CN108637251A - 用于增材制造的触觉监测与反馈补偿层高控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于增材制造的触觉监测与反馈补偿层高控制系统及方法。本发明的技术方案不仅降低工艺实验难度，同时提高了增减材制造过程中的加工精度和测量精度，该系统包括数控机床、激光熔覆头、触觉三维测头、触觉测量探头标定标准球、铣削加工刀具以及基板；基板、触觉测量探头标定标准球均安装在数控机床的工作平面上；触觉三维测头有两种集成方式：①在数控机床主轴上，实现铣削刀具、激光熔覆头、触觉三维测头的自动转换；②在数控机床主轴端，铣削刀具或激光熔覆头与触觉三维测头并列布置。该方法步骤为：1、触觉三维测头的原始校准测量；2、计算触觉三维测头的扫描速度V和采样密度T；3、层高补偿打印。

Description

用于增材制造的触觉监测与反馈补偿层高控制系统及方法

技术领域

本发明属于增材制造加工技术研究领域，具体涉及一种用于增材制造的触觉监测与反馈补偿层高控制系统及方法。

背景技术

目前增材制造技术在机械加工行业已有所应用，但仅依靠增材制造工艺打印工件，其表面质量和尺寸精度一般较差，因此将增材制造和铣削加工结合的增减材混合加工成为了行业内的研究热点。然而，在增减材交叉切换过程中，工件打印层高是否符合要求，什么情况下继续进行增材打印，什么情况下调用铣削刀具进行尺寸修正，以及补偿量的多少等情况还没有明确的解决方式。

1、中国专利CN204224703U公开了一种用于激光熔覆的三维测量装置，在可移动工作平台上方有激光熔覆机构和激光铣削机构以及轮廓测量仪，分散布置，通过检测工件三维形貌信息，实现工件的在线整形。但是该专利公开的技术存在以下缺陷：激光铣削价格昂贵，激光熔覆和激光铣削分开布置造成工作效率降低；且未考虑被打印工件的温度，激光熔覆瞬间，熔池温度高达上千摄氏度，对被打印工件产生不容忽视的热变形。对于采用接触式测量的轮廓仪可能因为工件表面温度变化，引起被测工件表面热变形，使所测数据误差较大；对于采用非接触式测量的轮廓仪，由于工件仍处于高温状态，热辐射对非接触测量干扰现象较严重，造成测量误差增大。

2、中国专利CN106216678A公开了一种激光成形均匀变高零件的方法，主要针对均匀变高零件的“台阶效应”通过不断调整下一层熔覆层的扫描速度实现闭环控制过程。其中细分多段需要进行多次扫描速度调整，过程比较繁琐。其中熔覆层的实际堆高和理想堆高差值的计算公式中应用到了优化C矩阵，这个优化C矩阵需要通过模糊控制或者神经网络的方法训练得出，当训练数据不足时，优化C矩阵可信度较低；当训练数据较多时，又引起大量的实验工作。

3、中国专利CN104807410A公开了一种激光熔覆快速成形层高测量装置与闭环控制方法。通过3个激光2D位移传感器，将CMOS图像信号转化为熔覆层高度数据，实现熔覆头单层提升量的实时控制。但安装于激光熔覆头周围的3个激光2D位移传感器造成激光熔覆头体型增大，惯性误差增大，并且不利于增材制造打印复杂结构件。采用计算熔覆层高度平均值的方法作为层高值，会造成参差不齐的表面被同一补偿参数补偿，效果达不到要求。

4、中国专利CN104962908A公开了一种基于CCD的激光熔覆方法。采用视觉CCD监测增材制造中熔池尺寸，通过调整激光熔覆功率数值的方法，提高成形工件质量。但采用视觉CCD技术监测到的是熔池形心位置的高度而非熔覆层高度。

在上面叙述的2、3、4三份现有专利文献中，其公开的技术方案均未考虑到在增材制造过程中的热变形问题，在实际增材制造过程中，以激光熔覆同轴送粉工艺为例，熔池处的温度高达上千度，即使在冷却数分钟后，温度仍为七八十度，考虑到材料的线膨胀因素，按照温度每升高2°被打印工件每1m就有约0.01mm的长度方向的误差，由此可知热变形是一个不可忽视的问题，热变形会大大影响增材制造过程中的加工精度和测量精度。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，优化增材制造打印工件表面质量和尺寸精度，本发明提供了基于激光送粉工艺的增材制造的触觉监测与反馈补偿层高控制系统及方法，其能够在线监测激光送粉工艺增材制造成型件的形状精度并作出反馈，同时将被打印工件的表面温度作为反馈指标之一，不仅降低工艺实验难度，同时提高了增减材制造过程中的加工精度和测量精度，为增减材制造工艺研究提供了有效的技术支撑。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种用于增材制造的触觉监测与反馈补偿层高控制系统，包括数控机床、激光熔覆头、触觉三维测头、触觉测量探头标定标准球、铣削加工刀具以及基板；所述基板、触觉测量探头标定标准球均安装在数控机床的工作平面上；

所述激光熔覆头、触觉三维测头以及铣削加工刀具其具有相同的转换接口，数控机床的加工主轴上设有与所述转换接口相适配的安装接口，激光熔覆头、触觉三维测头以及铣削加工刀具可通过数控机床的自动换刀装置在数控机床的加工主轴上实现自动切换。

另外一种用于增材制造的触觉监测与反馈补偿层高控制系统，包括数控机床、激光熔覆头、触觉三维测头、触觉测量探头标定标准球、铣削加工刀具以及基板；

所述基板、触觉测量探头标定标准球均安装在数控机床的工作平面上；

所述激光熔覆头、铣削加工刀具其具有相同的转换接口，数控机床的加工主轴上设有与所述转换接口相适配的安装接口；激光熔覆头、铣削加工刀具可通过数控机床的自动换刀装置在数控机床的加工主轴上实现自动切换；触觉三维测头与数控机床中的加工主轴并排安装。

需要说明的是：上述的触觉三维测头包括薄膜温度传感器、红宝石测头、测杆以及测座；薄膜温度传感器位于红宝石测头的表面，测杆一端与红宝石测头连接，另一端安装测座。

当采用上述第一种系统时测座与数控机床的加工主轴上的安装接口相适配，通过测座将触觉三维测头安装在加工主轴上。

当采用上述第二种系统时触觉三维测头通过测座直接安装在数控机床的加工主轴并排的位置上。

基于上述的用于增材制造的触觉监测与反馈补偿层高控制系统的控制方法，包括以下步骤：

1)采用触觉三维测头在触觉测量探头标定标准球上进行原始校准测量，使测量系统补偿工作环境状况因素，再对基板进行初次标定测量并设定为初始高度值H₀；

2)调用激光熔覆头开始增材制造加工过程，打印A层，此时理论层高高度记为H_j；

3)调用触觉三维测头，沿当前层增材制造路径，对当前工件表面温度W进行测量；根据返回温度W，计算触觉三维测头的扫描速度V和采样密度T；

其中，触觉三维测头的扫描速度V的计算方法是：

V＝F(W)；根据二次函数关系F＝E*W²+K*W+H进行计算，其中，E表示温度W的二次系数，K表示温度W的一次系数，H表示该二次函数关系调整补偿量。

触觉三维测头的采样密度T的计算方法是：

T＝G(W)；根据二次函数关系G＝M*W²+N*W+P进行计算，W表示被监测工件表面温度，其中，M表示温度W的二次系数，N表示温度W的一次系数，P表示该二次函数关系调整补偿量.

4)触觉三维测头采用扫描速度V和采样密度T测量出当前工件的实际层高结果，记录为数据组{h_j(i)}，并将{h_j(i)}与理论层高高度H_j做差，其结果记为误差{Δh_j(i)}；其中，i和j都是自然数。

Δh_j(i)＝h_j(i)-H_j

H_j表示在打印第A层第j道路径时对应的工件理论高度值；

5)计算数据组{Δh_j(i)}的方差

6)设定方差阈值B，作为判断是否进行层高补偿的条件，进行层高补偿判断；

情况A：当时，表示当前层高波动较大，需要采用激光熔覆头进行增材模式或采用铣削加工刀具进行切削模式的层高补偿；

情况A中增材模式或切削模式的选择原则是：

对数据组{Δh_j(i)}统计分析判断，将Δh_j(i)>0的数量记为N，Δh_j(i)≤0的数量记为M；

当N>M时，采用铣削加工的方法，调用当前层修正后的路径进行层高补偿控制；

当N≤M时，采用增材制造的方法，调用当前层修正后的路径进行层高补偿控制。

情况B：当时，表示当前层高波动较小，不进行层高误差补偿；

情况C：当时，表示当前层高波动不大，进入层高控制待补偿状态，调用铣削加工刀具和当前层路径，设置进给量D，对工件进行铣削加工层高控制补偿；其中，D表示调用铣削加工刀具，进行打印层数修正时的进给量，D的取值为该被测量层的理论高度值与前一层理论层高的差值。

将上述步骤组成一个循环，实现激光送粉工艺增材制造加工层高控制监测。

本发明的优点在于：

1、本发明采取激光熔覆头、铣削刀具和触觉三维测头均能自动转换的布置结构，有利于节约增减材混合加工制造一体化平台布局空间。

2、本发明采取激光熔覆头和铣削刀具自动转换布置，数控机床的加工主轴和触觉三维测头并列布置的结构，有利于增加数控机床上竖向导轨运动系统稳定性。

3、本发明可以实现工件在线监测，不需要移动被打印工件位置，为增材制造工艺实验研究提供方便。

4、本发明采用的层高补偿控制方法，不仅具有严密的逻辑判断依据，同时也将被打印工件表面热变形作为层高补偿的因素之一，不但实现增材制造整个过程的智能控制，同时使得增材制造过程中加工精度和测量精度进一步的得到了提升。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例2的结构示意图。。

图3为触觉三维测头结构示意图。

图4为本发明中控制方法的流程图。

附图标记如下：

1-数控机床；2-激光熔覆头；3-触觉三维测头；4-触觉测量探头标定标准球；5-铣削加工刀具；6-基板；7-工作平面；8-薄膜温度传感器；9-红宝石测头；10-测杆；11-测座、12-自动换刀装置、13-加工主轴。

具体实施方式

为了使本发明的目的和控制策略优势更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当明白，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明的过程，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，该实施结构包括数控机床1(AC摇篮式五轴铣削加工中心)、激光熔覆头2、触觉三维测头3、触觉测量探头标定标准球4、铣削加工刀具5以及基板6；

基板6、触觉测量探头标定标准球4均安装在数控机床1的工作平面7上；

激光熔覆头2、触觉三维测头3以及铣削加工刀具5其具有相同的转换接口，数控机床的加工主轴13上设有与所述转换接口相适配的安装接口，激光熔覆头2、触觉三维测头3以及铣削加工刀具5可通过数控机床的自动换刀装置12在数控机床的加工主轴13上实现自动切换。

实施例2

如图2所示，该实施结构数控机床1(AC摇篮式五轴铣削加工中心)、激光熔覆头2、触觉三维测头3、触觉测量探头标定标准球4、铣削加工刀具5以及基板6；

基板6、触觉测量探头标定标准球4均安装在数控机床1的工作平面7上；

激光熔覆头2、铣削加工刀具5其具有相同的转换接口，数控机床的加工主轴13上设有与所述转换接口相适配的安装接口；激光熔覆头2、铣削加工刀具5可通过数控机床的自动换刀装置12在数控机床的加工主轴13上实现自动切换；触觉三维测头3与数控机床中的加工主轴13并排安装。(在通常的数控机床中，数控机床的加工主轴通过竖直导轨安装数控机床的横梁上)。

实施例1和2中的触觉三维测头的具体结构如下：

如图3所示，触觉三维测头3由薄膜温度传感器8、红宝石测头9、测杆10以及测座11组成；薄膜温度传感器8位于红宝石测头9的表面，测杆10一端与红宝石测头9连接，另一端安装测座11；在测量工作过程中，通过测杆10将温度值和三维坐标值返回到监测系统中，实现对工件的精密测量。

当采用实施例1时测座与数控机床的加工主轴上的安装接口相适配，通过测座将触觉三维测头安装在加工主轴上；当采用实施例2时触觉三维测头通过测座安装在数控机床的加工主轴并排的位置上。

虽然上述两种实施方式的结构有不同，但是其用于增材制造时采用的反馈补偿层高控制方法却是相同，如图4所示，该方法的具体步骤是：

1)采用触觉三维测头3在触觉测量探头标定标准球4上进行原始校准测量，使测量系统补偿工作环境状况因素，再对基板6进行初次标定测量并设定为初始高度值H₀；

2)根据被打印工件增材路径，调用激光熔覆头2开始增材制造过程，打印A层，此时记理论层高高度为H_j；

3)调用触觉三维测头3，根据第A层增材制造路径，对当前工件表面温度W进行测量；根据返回温度W，计算触觉三维测头3的扫描速度V和采样密度T；

其中，V＝F(W)；W表示被监测工件表面温度，根据二次函数关系F＝E*W²+K*W+H进行计算，其中，E表示温度W的二次系数，K表示温度W的一次系数，H表示该二次函数关系调整补偿量。

T＝G(W)；W表示被监测工件表面温度，根据二次函数关系G＝M*W²+N*W+P进行计算，其中，M表示温度W的二次系数，N表示温度W的一次系数，P表示该二次函数关系调整补偿量。

4)触觉三维测头3采用扫描速度V和采样密度T测量出当前工件的实际层高结果，记录为数据组{h_j(i)}，并将{h_j(i)}与理论层高高度H_j做差，其结果记为误差{Δh_j(i)}；i和j都是自然数。

Δh_j(i)＝h_j(i)-H_j

H_j表示在打印第A层第j道路径时对应的工件理论高度值；

5)计算数据组{Δh_j(i)}的方差

6)设定方差阈值B，作为判断是否进行层高补偿的条件，，进行层高补偿判断；

当时，表示当前层高波动较大，累积误差C设定为1，采用增材制造或铣削加工的模式进行层高补偿控制；

对数据组{Δh_j(i)}统计分析判断，Δh_j(i)>0的数量记为N，Δh_j(i)≤0的数量记为M，当N>M时，将累积误差C设定为3，采用铣削加工的方法，调用当前层修正后的路径进行层高补偿控制；当N≤M时，将累积误差C设定为2，采用增材制造的方法，调用当前层修正后的路径进行层高补偿控制。

当时，累积误差C设定为0，表示当前层高波动较小，不进行层高误差补偿；

当时，累积误差C设定为-1，表示当前层高波动不大，进入层高控制待补偿状态，调用铣削加工刀具和当前层路径，设置进给量D，对工件进行铣削加工层高控制补偿；

D表示实际打印层高波动不太剧烈时，在补偿环节，调用铣削刀具，进行打印层数修正时的进给量；D的取值为该被测量层(第A层)的理论高度值与前一层(第A-1层)的差值。

将上述步骤1-6组成一个循环，实现激光送粉工艺增材制造加工层高控制监测与反馈补偿，如此往复，直至整个零件成形。

本技术领域的相关人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于增材制造的触觉监测与反馈补偿层高控制系统，其特征在于：包括数控机床、激光熔覆头、触觉三维测头、触觉测量探头标定标准球、铣削加工刀具以及基板；

所述基板、触觉测量探头标定标准球均安装在数控机床的工作平面上；

所述激光熔覆头、触觉三维测头以及铣削加工刀具其具有相同的转换接口，数控机床的加工主轴上设有与所述转换接口相适配的安装接口，激光熔覆头、触觉三维测头以及铣削加工刀具可通过数控机床的自动换刀装置在数控机床的加工主轴上实现自动切换。

2.根据权利要求1所述的用于增材制造的触觉监测与反馈补偿层高控制系统，其特征在于：所述触觉三维测头包括薄膜温度传感器、红宝石测头、测杆以及测座；薄膜温度传感器位于红宝石测头的表面，测杆一端与红宝石测头连接，另一端安装测座，测座与数控机床的加工主轴上的安装接口相适配。

3.一种用于增材制造的触觉监测与反馈补偿层高控制系统，其特征在于：包括数控机床、激光熔覆头、触觉三维测头、触觉测量探头标定标准球、铣削加工刀具以及基板；所述基板、触觉测量探头标定标准球均安装在数控机床的工作平面上；

所述激光熔覆头、铣削加工刀具其具有相同的转换接口，数控机床的加工主轴上设有与所述转换接口相适配的安装接口；激光熔覆头、铣削加工刀具可通过数控机床的自动换刀装置在数控机床的加工主轴上实现自动切换；触觉三维测头与数控机床中的加工主轴并排安装。

4.根据权利要求3所述的用于增材制造的触觉监测与反馈补偿层高控制系统，其特征在于：所述触觉三维测头包括薄膜温度传感器、红宝石测头、测杆以及测座；薄膜温度传感器位于红宝石测头的表面，测杆一端与红宝石测头连接，另一端通过测座安装在与数控机床的加工主轴并排的位置上。

5.一种基于权利要求1或3所述的用于增材制造的触觉监测与反馈补偿层高控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采用触觉三维测头在触觉测量探头标定标准球上进行原始校准测量，使测量系统补偿工作环境状况因素，再对基板进行初次标定测量，并设定为初始高度值H₀；

2)调用激光熔覆头开始增材制造加工过程，打印A层，此时理论层高高度记为H_j；

3)调用触觉三维测头，沿当前层增材制造路径，对当前工件表面温度W进行测量；根据返回温度W，计算触觉三维测头的扫描速度V和采样密度T；

4)触觉三维测头采用扫描速度V和采样密度T测量出当前工件的实际层高结果，记录为数据组{h_j(i)}，并将{h_j(i)}与理论层高高度H_j做差，其结果记为误差{Δh_j(i)}；其中，i和j都是自然数；

Δh_j(i)＝h_j(i)-H_j

H_j表示在打印第A层第j道路径时对应的工件理论高度值；

5)计算数据组{Δh_j(i)}的方差

6)设定方差阈值B作为判断是否进行层高补偿的条件，进行层高补偿判断；

情况A：当时，表示当前层高波动较大，需要采用激光熔覆头进行增材模式或采用铣削加工刀具进行切削模式的层高补偿；

情况B：当时，表示当前层高波动较小，不进行层高误差补偿；

情况C：当时，表示当前层高波动不大，进入层高控制待补偿状态，调用铣削加工刀具和当前层路径，设置进给量D，对工件进行铣削加工层高控制补偿；其中，D表示调用铣削加工刀具，进行打印层数修正时的进给量，D的取值为该被测量层的理论高度值与前一层理论层高的差值。

6.根据权利要求5所述的用于增材制造的触觉监测与反馈补偿层高控制方法，其特征在于：所述步骤3)中触觉三维测头的扫描速度V的具体计算方法是：

V＝F(W)；根据二次函数关系F＝E*W²+K*W+H进行计算，其中，E表示温度W的二次系数，K表示温度W的一次系数，H表示该二次函数关系调整补偿量。

7.根据权利要求5所述的用于增材制造的触觉监测与反馈补偿层高控制方法，其特征在于：所述步骤3)中触觉三维测头的采样密度T的具体计算方法是：

T＝G(W)；根据二次函数关系G＝M*W²+N*W+P进行计算，W表示被监测工件表面温度，其中，M表示温度W的二次系数，N表示温度W的一次系数，P表示该二次函数关系调整补偿量。

8.根据权利要求5所述的用于增材制造的触觉监测与反馈补偿层高控制方法，其特征在于：所述情况A中增材模式或切削模式的选择原则是：

对数据组{Δh_j(i)}统计分析判断，将Δh_j(i)>0的数量记为N，Δh_j(i)≤0的数量记为M；

当N>M时，采用铣削加工的方法，调用当前层修正后的路径进行层高补偿控制；

当N≤M时，采用增材制造的方法，调用当前层修正后的路径进行层高补偿控制。