CN109365808A - 多激光单向铺粉控制系统、控制方法及速度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多激光单向铺粉控制系统，包括成形仓、安装在成形仓侧壁面上的光源以及安装在成形仓顶部的照相机，成形仓的上方设置有多个激光器，成形仓下方固定连接有成形缸，成形缸内设置有升降平台，升降平台上设置有工作平台，成形仓顶部一侧还固定有落粉仓，成形仓内还设置有刮刀，成形仓下方两侧还设置有收粉桶，照相机通过电连接有计算机，计算机还分别通过电连接计算机还分别通过电连接刮刀的控制部件、落粉仓的控制部件、激光器、升降平台的控制部件。解决了现有技术中存在设备的利用率和工作效率低的问题。本发明还公开了上述多激光单向铺粉控制系统的控制方法以及控制方法中速度的控制方法。

Description

多激光单向铺粉控制系统、控制方法及速度控制方法

技术领域

本发明属于SLM设备技术领域，涉及一种多激光单向铺粉控制系统，本发明还涉及上述多激光单向铺粉控制系统的控制方法以及速度控制方法。

背景技术

随着SLM技术的不断发展，SLM设备零件成形尺寸也越来越大，多激光设备层出不穷。多激光在保证较大成形尺寸的同时，也在不断地减少单层设备成形时间。而大幅面零件的打印同时也带来了新的问题，刮刀运动铺粉的时间随着零件幅面的增加也越来越长，对于单向铺粉设备，还有回程时间的浪费。如何在保证零件成形尺寸的同时，提高多激光打印效率，是一个值得研究的问题。

现多激光扫描成形和刮刀铺粉运动是两个单独的动作，对于单向铺粉，刮刀先进行铺粉操作，然后回程，完成后多激光再进形零件扫描成形，不能同时进行。这样大大降低了设备的利用率，且设备越大，需要的惰性气体供应越多，刮刀运动激光不扫描大大增加了零件加工的时长，造成了很大的零件加工成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种多激光单向铺粉控制系统，解决了现有技术中存在的单向铺粉时刮刀先进行铺粉操作，然后回程，再进行多激光扫描成形，造成设备的利用率和工作效率低的问题。

本发明的另一个目的是提供了上述多激光单向铺粉控制系统的控制方法。

本发明的第三个目的是提供上述控制方法中速度的控制方法。

本发明所采用的技术方案是，多激光单向铺粉控制系统，包括成形仓、安装在成形仓侧壁面上的光源以及安装在成形仓顶部的照相机，成形仓的上方设置有多个激光器，成形仓下方固定连接有成形缸，成形缸内设置有升降平台，升降平台上设置有工作平台，成形仓顶部一侧还固定有落粉仓，成形仓内还设置有刮刀，成形仓下方两侧还设置有收粉桶，照相机通过电连接有计算机，计算机还分别通过电连接计算机还分别通过电连接刮刀的控制部件、落粉仓的控制部件、激光器、升降平台的控制部件。

本发明第一种技术方案的特征还在于，

工作平台包括设置在升降平台上的基板，基板的中部为成形区域，基板上位于成形区域左右两侧均设置有收粉槽，分别为左收粉槽、右收粉槽。

成形仓的背板上还设置有三个位置传感器，分别是左限位传感器、零限位传感器和右限位传感器，左限位传感器、零限位传感器和右限位传感器均通过导线和计算机连接，左限位传感器和右限位传感器用于限定刮刀的可运动最大范围，零限位传感器作为标定位置，用于计算机通过刮刀相对零限位的运动距离计算刮刀所在的位置信息，零限位传感器设置在成形仓的背板上且位于落粉仓一侧，通过落粉仓落粉位置与零限位传感器的相对距离，标定落粉位置的位置信息，确保落粉位置正确。

将成形区域均分为m×n个区域，形成m×n的区域矩阵，则共设有m×n个激光器，分别独立负责第m行第n个区域，n≥2,n为整数，m≥2,m为整数。

落粉仓固定在成形仓顶部的左侧或右侧。

本发明采用的另一种技术方案是，多激光单向铺粉控制系统的控制方法，假设落粉仓固定在成形仓顶部的右侧，则零限位传感器设置在成形仓的背板右侧靠近落粉仓一侧的位置，则具体按照以下步骤实施：

步骤1，首先在计算机上设定刮刀的向左铺粉的最大速度V_max以及刮刀5向右回程的速度；

步骤2，操作人员手动铺完第一层粉末，刮刀归零至零限位传感器检测到刮刀；

步骤3，计算机控制刮刀以设定的最大速度Vmax向左运动铺粉，当左限位传感器检测到刮刀时，将信息反馈给计算机，计算机控制刮刀停止在左限位处，完成第二层铺粉；

步骤4，计算机控制刮刀按照事先设定好的回程速度向右回程，回程时，计算机实时通过零限位传感器反馈的信息，然后通过刮刀相对零限位的运动距离计算刮刀所在的位置，并根据成形区域划分的区域位置信息，判断刮刀在成形区域划分哪一列，假设在第k列，1≤k≤n-1，此时，计算机控制除第k列激光器外的其他激光器出光工作；

步骤5，刮刀架继续向右回程运动到k+1列，则此时，计算机控制除第k+1列激光器外的其他激光器出光工作，如此，刮刀架逐渐向右运动，直至右限位传感器检测到刮刀时，将信息反馈给计算机，计算机控制刮刀停止在右限位处；

步骤6，判断零件是否打印完成，若打印结束，则整体停止工作；若未打印完成，落粉仓落粉，升降平台下降一个层厚，重复步骤3-6，直到零件打印完成。

本发明第二种技术方案的特征还在于，

激光器的扫描方向与刮刀运行方向相反，即刮刀向左运行时，激光器由右向左扫描；刮刀向右运动时，激光器由左向右扫描。

本发明所采用的第三种技术方案是，激光高效率单向铺粉控制系统的控制方法中速度的控制方法，刮刀的向左铺粉时以最大运行速度V＝V_max运行，则刮刀回程速度可分为以下三种情况：其中，所有速度单位均为m/s，列宽单位为mm，时间单位均为s；

A、刮刀回程运动速度选择设置为零件打印全程匀速V₁，速度计算方法如下：计算机获取零件每层打印截面信息，计算所有层单列激光烧结所需的最大总时长t_{max_global}，若单列宽度为s，则V₁＝(n-1)s/t_{max_global}；

B、刮刀回程运动速度选择设置为零件打印过程中某单层匀速V₂，速度计算方法如下：计算机获取零件待加工层打印截面信息，计算待加工层单列激光烧结所需的最大总时长t_{max_layer}，若单列宽度为s，则V₂＝(n-1)s/t_{max_layer}；

C、刮刀回程运动速度选择设置为自动V₃，速度计算方法如下：计算机提前读取待加工层打印零件截面信息，根据截面信息获取有打印任务的截面，计算单列激光烧结所需总时长t_{max_layer′}，并分析其所在的列数量得n′和总列数n的关系：

(1)若n′/n大于设定比例X，则通过B计算执行该层匀速运动；

(2)若n′/n小于等于设定比例X，则：扫描策略计算该层单列激光烧结所需总时长t_{max_layer′}，在无打印列，刮刀回程运动速度V₃＝V₃₁＝V_max，在打印列，刮刀回程运动速度V₃＝V₃₂＝(n-n′-1)/t_{max_layer′}。

本发明的有益效果是：

1.本发明的多激光单向铺粉控制系统，激光和刮刀回程运行同时进行，可有效提供设备工作效率；

2.回程速度根据实际情况进行选择设计，最大程度减少刮刀运行时间，提高效率。

附图说明

图1是本发明多激光单向铺粉控制系统的结构示意图；

图2是本发明多激光单向铺粉控制系统中工作平台的结构示意图；

图3是本发明多激光单向铺粉控制系统的控制方法的流程图；

图4是本发明控制方法中扫描过程图；

图5是本发明速度控制方法的流程图。

图中，1.成形仓，2.成形缸，3.零件，4.工作平台，5.刮刀，6.落粉仓，7.光源，8.照相机，9.收粉桶，10.，11.升降平台，12.激光器；

101.左限位传感器，102.零限位传感器，103.右限位传感器；

41.基板，42.成形区域，43.左收粉槽，44.右收粉槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明多激光单向铺粉控制系统，如图1所示，包括成形仓1、安装在成形仓1侧壁面上的光源7以及安装在成形仓1顶部的照相机8，成形仓1的上方设置有多个激光器12，成形仓1下方固定连接有成形缸2，成形缸2内设置有升降平台11，升降平台11上设置有工作平台4，成形仓1顶部一侧还固定有落粉仓6，成形仓1内还设置有刮刀5，成形仓1下方两侧还设置有收粉桶9，照相机8通过电连接有计算机10，计算机10还分别通过电连接刮刀5的控制部件、落粉仓6的控制部件、激光器12、升降平台11的控制部件。

如图2所示，工作平台4包括设置在升降平台11上的基板41，基板41的中部为成形区域42，基板41上位于成形区域42左右两侧均设置有收粉槽，分别为左收粉槽43、右收粉槽44。

以落粉仓6在右为例，刮刀每次向左运动前需先运动到落粉位置，进行落粉后再向左进行铺粉，多余的粉末会进入左收粉槽，待当前层打印结束，平台下降一个层厚。刮刀向右运动进行铺粉，多余的粉末进入右收粉槽，然后再落粉，循环直至零件打印结束。待左收粉槽或右收粉槽收粉满时，在刮刀运动过程中，自然将左收粉槽或右收粉槽中多余的粉刮掉下回收至左右两侧的收粉桶9中。

成形仓1的背板上还设置有三个位置传感器，分别是左限位传感器101、零限位传感器102和右限位传感器103，左限位传感器101、零限位传感器102和右限位传感器103均通过导线和计算机10连接，左限位传感器101和右限位传感器103用于限定刮刀5的可运动最大范围，零限位传感器102作为标定位置，用于计算机10通过刮刀5相对零限位的运动距离计算刮刀所在的位置信息，零限位传感器102设置在成形仓1的背板上且位于落粉仓6一侧，通过落粉仓6落粉位置与零限位传感器102的相对距离，标定落粉位置的位置信息，确保落粉位置正确。

将成形区域42均分为m×n个区域，形成m×n的区域矩阵，则共设有m×n个激光器，分别独立负责第m行第n个区域，n≥2,n为整数，m≥2,m为整数。

落粉仓6固定在成形仓1顶部的左侧或右侧。

本发明的多激光单向铺粉控制系统的控制方法，假设落粉仓6固定在成形仓1顶部的右侧，则零限位传感器设置在成形仓的背板右侧靠近落粉仓一侧的位置，如图3所示，则具体按照以下步骤实施：

步骤1，首先在计算机10上设定刮刀5的向左铺粉的最大速度V_max以及刮刀5向右回程的速度；

步骤2，操作人员手动铺完第一层粉末，刮刀归零至零限位传感器检测到刮刀；

步骤3，计算机10控制刮刀5以设定的最大速度Vmax向左运动铺粉，当左限位传感器101检测到刮刀5时，将信息反馈给计算机10，计算机10控制刮刀5停止在左限位处，完成第二层铺粉；

步骤4，计算机10控制刮刀5按照事先设定好的回程速度向右回程，回程时，计算机10实时通过零限位传感器102反馈的信息，然后通过刮刀5相对零限位的运动距离计算刮刀5所在的位置，并根据成形区域42划分的区域位置信息，判断刮刀在成形区域42划分哪一列，假设在第k列，1≤k≤n-1，此时，计算机10控制除第k列激光器外的其他激光器出光工作；

步骤5，刮刀架继续向右回程运动到k+1列，则此时，计算机10控制除第k+1列激光器外的其他激光器出光工作，如此，刮刀架逐渐向右运动，直至右限位传感器103检测到刮刀5时，将信息反馈给计算机10，计算机10控制刮刀5停止在右限位处；

步骤6，判断零件是否打印完成，若打印结束，则整体停止工作；若未打印完成，落粉仓6落粉，升降平台11下降一个层厚，重复步骤3-6，直到零件打印完成。

激光器12的扫描方向与刮刀5运行方向相反，即刮刀5向左运行时，激光器12由右向左扫描；刮刀5向右运动时，激光器12由左向右扫描。原因如下：如图4所示，假设刮刀运动到第一列和第二列的边界，下一秒除第二列外的所有激光器将出光工作，如果从左往右扫描，那激光很有可能扫描到还未完全离开第一列的刮刀架上，影响零件成形，而从左往右扫描则可有效避免该意外发生，反之亦然。

本发明回程和激光扫描同时进行，而现有设备工作时，刮刀先向左运动进行铺粉，铺粉完成后不同激光分别对对应区域进行扫描，而对于单向刮粉，刮刀需先回程再扫描这种工作方式在刮刀来回运动过程中造成了极大的时间浪费，降低了设备的利用率和工作效率，因此本申请极大提高了设备的利用率和工作效率。

本发明激光高效率单向铺粉控制系统的控制方法中速度的控制方法，其流程如图5所示，刮刀5的向左铺粉时以最大运行速度V＝V_max运行，则刮刀5回程速度可分为以下三种情况：其中，所有速度单位均为m/s，列宽单位为mm，时间单位均为s；

A、刮刀5回程运动速度选择设置为零件打印全程匀速V₁，速度计算方法如下：计算机10获取零件3每层打印截面信息，计算所有层单列激光烧结所需的最大总时长t_{max_global}，若单列宽度为s，则V₁＝(n-1)s/t_{max_global}；

B、刮刀5回程运动速度选择设置为零件打印过程中某单层匀速V₂，速度计算方法如下：计算机10获取零件待加工层打印截面信息，计算待加工层单列激光烧结所需的最大总时长若单列宽度为s，则V2＝(n-1)s/t_{max_layer}；

C、刮刀回程运动速度选择设置为自动V₃，速度计算方法如下：计算机10提前读取待加工层打印零件截面信息，根据截面信息获取有打印任务的截面，计算单列激光烧结所需总时长t_{max_layer′}，并分析其所在的列数量得n′和总列数n的关系：

(1)若n′/n大于设定比例X，则通过B计算执行该层匀速运动；

(2)若n′/n小于等于设定比例X，则：扫描策略计算该层单列激光烧结所需总时长t_{max_layer′}，在无打印列，刮刀回程运动速度V₃＝V₃₁＝V_max，在打印列，刮刀回程运动速度V₃＝V₃₂＝(n-n′-1)/t_{max_layer′}。

本发明设定比例X可根据设备配置及具体需求在后台修改。

Claims (8)

1.多激光单向铺粉控制系统，其特征在于，包括成形仓(1)、安装在成形仓(1)侧壁面上的光源(7)以及安装在成形仓(1)顶部的照相机(8)，所述成形仓(1)的上方设置有多个激光器(12)，所述成形仓(1)下方固定连接有成形缸(2)，所述成形缸(2)内设置有升降平台(11)，所述升降平台(11)上设置有工作平台(4)，成形仓(1)顶部一侧还固定有落粉仓(6)，成形仓(1)内还设置有刮刀(5)，成形仓(1)下方两侧还设置有收粉桶(9)，所述照相机(8)通过电连接有计算机(10)，所述计算机(10)还分别通过电连接所述刮刀(5)的控制部件、落粉仓(6)的控制部件、激光器(12)、升降平台(11)的控制部件。

2.根据权利要求1所述的多激光单向铺粉控制系统，其特征在于，所述工作平台(4)包括设置在升降平台(11)上的基板(41)，所述基板(41)的中部为成形区域(42)，所述基板(41)上位于成形区域(42)左右两侧均设置有收粉槽，分别为左收粉槽(43)、右收粉槽(44)。

3.根据权利要求2所述的多激光单向铺粉控制系统，其特征在于，所述成形仓(1)的背板上还设置有三个位置传感器，分别是左限位传感器(101)、零限位传感器(102)和右限位传感器(103)，所述左限位传感器(101)、零限位传感器(102)和右限位传感器(103)均通过导线和计算机(10)连接，所述左限位传感器(101)和右限位传感器(103)用于限定刮刀(5)的可运动最大范围，零限位传感器(102)作为标定位置，用于计算机(10)通过刮刀(5)相对零限位的运动距离计算刮刀所在的位置信息，零限位传感器(102)设置在成形仓(1)的背板上且位于落粉仓(6)一侧，通过落粉仓(6)落粉位置与零限位传感器(102)的相对距离，标定落粉位置的位置信息，确保落粉位置正确。

4.根据权利要求3所述的多激光单向铺粉控制系统，其特征在于，将所述成形区域(42)均分为m×n个区域，形成m×n的区域矩阵，则共设有m×n个激光器，分别独立负责第m行第n个区域，n≥2,n为整数，m≥2,m为整数。

5.根据权利要求4所述的多激光单向铺粉控制系统，其特征在于，所述落粉仓(6)固定在所述成形仓(1)顶部的左侧或右侧。

6.如权利要求5所述的多激光单向铺粉控制系统的控制方法，其特征在于，假设落粉仓(6)固定在所述成形仓(1)顶部的右侧，则零限位传感器(102)设置在成形仓(1)的背板右侧靠近落粉仓(6)一侧的位置，则具体按照以下步骤实施：

步骤1，首先在计算机(10)上设定刮刀(5)的向左铺粉的最大速度V_max以及刮刀(5)向右回程的速度；

步骤2，操作人员手动铺完第一层粉末，刮刀归零至零限位传感器(102)检测到刮刀；

步骤3，计算机(10)控制刮刀(5)以设定的最大速度Vmax向左运动铺粉，当左限位传感器(101)检测到刮刀(5)时，将信息反馈给计算机(10)，计算机(10)控制刮刀(5)停止在左限位处，完成第二层铺粉；

步骤4，计算机(10)控制刮刀(5)按照事先设定好的回程速度向右回程，回程时，计算机(10)实时通过零限位传感器(102)反馈的信息，然后通过刮刀(5)相对零限位的运动距离计算刮刀(5)所在的位置，并根据成形区域(42)划分的区域位置信息，判断刮刀在成形区域(42)划分哪一列，假设在第k列，1≤k≤n-1，此时，计算机(10)控制除第k列激光器外的其他激光器出光工作；

步骤5，刮刀架继续向右回程运动到k+1列，则此时，计算机(10)控制除第k+1列激光器外的其他激光器出光工作，如此，刮刀架逐渐向右运动，直至右限位传感器(103)检测到刮刀(5)时，将信息反馈给计算机(10)，计算机(10)控制刮刀(5)停止在右限位处；

步骤6，判断零件是否打印完成，若打印结束，则整体停止工作；若未打印完成，落粉仓(6)落粉，升降平台(11)下降一个层厚，重复步骤3-6，直到零件打印完成。

7.根据权利要求6所述的多激光单向铺粉控制系统的控制方法，其特征在于，所述激光器(12)的扫描方向与刮刀(5)运行方向相反，即刮刀(5)向左运行时，激光器(12)由右向左扫描；刮刀(5)向右运动时，激光器(12)由左向右扫描。

8.如权利要求7所述的激光单向铺粉控制系统的控制方法中速度的控制方法，其特征在于，所述刮刀(5)的向左铺粉时以最大运行速度V＝V_max运行，则刮刀(5)回程速度可分为以下三种情况：其中，所有速度单位均为m/s，列宽单位为mm，时间单位均为s；

A、刮刀(5)回程运动速度选择设置为零件打印全程匀速V₁，速度计算方法如下：计算机(10)获取零件每层打印截面信息，计算所有层单列激光烧结所需的最大总时长t_{max_global}，若单列宽度为s，则V₁＝(n-1)s/t_{max_global}；

B、刮刀(5)回程运动速度选择设置为零件打印过程中某单层匀速V₂，速度计算方法如下：计算机(10)获取零件待加工层打印截面信息，计算待加工层单列激光烧结所需的最大总时长t_{max_layer}，若单列宽度为s，则V₂＝(n-1)s/t_{max_layer}；

C、刮刀回程运动速度选择设置为自动V₃，速度计算方法如下：计算机(10)提前读取待加工层打印零件截面信息，根据截面信息获取有打印任务的截面，计算单列激光烧结所需总时长t_{max_layer′}，并分析其所在的列数量得n′和总列数n的关系：

(1)若n′/n大于设定比例X，则通过B计算执行该层匀速运动；

(2)若n′/n小于等于设定比例X，则：扫描策略计算该层单列激光烧结所需总时长t_{max_layer′}，在无打印列，刮刀回程运动速度V₃＝V₃₁＝V_max，在打印列，刮刀回程运动速度V₃＝V₃₂＝(n-n′-1)/t_{max_layer′}。