CN108441858B - 零件加工中基于激光熔覆技术的变参数路径扫描算法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种零件加工中基于激光熔覆技术的变参数路径扫描方法，涉及激光熔覆成形技术领域。包括以下步骤:在加工路径选取分割点并将其编号；根据设备的加工能力确定曲率阈值，针对不同的曲率范围采用相应的扫描速度和送粉量；计算分割点的曲率，并与曲率阈值比较，记录高于曲率阈值的点；将相邻记录点编为一组，将每一组两个端点或将两个端点向外额外取一点作为低速扫描路径的起点和终点；对于不同的扫描路径采用相应的扫描速度和送粉量进行加工；完成加工。本发明提供的基于激光熔覆技术，根据设备的加工能力以及扫描路径的规划情况，通过改变工艺参数(主要是扫描速度和送粉量)，以达到同时保证加工质量和加工效率的目的。

Description

零件加工中基于激光熔覆技术的变参数路径扫描算法
技术领域
本发明涉及激光熔覆成形技术领域，具体涉及一种零件加工中基于激光熔覆技术的变参数路径扫描方法。
背景技术
增材制造技术(Additive Manufacturing,简称AM)在20世纪80年代末由美国麻省理工学院的Emanual Sachs等人提出并研制，由于其自下而上的制造特点，在具有复杂外形和结构的零件加工中相较于传统的减材加工而具有明显优势。激光熔覆技术(LaserCladding)作为增材制造技术中发展时间较长，技术较为成熟的制造方式，在表面改性、表面修复和快速原型制造等领域均得到了相当程度的应用，尤其在薄壁件制造中，具有较大的优势。虽然激光熔覆技术具有效率高，加工环境适应性强等优势，但是由于加工时材料需要经过固体熔化成液体再重新凝固成固体的相变过程，因而对加工的精度会产生一定的影响。如何在保证激光熔覆加工技术的效率的前提下提高其加工精度，尤其是薄壁件加工中复杂曲面的成形精度，就成为了激光熔覆技术中亟待解决的问题。
在激光熔覆技术中，主要的工艺参数有激光功率、扫描速度、激光直径、送粉量、离焦率和扫描方式等，这些参数会以不同的方式影响加工质量，例如送粉量的提升会提高熔覆层的高度，激光直径的增加会提高熔覆层的宽度。
目前，在激光熔覆制造中，针对复杂曲线路经的扫描主要采用变扫描速度的方法。这种方法主要是考虑到扫描路径为复杂的曲线时，受限于设备的加工能力，当扫描速度过大的时候，会导致形状失真，而当全程采用较小的扫描速度的时候，会导致加工效率的降低。因此针对路径较为复杂，曲率较大的部分降低扫描速度，保证激光走位的准确以提高成形精度；对于路径简单，曲率较小的部分加快扫描速度以提高成形效率。但是该种方法仅引入扫描速度一个工艺参数，无法保证加工质量的稳定。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种可以同时兼顾加工质量和加工效率的加工方法。在路径较为简单的部分保持较高的扫描速度以保证加工效率；在路径较为复杂曲率较大的部分降低扫描速度以提高加工精度，同时适当降低送粉量以保持加工质量。
为了实现上述的发明目的，本发明提供了一种零件加工中零件加工中基于激光熔覆技术的变参数路径的扫描方法，包括以下步骤：
(1)在加工扫描路径上等间距地选取一定量的分割点，并将分割点编号；
(2)根据设备的加工能力确定曲率阈值，通过遗传算法确定扫描速度与送粉量对加工质量的影响，针对不同的曲率范围采用相对应的扫描速度和送粉量；
(3)计算各个分割点的曲率，并将其分别与曲率阈值比较，记录下高于曲率阈值的点；
(4)如果存在独立的记录点，既记录点的前后均无高于曲率阈值的分割点，则移出该点，如果存在独立的非记录点，既非记录点的前后均高于曲率阈值，则将该点添加至记录点内；
(5)将全部相邻的记录点编为一组，将每一组的两个端点或将两个端点向外分别额外取一个点作为低速扫描路径起点和终点；
(6)对于正常扫描路径，采用正常的工艺参数进行加工，对于低速扫描路径段，采用步骤 (2)中确定的扫描速度和送粉量进行加工；
(7)完成加工。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的基于激光熔覆技术，根据设备的加工能力以及扫描路径的规划情况，通过改变工艺参数(主要是扫描速度和送粉量)，以达到同时保证加工质量和加工效率的目的。具体而言，本发明具有以下优点：
(1)在复杂路径处通过降低扫描速度，可以保证激光头走位精准；
(2)当降低扫描速度时，相应地调整送粉量适应变化的扫描速度，可以保证加工质量的稳定；
(3)在简单路径处采用正常的工艺参数，保证加工效率不会有明显下降。
附图说明
图1是本发明实施例提供的变参数路径扫描方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的扫描路径示意图；
图3是图2中扫描路径上的分割点的示意图；
图4是本发明实施例提供的基于遗传算法的参数变化相关示意图；
图5是本发明实施例提供的记录点示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。在此需要特别提到的是，对于下文的实施方式用于帮助理解本发明，但不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明的各个实施方式中所涉及的技术特征，只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的变参数路径扫描方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
(1)在加工路径上等间距地选取一定量的分割点，并将分割点编号(1～n)；
具体的间距需要依照实际路径情况选择，一般路径较长、复杂程度较低的，采用较大间距，提高方法的计算效率，路径较短、复杂程度较高的，采用较小间距，保证计算精度。
(2)根据设备的加工能力确定曲率阈值，通过遗传算法确定扫描速度与送粉量对加工质量的影响，针对不同的曲率范围采用相应的扫描速度和送粉量；
具体设备的加工能力各有不同，应通过实验验证实际设备在不同的曲率半径下的加工能力。
(3)计算各个分割点的曲率，并将其分别与曲率阈值比较，记录下高于曲率阈值的点。
(4)如果存在独立的记录点，既记录点的前后均无高于曲率阈值的分割点，则应当移除该点，如果存在独立的非记录点，既非记录点的前后均高于曲率阈值，则应当将该点添加至记录点内；
对于记录点的移除与添加，主要考虑到在加工中频繁地改变参数会对加工效果产生影响，而且在短距离、短时间内的改变无法有效地改善加工效果，因此对于无意义地参数变化应当尽量避免。
(5)将全部相邻的记录点编为一组，将每一组的两个端点或将两个端点向外分别额外取一个点作为低速扫描路径的起点和终点；
为了保证对于复杂路径的加工精度，应当提前降低扫描速度和延后恢复正常扫描速度，因此应当在开端和末端额外选取两个点作为实际加工中参数变化的起始点和终结点。
(6)对于正常扫描路径段，采用正常的工艺参数进行加工，对于低速扫描路径段，采用步骤(2)中确定的扫描速度和送粉量进行加工；
(7)完成该层加工。
实施例1：
一种零件加工中基于激光熔覆技术的变参数路径扫描方法，对于图2所示的激光扫描路径，该曲率存在较大变化，其加工扫描路径方法如下所示，
(1)将加工路径等间距地分割为一定的点，并将其按顺序编号，分割、编号结果如图3 所示。本实施例中间距采用10mm，主要考虑到曲率变化频率不高，在加工过程中只产生两次变化，且变化的路段较长，10mm的间隔不会造成路径分割的遗失，也可以减小方法的运算量。根据实际地加工情况，可以选择不同的间隔。
(2)根据设备的加工能力确定曲率阈值，通过遗传方法确定扫描速度与送粉量对加工质量的影响，针对不同的曲率范围采用相应的扫描速度和送粉量；
在本实施例中，半径为50mm段认为其曲率较小，半径为30mm段认为其曲率较大。
在本实施例中，正常的加工状态为激光功率390W，扫描速度6mm/s，送粉量0.5r/min。以1/40 的曲率作为曲率阈值，高于此曲率的路径需要降低速度至3mm/s完成扫描，低于此曲率的路径按6mm/s进行扫描。
由于激光功率的变化容易引起熔覆宽度的变化，且难以准确稳定地控制，因此在本实施例中，主要采用变送粉量的方法。
如图4所示，由遗传算法确定的加工参数之间的变化相关示意图，可以确定当扫描速度由6mm/s降低至3mm/s时，送粉量应当降低至0.3r/min，可以保持加工高度稳定。
(3)计算各个分割点的曲率，并将其分别与曲率阈值比较，记录下高于曲率阈值的点；在本例中，高于曲率阈值的点为17～24号。
(4)如果存在独立的记录点，既记录点的前后均无高于曲率阈值的分割点，则应当移除该点，如果存在独立的非记录点，既非记录点的前后均高于曲率阈值，则应当将该点添加至记录点内；
在本例中不存在独立的记录点与非记录点，则无需进行此步骤。
(5)将全部相邻的记录点编为一组，将每一组的两个端点或将两个端点向外分别额外取一个点作为低速扫描路径的起点和终点；
为了保证对于复杂路径的加工精度，应当提前降低扫描速度和延后恢复正常扫描速度，因此应当在开端和末端额外选取两个点作为实际加工中参数变化的起始点和终结点。
如图5所示，在本实施例中，选取16号点作为低速扫描起点，25号作为低速扫描终点。
(6)在加工中，对于正常扫描路径段，采用正常的工艺参数进行加工，对于低速扫描路径段，采用步骤(2)中确定的扫描速度和送粉量进行加工；
在本例中1～16号点与25～37号点之间的路径段的工艺参数为激光功率390W、扫描速度 6mm/s、送粉量0.5r/min，16～25号点之间的路径段的工艺参数为激光功率390W、扫描速度 3mm/s、送粉量0.3r/min。
(7)完成加工。
以上内容是结合具体的实例对本发明所做的进一步详细说明，不能认为本发明的具体实施只局限于该说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，以本发明为基础进行进一步的拓展与适应性改变，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (1)

1.一种零件加工中基于激光熔覆技术的变参数路径扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在加工扫描路径上等间距地选取一定量的分割点，并将分割点编号；
(2)根据设备的加工能力确定曲率阈值，通过遗传算法确定扫描速度与送粉量对加工质量的影响，针对不同的曲率范围采用相对应的扫描速度和送粉量；
(3)计算各个分割点的曲率，并将其分别与曲率阈值比较，记录下高于曲率阈值的点；
(4)如果存在独立的记录点，即 记录点的前后均无高于曲率阈值的分割点，则移出该点，如果存在独立的非记录点，即 非记录点的前后均高于曲率阈值，则将该点添加至记录点内；
(5)将全部相邻的记录点编为一组，将每一组的两个端点或将两个端点向外分别额外取一个点作为低速扫描路径起点和终点；
(6)对于正常扫描路径，采用正常的工艺参数进行加工，对于低速扫描路径段，采用步骤(2)中确定的扫描速度和送粉量进行加工；
(7)完成加工。
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