mm、最小直径100mm、最大高度500mm、最小高度20mm。
在图1中，在基于工业PC机以及运动控制器的运动控制单元9集成控制下，激光器1采用可控硅电子光闸技术，激光器1发出的高功率激光束2经过导光光路三次反射并且聚焦，经粉末喷嘴6的出口处，将熔化的金属粉末熔覆到基体上，U轴7带动成形零件做回转运动，同时Y轴4、Z轴5完成轴向和径向进给运动，即可完成成形运动的全部过程。
在图2中，聚焦激光束经过二次反射镜12和三次反射镜15的反射，从激光输出口14输出，照射在作为加工零件的基体上形成熔池；安装在固定筒10上的步进电机17通过同步带11将旋转扭矩传递给旋转筒16，形成V轴(旋转筒16的回转中心线即为V轴)，从而带动喷嘴机构13实现其旋转摆动；金属粉末经过粉末喷射口13汇聚喷出，喷入熔池内，在激光的照射下实现熔覆。
如图3所示，回转体表面激光快速成形实施例中，回转基体18装夹在U轴7上并且调整好回转中心，作为回转转台的U轴7在伺服电机的驱动下做连续回转运动；步进电机17带动V轴旋转，将粉末喷嘴转至水平喷射位置并且固定不动；摆动式同轴送粉机构6在Z轴的伺服电机的驱动下做轴向进给运动，并与U轴7的运动合成螺旋进给方式；摆动式同轴送粉机构6在Y轴的伺服电机的驱动下做间歇径向进给运动，实现熔覆层的递增。回转扫描熔覆路径规划执行分层切片数据处理程序，回转扫描熔覆路径通过运动控制程序实现。
本发明回转体表面激光快速成形系统主要技术参数指标：
可成形的回转体零件最大尺寸：Φ1000×500；
系统外型尺寸：4500×2000×1800；
系统自重：4000kg；
成形速度：0.05～50mm/s；
聚焦激光光斑直径：0.5～5mm。
Claims (10)
1.一种回转体表面激光快速成形方法，其特征在于：以回转面分层切片、回转扫描路径填充方法形成系统加工路径的数据依据；采用高功率聚焦激光束为能量源，进行激光熔覆成形；利用摆动式同轴送粉，实现粉末在垂直和水平方向任意角度送给；并使用金属粉末在运动控制单元的自动控制下、在直线与回转三轴联动的执行机构上，完成扫描填充成形过程，从而直接、自动、快速地制备成形全密度金属功能零件。
2.按权利要求1所述回转体表面激光快速成形方法，其特征在于：所述回转分层切片方法是指：在回转体零件的CAD建模时，以一定直径的回转体为基体，在基体上设计出零件的形状特征，将该CAD模型离散，将离散数据以STL格式保存；将一系列同心圆柱曲面作为STL文件的分层曲面，再进行分层切片数据处理，得到相应各层同心圆柱曲面上的轮廓形状。
3.按权利要求1所述回转体表面激光快速成形方法，其特征在于：所述回转扫描路径填充方法是以回转扫描形式对圆柱曲面上的轮廓形状进行扫描路径填充处理，将得到的扫描路径数据保存为CLI格式的文件，作为系统加工路径的数据依据。
4.按权利要求1所述回转体表面激光快速成形方法，其特征在于：所述高功率聚焦激光束选自横流、多模、针板式3KW CO2激光器，激光输出功率不稳定度小于±2％，电子光闸反应速度小于50ms。
5.按权利要求1～4之一所述回转体表面激光快速成形方法，其特征在于：采用高功率聚焦激光束为能量源的情况下，可以通过计算机进行激光开关的反应迅速的自动控制，进行激光熔覆成形。
6.一种按权利要求1所述回转体表面激光快速成形方法所用系统，其特征在于：由激光光源(1)，运动执行机构，摆动式同轴送粉机构，存有分层切片数据处理程序及运动控制程序的运动控制单元(9)组成，其中激光光源(1)输出激光束(2)经运动执行机构、摆动式同轴送粉机构的光路至基体表面，运动执行机构末端与摆动式同轴送粉机构相连接，运动控制单元(9)一方面与激光光源(1)电连接，控制激光开关；另一方面分别与运动执行机构中的各轴电机电连接，按分层切片数据处理程序及运动控制程序指令控制各轴运动。
7.按权利要求6所述回转体表面激光快速成形方法所用系统，其特征在于：运动执行机构包括：
机座(8)，为L型结构；
U轴(7)，作为回转转台，其上置有回转基体(18)，安装在机座(8)水平方向上，用于带动安装在其上的成形零件做旋转运动；
Z轴(5)，位于U轴(7)上方，下端与摆动粉末喷嘴机构(6)安装在一起，上端安装有Z轴伺服电机(3)，用于带动摆动式同轴送粉机构进行轴向进给运动；
Y轴(4)位于垂直方向的机座(8)上，通过导轨与Z轴(5)垂直安装在一起，用于带动摆动式同轴送粉机构进行径向进给运动；
Z轴(5)和Y轴(4)内设与激光光源(1)光路相通的通道。
8.按权利要求7所述回转体表面激光快速成形方法所用系统，其特征在于：其中Y轴(4)、U轴(7)的伺服电机分别位于机座(8)内。
9.按权利要求6所述回转体表面激光快速成形方法所用系统，其特征在于：运动控制单元(9)，由由插入工业控制计算机中的运动控制器和I/O控制器组成，工业控制计算机中存有分层切片数据处理程序及运动控制程序，驱动Y轴(4)，Z轴(5)，U轴(7)，V轴。
10.按权利要求6所述回转体表面激光快速成形方法所用系统，其特征在于：所述摆动式同轴送粉机构由固定筒(10)，同步带(11)，粉末喷射口(13)，激光输出口(14)，旋转筒(16)，步进电机(17)组成，旋转筒(16)、步进电机(17)安装在固定筒(10)上，步进电机(17)通过同步带(11)与在垂直方向安装有粉末喷射口(13)的旋转筒(16)连接，使旋转筒(16)可带动粉末喷射口(13)在水平面与垂直面间实现90°角摆动，用于传递旋转扭矩；激光输出口(14)位于旋转筒(16)的激光光路上，激光输出口(14)设于喷射口(13)内部；激光输出口(14)经旋转筒(16)、固定筒(10)与运动执行机构中的光路相通。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090701 |