CN107686989A - 一种用于激光制造的电磁场调控装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于激光制造的电磁场调控装置，包括用于熔覆工件的激光熔覆部、用于固定工件且可调节工件位置的支架部、用于给工件提供磁场的磁场部、用于给工件提供电场的电场部以及工控机，且所述激光部、支架部、磁场部和电场部均与工控机相连。本发明适用于激光制造的电磁场调控环节，能够测量并控制磁场的强度分布，实现激光制造过程中离焦量的实时控制，达到激光增材制造过程中电磁场的精确调控的目的，进而实现对熔覆层熔池行为的控制，可有效改善增材制造零部件力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于激光制造的电磁场调控装置。
背景技术
在激光制造过程中，加入电磁复合场的调控手段，能通过控制洛伦兹力的大小、方向和频率，有效改善传统调控工艺的调控效果，实现对熔池的控制，减少凝固组织内部出现气孔、裂纹等缺陷，从而实现增材制造零部件的力学性能的提升。
申请号为201310755461.5中国专利公开了一种静态磁场—激光同轴复合熔覆方法及装置，通过一种可随着激光束同轴同步移动的磁场发生装置，从而抑制熔池流动、飞溅现象，并调控熔覆层凝固组织。
申请号为201410250675.1中国专利公开了一种旋转电磁场辅助激光打孔的装置，通过调节合适的励磁电流、电板间电压和电流—电压变化频率，使旋转电磁场生成装置产生一定强度和频率的电磁场，从而调控凝固层组织和性能的趋向性。
申请号为201610081496.9中国专利申请公开了一种电磁场辅助激光增材制造的装置，通过高频磁场细晶强化、通过静电场加速粉末沉积速度。
但是，以上专利所公开的单一磁场或者电磁场辅助的激光制造装置，都无法测得工件所处磁场的强度分布，以获得强度、方向可控的磁场。此外，激光制造逐层堆积时，单壁墙高度的提升会导致离焦量的偏移，所以需要实时自动对焦。
发明内容
为克服背景技术中存在的缺陷，本发明提供一种用于激光制造的电磁场调控装置，可实现激光调焦和电磁复合场调控功能，进而实现对熔池行为的控制，以改善增材制造工件力学性能。
本发明解决上述问题的技术方案是：
一种用于激光制造的电磁场调控装置，包括用于熔覆工件的激光熔覆部、用于固定工件且可调节工件位置的支架部、用于给工件提供磁场的磁场部、用于给工件提供电场的电场部以及工控机，且所述激光部、支架部、磁场部和电场部均与工控机相连；
所述激光熔覆部包括激光器和送粉器，激光器连接有垂直向下的激光头，送粉器连接有垂直向下的送粉头，且送粉头设置在激光头上；激光头位于工件的正上方，且激光头上设有用于探测激光头与工件沿z轴方向的距离的位置传感器，且所述位置传感器与工控机相连；
所述支架部设置在激光熔覆部的下方，所述支架部包括两个分别从两端夹持住工件且可驱动工件沿y轴方向移动、沿z轴方向移动或转动的工作台，且两个工作台沿着y轴方向相对设置；
所述工作台包括用于夹持工件的夹具，所述夹具设有用于容纳工件的端头的通槽，且所述通槽沿着y轴方向延伸；通槽的槽壁设有用于将工件抵紧在通槽内的夹紧螺栓，所述夹紧螺栓的内端贯穿通槽的槽壁并沿着x轴方向延伸至通槽内，夹紧螺栓外端的头部外露于所述夹具，以便于手动调节；
所述夹具可转动且可定位地设置在固定座上，固定座上设有沿y轴方向延伸的转轴，夹具沿x轴方向的外侧可转动地设置在所述转轴上，且夹具沿x轴方向的内侧上设有若干个第一卡位孔，所述固定座上设有用于与第一卡位孔对准并贯通的第二卡位孔，所述第二卡位孔位于第一卡位孔的运动轨迹上；还包括用于插入相贯通的第一卡位孔和第二卡位孔内以将夹具固定在固定座上的插销；
所述工作台还包括驱动工件沿z轴方向竖直移动的第一线性模组，所述第一线性模组包括沿着z轴方向延伸的第一底座，所述第一底座的两端设有沿y轴方向延伸的第一侧壁，第一丝杆的两端可转动地设置在第一侧壁上，且所述第一丝杆沿z轴方向延伸；第一丝杠的一端贯穿第一侧壁并与第一电机的输出轴同轴相连；所述第一丝杠上设有第一滑块，第一滑块与第一丝杠相啮合，且固定座固定在第一滑块沿y轴方向的一侧上；所述第一电机与工控机相连；
所述工作台还包括驱动工件沿y轴方向水平移动的第二线性模组，所述第二线性模组包括沿着y轴方向延伸的第二底座，所述第二底座的两端设有沿z轴方向延伸的第二侧壁，第二丝杆的两端可转动地设置在第二侧壁上，且所述第二丝杆沿y轴方向延伸；所述第二丝杠的一端贯穿所述第二侧壁并与第二电机的输出轴同轴相连，所述第二丝杠上设有第二滑块，第二滑块与第二丝杠相啮合，且第一底座沿z轴方向的底端固定在第二滑块沿z轴方向的顶面上；所述第二电机与工控机相连；
所述磁场部包括沿着x轴方向相对设置的两个电磁铁，所述电磁铁包括沿x轴方向延伸的铁芯，所述铁芯可转动地贯穿轴承，并通过所述轴承固定在外壳上；所述铁芯外缠绕有线圈，所述线圈与工控机相连；两个铁芯相对的一端均设有磁极头，两磁极头相对准，且两磁极头之间具有容纳工件的空隙；所述铁芯内部中空，且所述铁芯的内壁上设有内螺纹；手柄的杆部沿x轴方向延伸至铁芯内，且手柄的杆部设有外螺纹，所述手柄的杆部与所述铁芯通过外螺纹和内螺纹的配合相啮合；驱动手柄转动的手柄头部外露于外壳，以便于手动调节；
所述磁场部还包括用于测量磁场强度的线性霍尔传感器，所述线性霍尔传感器与工控机相连；
所述电场部包括电场电源，电场电源的两端分别通过导线与用于夹住工件两端的夹持器连接，且夹持器导电；所述导线上还连接有测量电场强度的直流霍尔电流传感器，所述直流霍尔电流传感器与工控机相连。
进一步，所述第一滑块上穿设有用于平衡稳定第一滑块的两个第一光杆，第一滑块可滑动地设置在第一光杆上，且第一光杆分别位于第一丝杠的两侧，且第一光杆均沿z轴方向延伸，且第一光杆的两端分别固定在第一侧壁上。
进一步，所述第二滑块上穿设有用于平衡稳定第二滑块的两个第二光杆，第二滑块可滑动地设置在第二光杆上，且第二光杆分别位于第二丝杠的两侧，且第二光杆均沿y轴方向延伸，且第二光杆的两端分别固定在第二侧壁上。
进一步，所述第一丝杆通过第一联轴器与第一电机相连。
进一步，所述第二丝杆通过第二联轴器与第二电机相连。
本发明的有益效果主要表现在：
本发明适用于激光制造的电磁场调控环节，能够测量并控制磁场的强度分布，实现激光制造过程中离焦量的实时控制，达到激光增材制造过程中电磁场的精确调控的目的，进而实现对熔覆层熔池行为的控制，可有效改善增材制造零部件力学性能。
附图说明
图1是本发明的轴测图。
图2是本发明的正视图。
图3是电磁铁结构示意图。
图4是工作台结构示意图。
图5是夹具与固定座的结构示意图。
图6是本发明的原理框图。
具体实施方式
参照附图，一种用于激光制造的电磁场调控装置，包括用于熔覆工件的激光熔覆部2、用于固定工件1且可调节工件位置的支架部3、用于给工件1提供磁场的磁场部、用于给工件提供电场的电场部以及工控机，且所述激光部2、支架部3、磁场部和电场部均与工控机相连；
所述激光熔覆部包括激光器和送粉器，激光器连接有垂直向下的激光头21，送粉器连接有垂直向下的送粉头，且送粉头设置在激光头上；激光头21固定设在工件1的正上方，且激光头21上设有用于探测激光头21与工件1沿z轴方向的距离的位置传感器22，且所述位置传感器22与工控机相连；
所述支架部3设置在激光熔覆部2的下方，所述支架部3包括两个分别从两端夹持住工件且可驱动工件沿y轴方向移动、沿z轴方向移动或转动的工作台，且两个工作台沿着y轴方向相对设置；
所述工作台包括用于夹持工件的夹具301，所述夹具301设有用于容纳工件1的端头的通槽3011，且所述通槽3011沿着y轴方向延伸；通槽3011的槽壁设有用于将工件1抵紧在通槽3011内的夹紧螺栓302，所述夹紧螺栓302的内端贯穿通槽3011的槽壁并沿着x轴方向延伸至通槽3011内，夹紧螺栓302外端的头部外露于所述夹具301，以便于手动调节；
所述夹具301可转动且可定位地设置在固定座303上，固定座303上设有沿y轴方向延伸的转轴，夹具301沿x轴方向的外侧可转动地设置在所述转轴上，且夹具301沿x轴方向的内侧上设有若干个第一卡位孔，所述固定座303上设有用于与第一卡位孔对准并贯通的第二卡位孔，所述第二卡位孔位于第一卡位孔的运动轨迹上；还包括用于插入相贯通的第一卡位孔和第二卡位孔内以将夹具301固定在固定座303上的插销；
所述工作台还包括驱动工件1沿z轴方向竖直移动的第一线性模组，所述第一线性模组包括沿着z轴方向延伸的第一底座308，所述第一底座308的两端设有沿y轴方向延伸的第一侧壁，第一丝杆304的两端可转动地设置在第一侧壁上，且所述第一丝杆304沿z轴方向延伸；第一丝杠304的一端贯穿第一侧壁并与第一电机305的输出轴同轴相连；所述第一丝杠304上设有第一滑块307，第一滑块307与第一丝杠304相啮合，且固定座303固定在第一滑块307沿y轴方向的一侧上，以间接带动工件1沿着z轴方向移动；所述第一电机305与工控机相连；
所述工作台还包括驱动工件1沿y轴方向水平移动的第二线性模组，所述第二线性模组包括沿着y轴方向延伸的第二底座310，所述第二底座310的两端设有沿z轴方向延伸的第二侧壁，第二丝杆313的两端可转动地设置在第二侧壁上，且所述第二丝杆313沿y轴方向延伸；所述第二丝杠313的一端贯穿所述第二侧壁并与第二电机315的输出轴同轴相连，所述第二丝杠313上设有第二滑块311，第二滑块311与第二丝杠313相啮合，且第一底座308沿z轴方向的底端固定在第二滑块311沿z轴方向的顶面上；所述第二电机315与工控机相连；
所述磁场部包括沿着x轴方向相对设置的两个电磁铁4，所述电磁铁4包括沿x轴方向延伸的铁芯43，所述铁芯43可转动地贯穿轴承44，并通过所述轴承44固定在外壳46上；所述铁芯43外缠绕有线圈，所述线圈与工控机相连；两个铁芯43相对的一端均设有磁极头41，两磁极头41相对准，且两磁极头41之间具有容纳工件1的空隙；所述铁芯43内部中空，且所述铁芯43的内壁上设有内螺纹；手柄45的杆部沿x轴方向延伸至铁芯43内，且手柄45的杆部设有外螺纹，所述手柄45的杆部与所述铁芯43通过外螺纹和内螺纹的配合相啮合；驱动手柄45转动的手柄头部外露于外壳46，以便于手动调节；
所述磁场部还包括用于测量磁场强度的线性霍尔传感器，所述线性霍尔传感器与工控机相连；
所述电场部包括电场电源，电场电源的两端分别通过导线与用于夹住工件1两端的夹持器连接，且夹持器导电；所述导线上还连接有用于测量电场强度的直流霍尔电流传感器，所述直流霍尔电流传感器与工控机相连。
所述第一滑块307上穿设有用于平衡稳定第一滑块307的两个第一光杆309，第一滑块307可滑动地设置在第一光杆309上，且第一光杆309分别位于第一丝杠304的两侧，第一光杆309均沿z轴方向延伸，且第一光杆309的两端分别固定在第一侧壁上。
所述第二滑块311上穿设有用于平衡稳定第二滑块311的两个第二光杆312，第二滑块311可滑动地设置在第二光杆312上，且第二光杆312分别位于第二丝杠313的两侧，第二光杆312均沿y轴方向延伸，且第二光杆312的两端分别固定在第二侧壁上。
所述第一丝杆304通过第一联轴器306与第一电机305相连。
所述第二丝杆303通过第二联轴器314与第二电机315相连。
线性霍尔传感器测量工件1所处的磁场，反馈给工控机。位置传感器22可以是接近传感器、超声波传感器或者电容传感器，安装在激光头21上，以测量工件1与激光头21之间的距离，并反馈给工控机，从而实时地反馈离焦量。直流霍尔电流传感器用来测量工件1两端的电流大小，并反馈给工控机。
所述工控机处理直流霍尔传感器反馈的数据，并控制电场电源输出电流给工件1两端的夹持器，以精确控制通过工件1的电流值。所述工控机根据线性霍尔传感器反馈的磁场分布，控制电磁铁4调整静磁场或者交变磁场输出的大小、方向或者频率，以达到理想的磁场强度分布，同时控制第二电机315转动，推动第二滑块311水平移动(沿着y轴方向)，以调节工件1在磁场中的相对位置；所述工控机根据位置传感器22反馈的信号控制第一电机305转动，以推动第一滑块307沿竖直方向(沿z轴方向)运动，以调节工件1在实际加工过程中的离焦量。
本发明的工作原理在于：
在试验开始时，先将线性霍尔传感器固定在夹具301上，并转动手柄42，以调整两个磁极头41之间的距离。工控机控制电磁铁4输出目标静磁场或交变磁场，并同时驱动第一电机305和第二电机305转动，以推动夹具301在沿y轴方向和z轴方向运动，从而测得磁场的强度分布情况。工控机根据线性霍尔传感器测得的数据，调整电磁铁4输出磁场的大小、方向和频率。磁场调整完成后，工控机关闭电磁铁4的磁场输出，并从夹具301上取下线性霍尔传感器。
接着，将工件1固定在两夹具303之间，工控机驱动第二电机315转动，且使工件1的中心位于激光头21的正下方。将两个夹持器分别夹住工件1的两端。控制器根据位置传感器22反馈的信号，驱动第一电机305转动，以完成离焦量的调整。手动转动夹具301，以调整夹具301与固定座303之间的角度，当工件1转动到所需角度时，用插销26固定偏转角。
随后，工控机通过导线输出电流到夹持器，使得电流通过工件1，且直流霍尔电流传感器检测电流并反馈给工控机，形成电流的闭环控制系统。
最后，工控机控制电磁铁4再次输出磁场，使工件1同时受电场和磁场作用。再开启激光头21进行加工，同时位置传感器22实时监测工件1的实际高度并反馈给工控机，工控机根据位置传感器22反馈的数据，驱动第一电机305，使工件1保持固定的离焦量。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (5)
1.一种用于激光制造的电磁场调控装置，其特征在于：包括用于熔覆工件的激光熔覆部、用于固定工件且可调节工件位置的支架部、用于给工件提供磁场的磁场部、用于给工件提供电场的电场部以及工控机，且所述激光部、支架部、磁场部和电场部均与工控机相连；
所述激光熔覆部包括激光器和送粉器，激光器连接有垂直向下的激光头，送粉器连接有垂直向下的送粉头，且送粉头设置在激光头上；激光头位于工件的正上方，且激光头上设有用于探测激光头与工件沿z轴方向的距离的位置传感器，且所述位置传感器与工控机相连；
所述支架部设置在激光熔覆部的下方，所述支架部包括两个分别从两端夹持住工件且可驱动工件沿y轴方向移动、沿z轴方向移动或转动的工作台，且两个工作台沿着y轴方向相对设置；
所述工作台包括用于夹持工件的夹具，所述夹具设有用于容纳工件的端头的通槽，且所述通槽沿着y轴方向延伸；通槽的槽壁设有用于将工件抵紧在通槽内的夹紧螺栓，所述夹紧螺栓的内端贯穿通槽的槽壁并沿着x轴方向延伸至通槽内，夹紧螺栓外端的头部外露于所述夹具，以便于手动调节；
所述夹具可转动且可定位地设置在固定座上，固定座上设有沿y轴方向延伸的转轴，夹具沿x轴方向的外侧可转动地设置在所述转轴上，且夹具沿x轴方向的内侧上设有若干个第一卡位孔，所述固定座上设有用于与第一卡位孔对准并贯通的第二卡位孔，所述第二卡位孔位于第一卡位孔的运动轨迹上；还包括用于插入相贯通的第一卡位孔和第二卡位孔内以将夹具固定在固定座上的插销；
所述工作台还包括驱动工件沿z轴方向竖直移动的第一线性模组，所述第一线性模组包括沿着z轴方向延伸的第一底座，所述第一底座的两端设有沿y轴方向延伸的第一侧壁，第一丝杆的两端可转动地设置在第一侧壁上，且所述第一丝杆沿z轴方向延伸；第一丝杠的一端贯穿第一侧壁并与第一电机的输出轴同轴相连；所述第一丝杠上设有第一滑块，第一滑块与第一丝杠相啮合，且固定座固定在第一滑块沿y轴方向的一侧上；所述第一电机与工控机相连；
所述工作台还包括驱动工件沿y轴方向水平移动的第二线性模组，所述第二线性模组包括沿着y轴方向延伸的第二底座，所述第二底座的两端设有沿z轴方向延伸的第二侧壁，第二丝杆的两端可转动地设置在第二侧壁上，且所述第二丝杆沿y轴方向延伸；所述第二丝杠的一端贯穿所述第二侧壁并与第二电机的输出轴同轴相连，所述第二丝杠上设有第二滑块，第二滑块与第二丝杠相啮合，且第一底座沿z轴方向的底端固定在第二滑块沿z轴方向的顶面上；所述第二电机与工控机相连；
所述磁场部包括沿着x轴方向相对设置的两个电磁铁，所述电磁铁包括沿x轴方向延伸的铁芯，所述铁芯可转动地贯穿轴承，并通过所述轴承固定在外壳上；所述铁芯外缠绕有线圈，所述线圈与工控机相连；两个铁芯相对的一端均设有磁极头，两磁极头相对准，且两磁极头之间具有容纳工件的空隙；所述铁芯内部中空，且所述铁芯的内壁上设有内螺纹；手柄的杆部沿x轴方向延伸至铁芯内，且手柄的杆部设有外螺纹，所述手柄的杆部与所述铁芯通过外螺纹和内螺纹的配合相啮合；驱动手柄转动的手柄头部外露于外壳，以便于手动调节；
所述磁场部还包括用于测量磁场强度的线性霍尔传感器，所述线性霍尔传感器与工控机相连；
所述电场部包括电场电源，电场电源的两端分别通过导线与用于夹住工件两端的夹持器连接，且夹持器导电；所述导线上还连接有测量电场强度的直流霍尔电流传感器，所述直流霍尔电流传感器与工控机相连。
2.如权利要求1所述的一种用于激光制造的电磁场调控装置，其特征在于：所述第一滑块上穿设有用于平衡稳定第一滑块的两个第一光杆，第一滑块可滑动地设置在第一光杆上，且第一光杆分别位于第一丝杠的两侧，且第一光杆均沿z轴方向延伸，且第一光杆的两端分别固定在第一侧壁上。
3.如权利要求2所述的一种用于激光制造的电磁场调控装置，其特征在于：所述第二滑块上穿设有用于平衡稳定第二滑块的两个第二光杆，第二滑块可滑动地设置在第二光杆上，且第二光杆分别位于第二丝杠的两侧，且第二光杆均沿y轴方向延伸，且第二光杆的两端分别固定在第二侧壁上。
4.如权利要求3所述的一种用于激光制造的电磁场调控装置，其特征在于：所述第一丝杆通过第一联轴器与第一电机相连。
5.如权利要求4所述的一种用于激光制造的电磁场调控装置，其特征在于：所述第二丝杆通过第二联轴器与第二电机相连。
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