CN109158600B - 同步送粉激光增材制造光斑与粉斑相对位置自动匹配的装置及方法 - Google Patents

同步送粉激光增材制造光斑与粉斑相对位置自动匹配的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供同步送粉激光增材制造光斑与粉斑相对位置自动匹配的装置及方法，通过多方向单道单层沉积，并在线测量所有方向的沉积高度，根据不同方向沉积高度数据反馈，自动调整激光光斑与粉斑相对位置达到最佳匹配，有效提高同步送粉激光增材制造的成形质量。所述装置包括计算机、高度测量装置和水平X‑Y方向调整模块，水平X‑Y方向调整模块上端固定连接在激光聚焦头上，下端通过下端连接块和送粉头固定连接在一起。通过带有2个伺服电机的调整模块，通过调整模块调节送粉头在水平方向的移动，实现了激光光斑和粉斑的自动匹配。在激光增材制造成形工件前，预先调节粉斑与光斑的相对位置，使其相匹配，成形所需工件的熔覆过程更加稳定并且提高熔覆精度。

Description

同步送粉激光增材制造光斑与粉斑相对位置自动匹配的装置 及方法
技术领域
本发明涉及同步送粉的激光金属增材制造方法，具体为同步送粉激光增材制造光斑与粉斑相对位置自动匹配的装置及方法。
背景技术
同步送粉激光增材制造技术是激光熔覆技术和快速原型技术相结合一种先进制造技术。其基本原理是：首先，由CAD软件建立零件模型，利用分层软件进行切片处理，获得零件各截面的二维形状信息，并规划扫描填充路径；根据路径数据激光束在基体上逐点、逐线、逐面扫描形成移动熔池，同时送粉装置将金属粉末同步输入熔池，随着粉末熔化并快速凝固，形成熔覆层，最终逐层堆积出三维金属实体零件。相比于传统制造技术，其具有制造过程柔性高、产品研制周期短、成形结构复杂、性能优良等一系列优点。
同步送粉激光增材制造过程中，材料的逐层堆积实际上是激光束、粉末材料与基材相互作用的结果，激光聚焦头用于通过聚焦镜在工件加工表面形成光斑，作为成形过程中的能量输入；送粉头用于将粉末流汇聚送入加工位置，在工件加工表面形成粉斑，作为成形过程中的质量输入，通过激光光斑、粉斑和基材的相互作用最终形成沉积层。为了保证任意轨迹和方向成形的一致性或总体的最佳状态，通常在成形加工前，需要对光斑和粉斑的相对位置进行调整，以确保粉斑中心对准理论光斑中心，从而适应不同方向的成形要求。然而，通过人眼观察要精确对准光斑和粉斑的中心非常困难；另一方面，由于粉末送进装置、条件等的影响，实际的粉斑中心可能不与理论中心重合，甚至粉斑的质量分布并不是理想的中心对称分布，因此即使调整到光斑和粉斑理论中心重合，也无法保证不同成形方向的一致性或达到综合最佳状态。实际成形过程中，由于扫描方向不同，成形过程中熔池形状会发生改变，若光斑中心和粉斑中心不重合，或者粉斑质量不是中心对称分布时，进入熔池的粉末状态会发生较为显著的变化，进而影响最终形成的沉积层形貌，包括不同扫描方向时沉积高度产生差异；而沉积层高度是同步送粉激光增材制造技术的一个重要参数，它的大小不仅决定着制造效率，而且影响零件成形的最终精度和冶金质量。因此，成形加工前需要调整粉斑位置，使粉斑与光斑的相对位置达到最佳匹配，这是保证成形质量的关键步骤。然而，金属粉末流物理特性复杂，快速准确地观测出其在加工平面的质量分布，并通过调整粉斑位置快速完成粉斑与光斑相对位置的最佳匹配非常困难，因而，迫切需要新的思路和方法解决这一问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供同步送粉激光增材制造光斑与粉斑相对位置自动匹配的装置及方法，通过多方向单道单层沉积，并在线测量所有方向的沉积高度，根据不同方向沉积高度数据反馈，自动调整激光光斑与粉斑相对位置达到最佳匹配，有效提高同步送粉激光增材制造的成形质量。
本发明是通过以下技术方案来实现：
同步送粉激光增材制造光斑与粉斑相对位置自动匹配的装置，包括计算机、高度测量装置和水平X-Y方向调整模块，水平X-Y方向调整模块上端固定连接在激光聚焦头上，下端通过下端连接块和送粉头固定连接在一起；
所述的下端连接块包括能够在水平X方向上平移的X方向连接块和能够在水平Y方向上平移的Y方向连接块；
所述的水平X-Y方向调整模块包括两个驱动装置，分别用于控制X方向连接块和Y方向连接块在对应方向上的移动，控制送粉头前后左右移动，实现粉斑在水平面上的移动，调控粉斑与激光光斑的相对位置；
所述的计算机内存储有相反扫描方向单层沉积高度差与粉斑和光斑在扫描方向上相对位置偏离量的定量关系；输入端连接用于测量单层沉积高度的高度测量装置，输出端分别连接两个驱动装置的控制端，根据定量关系控制对应的驱动装置。
优选的，所述的驱动装置包括伺服电机和连接在伺服电机输出轴上的将旋转运动转换为直线运动的运动转换装置，运动转换装置的输出端与对应的X方向连接块和Y方向连接块的驱动端连接。
优选的，所述的高度测量装置采用双目成像反求系统，用于进行单层熔覆层高度测量，输出端连接计算机输入端，向计算机实时输入测量数据，通过计算机分析数据，形成控制参量，反馈到水平X-Y方向调整模块，通过调整模块的驱动装置，带动送粉头在水平面内移动。
优选的，激光聚焦头用于通过聚焦镜在工件加工表面形成激光光斑；送粉头用于将金属粉末流汇聚送入加工位置，在工件加工表面形成粉斑；激光聚焦头和送粉头均垂直水平面同向安装。
同步送粉激光增材制造激光光斑与粉斑相对位置自动匹配的方法，包括如下步骤，
步骤1，通过工艺实验和熔覆层高度测量，建立标定用工艺参数下，粉斑与光斑在扫描方向上相对位置偏离量与熔覆层相反熔覆方向上的熔覆高度差之间对应关系的数据库，并建立控制策略；
步骤2，初步对准粉斑与激光光斑中心；
步骤3，采用标定用工艺参数进行单层激光熔覆实验，将金属粉末连续熔化沉积在基板上，制备出圆形或者其他中心对称图形的单道熔覆层轮廓；
步骤4，利用高度测量装置，测量获得步骤3中得到的单道熔覆轮廓各个方向的沉积高度，并将测量数据传送到计算机中；
步骤5，计算机提取相反扫描方向上单层熔覆层轮廓的沉积高度，根据相反扫描方向单层沉积高度差异与粉斑和光斑在扫描方向上相对位置偏离量的定量关系，在数据库中选择调节粉斑水平位置的控制策略，确定送粉头在X、Y水平方向的移动调整量，转换为控制信号，将控制信号输入调整模块，通过调整模块中的伺服电机调控送粉头在水平方向的位置；
步骤6，调整送粉头位置后，重复步骤3、4和5，成形得到新的单道熔覆层，通过高度测量装置测量熔覆层高度后将高度信息输入计算机进行数据处理，若成形得到的新单道熔覆层中相反熔覆方向上的熔覆高度相同或在设定的阈值范围内，则获得光斑和粉斑相对位置的匹配；若新成形单道熔覆层中相反熔覆方向上的熔覆高度差在设定的阈值范围外，则再次重复步骤3、4和5，直至单道熔覆层中相反熔覆方向上的熔覆高度相同或在设定的阈值范围内，进而获得光斑和粉斑相对位置的相匹配状态。
优选的，步骤1中，以相反扫描方向单层沉积高度一致为目标，建立粉斑水平位置调节的控制策略，使得当光斑与粉斑实际中心重合时，相反扫描方向单层沉积高度一致；基于数据库，确定相反扫描方向单层沉积高度差异与粉斑和光斑在扫描方向上相对位置偏离量的定量关系。
进一步，所述标定用工艺参数包括光斑大小、粉斑大小、激光功率、扫描速度和送粉量；标定用工艺参数的选取需预先通过实验选定，在不同扫描速度、光斑大小、粉斑大小、激光功率和送粉量条件下进行熔覆，选取能够符合设定要求成形圆形或者中心对称多边形的单道熔覆层的工艺参数。
优选的，步骤3中，当加工工件成形高度只在特定的数个方向上有设定要求时，采用包含这数个特定方向的中心对称多边形进行单道熔覆实验；当加工工件成形高度在水平面各个方向上均有设定要求时，采用预先成形圆形单道熔覆层。
优选的，步骤4，采用双目成像反求系统对单道熔覆层进行双目成像反求，获得圆形轮廓单道熔覆层各个方向的沉积高度，并将测量数据写入计算机中。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过带有2个伺服电机的调整模块，通过调整模块调节送粉头在水平方向的移动，实现了激光光斑和粉斑的自动匹配。在激光增材制造成形工件前，预先调节粉斑与光斑的相对位置，使其相匹配，在成形所需工件过程中，保证不同成形方向的一致性或综合最佳状态，使熔覆过程更加稳定并且提高熔覆精度。通过激光光斑和粉斑相对位置的调控，实现高质量、快速的同步送粉激光增材制造。
进一步的，本发明所述装置，通过在标定用工艺参数下预先成形圆形或者中心对称图形的单道熔覆层，并测量熔覆层高度，基于相反扫描方向单层沉积高度差异与粉斑和光斑在扫描方向上相对位置偏离量的定量关系，确定调节粉斑位置的调节方向和数值，使其与光斑相匹配，从而迅速完成光斑和粉斑的对中调节，大大提升了实验前期准备的工作效率，提高后续成形质量。
附图说明
图1a是本发明实例中所述装置的结构示意图。
图1b是图1a中A处的放大图。
图2a是本发明实例中所述方法调整前的装置示意图。
图2b是本发明实例中所述方法调整前光斑和粉斑相互位置关系示意图。
图2c是本发明实例中所述方法调整后的装置示意图。
图2d是本发明实例中所述方法调整后光斑和粉斑相互位置关系示意图。
图3是本发明实例中所述方法的工艺流程图。
图中：激光聚焦头1，调整模块2，送粉头3，双目成像反求系统4。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明是一种同步送粉激光增材制造光斑与粉斑相对位置自动匹配的装置，如图1所示包括水平X-Y方向调整模块2，模块上端固定连接在激光聚焦头1上，下端通过下端连接块和送粉头3固定连接在一起，激光聚焦头1用于通过聚焦镜在工件加工表面形成激光光斑；送粉头3用于将金属粉末流汇聚送入加工位置，在工件加工表面形成粉斑。调整模块带有2个驱动装置M用于控制送粉头3前后左右移动从而实现粉斑在水平面上的移动，驱动装置由伺服电机和连接在伺服电机输出轴上的将旋转运动转换为直线运动的运动转换装置构成。调整模块包含2个小型伺服电机，分别精确控制下端连接块X、Y方向的水平移动，从而实现送粉头X、Y水平方向的精确可控调节，进而带动下端送粉头3在水平方向上移动，调控粉斑与激光光斑的相对位置。调整模块与计算机连接，用于与计算机进行数据传输。
其中，双目成像反求系统4，在进行熔覆层高度测量时引入该系统，该系统数据实时输入数据库，通过计算机分析数据，形成控制参量，反馈到调整模块2，通过调整模块的驱动装置，带动送粉头3在水平面内移动。
前期的研究表明，单道熔覆时，粉斑位于激光光斑偏后方时进入熔池的粉末数量多于粉斑位于激光光斑偏前方时的粉末数量，导致粉斑位于激光光斑偏后方时的单层沉积高度较大，因此，在粉斑偏离方向上进行相互反向扫描熔覆时，双向单层沉积高度存在差异；当粉斑与光斑没有偏离时，相互反向扫描熔覆的单层沉积高度一致。基于以上发现，本发明提出了激光光斑与粉斑相对位置自动匹配的方法。
本发明一种同步送粉激光增材制造光斑与粉斑相对位置自动匹配的方法，在进行具体激光光斑和粉斑匹配时，如下所述。
采用本发明所述方法进行激光增材制造成形工件，其原理如图2所示，该工件任意方向上的熔覆层高度方向上有较高要求，需对粉斑位置进行调整，使激光光斑和粉斑相对位置相匹配，如图3所示，其包括以下步骤。
步骤1，通过工艺实验和熔覆层高度测量，建立标定用工艺参数下，粉斑与光斑在扫描方向上相对位置偏离量与相反熔覆方向上的熔覆高度差之间对应关系的数据库。由于只有在光斑与粉斑实际中心重合时，相反扫描方向单层沉积高度才能一致，因此，以相反扫描方向单层沉积高度一致为目标，建立粉斑水平位置调节的控制策略。基于数据库，确定相反扫描方向单层沉积高度差异与粉斑和光斑在扫描方向上相对位置偏离量的定量关系；所述标定用工艺参数包括光斑大小、粉斑大小、激光功率、扫描速度和送粉量等；该工艺参数的选取需预先通过实验选定，即在不同扫描速度、光斑大小、粉斑大小、激光功率和送粉量等条件下熔覆，选取能够符合设定要求高质量成形圆形或者中心对称图形的单道熔覆层的工艺参数；
步骤2，采用肉眼观察的办法，初步对准粉斑与激光光斑中心，此时光斑中心坐标为(X0,Y0)，粉斑中心坐标为(X1,Y1)；
步骤3，采用标定用工艺参数进行单层激光熔覆实验，将金属粉末连续熔化沉积在基板上，制备出圆形或者其他中心对称图形的单道熔覆层轮廓；本优选实例中，采用标定用工艺参数在基板上进行一个圆形轨迹单道熔覆实验；
其中，当加工工件成形高度只在特定的几个方向上有设定要求时，采用包含这几个特定方向的中心对称多边形进行单道熔覆实验；当加工工件成形高度在水平面各个方向上均有设定要求时，采用预先成形圆形单道熔覆层；
步骤4，利用双目成像反求系统或其他高度测量装置，测量获得步骤3中得到的单道熔覆轮廓各个方向的沉积高度，并将测量数据传送到计算机中；具体的本优选实例中，对单道熔覆层进行双目成像反求，获得圆形轮廓单道熔覆层各个方向的沉积高度，并将测量数据写入计算机中；
其中，通过双目成像反求系统或其他高度测量方法进行熔覆层高度的测量，该系统量化熔覆层高度，并传输到计算机进行数据处理，形成控制参量，反馈到调整模块，使粉斑和光斑的匹配实现自动化，双目成像反求系统也可不与本装置连接，而在测量熔覆层高度时引入。
步骤5，计算机提取相反扫描方向上单层熔覆层轮廓的沉积高度，根据相反扫描方向单层沉积高度差异与粉斑和光斑在扫描方向上相对位置偏离量的定量关系，选择调节粉斑水平位置的控制策略，确定送粉头在X、Y水平方向的移动调整量，并转换为控制信号，将控制信号输入调整模块，通过调整模块中的伺服电机调控送粉头在水平方向的位置，即通过调整模块移动送粉头X、Y方向的位置，分别沿X、Y方向移动ΔX、ΔY的距离，使粉斑中心从(X1,Y1)移动至(X2,Y2)；
步骤6，调整送粉头位置后，重复步骤3、4和5，成形得到新的圆形单道熔覆层，通过双目成像反求系统测量熔覆层高度后将高度信息输入计算机进行数据处理，若成形得到的新圆形单道熔覆层中相反熔覆方向上的熔覆高度相同或基本一致，即在设定的阈值范围内，则获得光斑和粉斑相对位置的匹配，也即光斑中心坐标为(X0,Y0)与新粉斑中心坐标为(X2,Y2)相重合；若新成形圆形单道熔覆层中相反熔覆方向上的熔覆高度存在明显差异，即高度差在设定的阈值范围外，则再次重复步骤3、4和5，直至成形的圆形或者其他中心对称图形中相反熔覆方向上的熔覆高度相同或基本一致即在设定的阈值范围内，进而获得光斑和粉斑相对位置的相匹配状态。
实例中，标定用工艺条件下所得到的数据库，以及所确定得相反扫描方向单层沉积高度差异与粉斑和光斑在扫描方向上相对位置偏离量的定量关系，对同一设备都是适用的。对于同一设备，不同成形实验前的前期准备，可直接从步骤2开始。

Claims (9)

1.同步送粉激光增材制造光斑与粉斑相对位置自动匹配的装置，其特征在于，包括计算机、高度测量装置和水平X-Y方向调整模块(2)，水平X-Y方向调整模块(2)上端固定连接在激光聚焦头(1)上，下端通过下端连接块和送粉头(3)固定连接在一起；
所述的下端连接块包括能够在水平X方向上平移的X方向连接块和能够在水平Y方向上平移的Y方向连接块；
所述的水平X-Y方向调整模块(2)包括两个驱动装置，分别用于控制X方向连接块和Y方向连接块在对应方向上的移动，控制送粉头(3)前后左右移动，实现粉斑在水平面上的移动，调控粉斑与激光光斑的相对位置；
所述的计算机内存储有相反扫描方向单层沉积高度差与粉斑和光斑在扫描方向上相对位置偏离量的定量关系；输入端连接用于测量单层沉积高度的高度测量装置，输出端分别连接两个驱动装置的控制端，根据定量关系控制对应的驱动装置。
2.根据权利要求1所述的同步送粉激光增材制造光斑与粉斑相对位置自动匹配的装置，其特征在于，所述的驱动装置包括伺服电机和连接在伺服电机输出轴上的将旋转运动转换为直线运动的运动转换装置，运动转换装置的输出端与对应的X方向连接块和Y方向连接块的驱动端连接。
3.根据权利要求1所述的同步送粉激光增材制造光斑与粉斑相对位置自动匹配的装置，其特征在于，所述的高度测量装置采用双目成像反求系统(4)，用于进行单层熔覆层高度测量，输出端连接计算机输入端，向计算机实时输入测量数据，通过计算机分析数据，形成控制参量，反馈到水平X-Y方向调整模块(2)，通过调整模块的驱动装置，带动送粉头(3)在水平面内移动。
4.根据权利要求1所述的同步送粉激光增材制造光斑与粉斑相对位置自动匹配的装置，其特征在于，激光聚焦头用于通过聚焦镜在工件加工表面形成激光光斑；送粉头用于将金属粉末流汇聚送入加工位置，在工件加工表面形成粉斑；激光聚焦头和送粉头均垂直水平面同向安装。
5.同步送粉激光增材制造光斑与粉斑相对位置自动匹配的方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1，通过工艺实验和熔覆层高度测量，建立标定用工艺参数下，粉斑与光斑在扫描方向上相对位置偏离量与熔覆层相反扫描方向上的熔覆高度差之间对应关系的数据库，并建立控制策略；
步骤2，初步对准粉斑与激光光斑中心；
步骤3，采用标定用工艺参数进行单层激光熔覆实验，将金属粉末连续熔化沉积在基板上，制备出圆形或者其他中心对称图形的单道熔覆层轮廓；
步骤4，利用高度测量装置，测量获得步骤3中得到的单道熔覆轮廓各个方向的沉积高度，并将测量数据传送到计算机中；
步骤5，计算机提取相反扫描方向上单层熔覆层轮廓的沉积高度，根据相反扫描方向单层沉积高度差异与粉斑和光斑在扫描方向上相对位置偏离量的定量关系，在数据库中选择调节粉斑水平位置的控制策略，确定送粉头在X、Y水平方向的移动调整量，转换为控制信号，将控制信号输入调整模块，通过调整模块中的伺服电机调控送粉头在水平方向的位置；
步骤6，调整送粉头位置后，重复步骤3、4和5，成形得到新的单道熔覆层，通过高度测量装置测量熔覆层高度后将高度信息输入计算机进行数据处理，若成形得到的新单道熔覆层中相反扫描方向上的熔覆高度相同或在设定的阈值范围内，则获得光斑和粉斑相对位置的匹配；若新成形单道熔覆层中相反扫描方向上的熔覆高度差在设定的阈值范围外，则再次重复步骤3、4和5，直至单道熔覆层中相反扫描方向上的熔覆高度相同或在设定的阈值范围内，进而获得光斑和粉斑相对位置的相匹配状态。
6.根据权利要求5所述的同步送粉激光增材制造光斑与粉斑相对位置自动匹配的方法，其特征在于，步骤1中，以相反扫描方向单层沉积高度一致为目标，建立粉斑水平位置调节的控制策略，使得当光斑与粉斑实际中心重合时，相反扫描方向单层沉积高度一致；基于数据库，确定相反扫描方向单层沉积高度差异与粉斑和光斑在扫描方向上相对位置偏离量的定量关系。
7.根据权利要求6所述的同步送粉激光增材制造光斑与粉斑相对位置自动匹配的方法，其特征在于，所述标定用工艺参数包括光斑大小、粉斑大小、激光功率、扫描速度和送粉量；标定用工艺参数的选取需预先通过实验选定，在不同扫描速度、光斑大小、粉斑大小、激光功率和送粉量条件下进行熔覆，选取能够符合设定要求成形圆形或者中心对称多边形的单道熔覆层的工艺参数。
8.根据权利要求5所述的同步送粉激光增材制造光斑与粉斑相对位置自动匹配的方法，其特征在于，步骤3中，当加工工件成形高度只在特定的数个方向上有设定要求时，采用包含这数个特定方向的中心对称多边形进行单道熔覆实验；当加工工件成形高度在水平面各个方向上均有设定要求时，采用预先成形圆形单道熔覆层。
9.根据权利要求5所述的同步送粉激光增材制造光斑与粉斑相对位置自动匹配的方法，其特征在于，步骤4，采用双目成像反求系统(4)对单道熔覆层进行双目成像反求，获得圆形轮廓单道熔覆层各个方向的沉积高度，并将测量数据写入计算机中。
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