CN109483888B - 一种激光熔覆增材成形在线监测装置及前瞻-反馈控制方法 - Google Patents

一种激光熔覆增材成形在线监测装置及前瞻-反馈控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光熔覆增材成形在线监测装置及前瞻‑反馈控制方法，该在线监测装置包括熔覆成形单元、监测单元和控制系统单元。其中，熔覆成形单元包括激光器、熔覆头和工作台，监测装置包括测温仪、图像摄取单元和连接架，控制系统单元包括程序预读单元、前瞻控制单元、图像处理单元、反馈控制单元。在该控制方法中，测温仪和图像摄取单元固定在激光熔覆设备上随熔覆头一起运动，对比程序预读过程中插补周期计算出的各轴进给速度及熔覆头实际扫描线速度，根据两者差值大小对激光功率做前瞻控制；通过监测像素处理图像摄取单元连续摄取激光堆积过程中熔池的图像后获得的熔池特征尺寸和测温仪采集的熔池中心温度，对激光功率做闭环反馈控制。

Description

一种激光熔覆增材成形在线监测装置及前瞻-反馈控制方法
技术领域
本发明属于先进制造技术和精密测控技术领域，涉及激光熔覆和激光增材制造，尤其涉及一种激光熔覆增材成形在线监测装置及前瞻-反馈控制方法。
背景技术
激光熔覆增材成形技术，其几何特征为三维组装堆积，物理特性为局部区域延伸的快速熔凝过程。在对实体的CAD模型进行分层处理后，材料在激光光斑快速扫描辐照下，遵循程序指定的路径按序逐点形成一个个小的熔池，小熔池先后快速熔化、凝固，连接组成一条条固化单道，最终形成零件。
为保证成形的均匀性和质量，在熔覆成形过程中熔覆喷头输出的激光功率须与其他工艺参数保持同步匹配性。工艺参数不匹配会导致欠熔或过熔等缺陷产生，进而影响熔覆层成形高度，最终导致成形质量差甚至成形失败。因此激光熔覆增材成形过程中工艺参数的匹配性尤为重要。
对于三轴激光熔覆增材系统，程序的当量速度与熔覆头实际扫描线速度相等，因此在熔覆增材过程中能保持工艺参数与扫描速度匹配。但对于五轴及五轴以上激光熔覆增材系统，由于增加了回转轴和摆动轴，程序的当量速度与熔覆头的实际扫描线速度存在差异，且在插补运算过程中实际扫描线速度会在一定程度内存在变化，若不对激光功率进行修正，扫描线速度与激光功率难以维持匹配。
经过现有技术的文献检索发现，现有方法尚无法解决数控系统实际扫描线速度与激光功率的在线匹配问题。
发明内容
本发明为解决上述工艺参数的在线不匹配问题，采用前瞻和在线监测方法对激光功率进行反馈控制，提出了一种激光熔覆增材成形在线监测装置和前瞻-反馈控制方法，通过分别在加工之前和加工中调整激光功率以实现熔覆过程中工艺参数的合理匹配。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种激光熔覆增材成形在线监测装置，包括熔覆成形单元、监测单元和控制系统单元；熔覆成形单元包括激光器、熔覆头和工作台，监测单元包括测温仪、图像摄取单元和连接架，控制系统单元包括程序预读单元、前瞻控制单元、图像处理单元和反馈控制单元；其中，
测温仪固定在熔覆头上用于实时采集熔池中心温度，测温仪中心与熔覆头激光光斑中心保持同轴，并将采集的温度数据传送给反馈控制单元；图像摄取单元通过连接架以旁轴的方式固定在熔覆头旁边用于实时摄取熔池图像；
控制系统单元将前瞻控制单元、程序预读单元、图像处理单元和反馈控制单元集成于一体，同时，对工作台各运动轴发送运动指令，对激光器发送功率指令；
程序预读单元对输入的数控程序进行程序预读和插补运算，计算出预读程序段中每一个插补周期的各轴进给速度及熔覆头实际扫描线速度；
前瞻控制单元根据程序预读所得的各插补周期的熔覆头实际扫描线速度和工艺预设扫描线速度，计算两者差值大小并对各插补周期的激光功率指令进行调整；
测温仪实时采集熔池中心温度，并传送给反馈控制单元；
图像处理单元对图像摄取单元采集的图像进行像素化处理，获得熔池的形貌轮廓和熔池特征尺寸，并传送给反馈控制单元；
反馈控制单元根据获取的熔池中心温度和熔池特征尺寸对后续加工过程中指定插补周期的激光功率指令进行调整。
一种激光熔覆增材成形前瞻-反馈控制方法，采用上述一种激光熔覆增材成形在线监测装置，该控制方法通过对激光熔覆增材成形扫描线速度的前瞻控制、对激光熔覆增材成形熔池中心温度的反馈控制和对激光熔覆增材成形熔池特征尺寸的反馈控制来调整激光功率。
本发明进一步的改进在于，对激光熔覆增材成形扫描线速度的前瞻控制，具体采用以下步骤实现扫描线速度前瞻控制：
1)确定工艺预设扫描线速f0和激光功率P0，按扫描路径编制G代码数控程序，根据工艺预设扫描线速度f0对每一程序段设定当量进给速度F，将数控程序载入控制系统；
2)程序预读单元对数控程序进行预读和插补运算，当程序预读单元对第m个程序段进行预读时，对ti插补周期，插补运算所得到的X、Y、Z、A、C五个进给轴的进给速度分别为vxi，vyi，vzi，vai，vci，当量进给速度F为：F＝(v2xi+v2yi+v2zi+v2ai+v2ci)1/2；
3)根据程序预读单元给出的各轴进给速度，计算出该插补周期熔覆头实际扫描线速度fi，其中，熔覆头实际扫描线速度值fi为：fi＝(v2xi+v2yi+v2zi)1/2；
4)对比该插补周期熔覆头实际扫描线速度fi和工艺预设扫描线速度f0，当两者差值的绝对值|fi-f0|超过允许范围Δf时，用激光功率前瞻补偿量±ΔPi对ti插补周期的激光功率指令进行调整。
本发明进一步的改进在于，对激光熔覆增材成形熔池中心温度的反馈控制，将熔池中心点的温度作为测量对象，采用测温仪和反馈控制单元对熔池中心温度进行闭环反馈控制，调节激光功率使熔池温度尽可能地稳定在一个数值上，包括以下步骤：
1)根据工艺试验确定熔池中心预设温度T0和允许变化范围ΔT；
2)采用测温仪实时监测熔池中心温度，tj插补周期的熔池中心温度为Tj；
3)将熔池中心温度数据传送给反馈控制单元，tj插补周期的熔池中心温度Tj与预设温度T0进行比较，当两者差值的绝对值|Tj–T0|超过允许变化范围ΔT时，控制后续加工过程中的激光功率，用激光功率温度反馈补偿量±ΔPT j+Δj对tj+Δj插补周期的激光功率指令进行调整。
本发明进一步的改进在于，对激光熔覆增材成形熔池特征尺寸的反馈控制，具体包括以下步骤：
1)根据工艺试验确定熔池预设特征尺寸D0和允许变化范围ΔD；
2)采用图像摄取单元实时监测熔池形貌，提取tk插补周期的熔池形貌图像，对图像进行像素化处理，获得tk插补周期熔池特征尺寸Dk；
3)将熔池特征尺寸传送给反馈控制单元，tk插补周期的熔池特征尺寸Dk与预设特征尺寸D0进行比较，当两者差值的绝对值|Dk–D0|超过允许变化范围ΔD时，控制后续加工过程中的激光功率，用激光功率特征尺寸反馈补偿量±ΔPD k+Δk对tk+Δk插补周期的激光功率指令进行调整。
本发明进一步的改进在于，对应成形控制程序中的任何一个插补周期tn，控制系统单元向各进给轴发送速度指令vxn，vyn，vzn，van，vcn，同时向激光器发送激光功率指令Pn，Pn由工艺预设激光功率P0、激光功率前瞻补偿量±ΔPn、激光功率温度反馈补偿量±ΔPT n和激光功率特征尺寸反馈补偿量±ΔPD n组成，计算公式为：Pn＝P0±ΔPn±ΔPT n±ΔPD n。
本发明进一步的改进在于，对于任意插补周期tn，扫描线速度前瞻控制、熔池中心温度反馈控制和熔池特征尺寸反馈控制单独或两两组合或三者同时运行，对任意插补周期的激光功率做出在线修整。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的激光熔覆增材成形在线监测装置中，前瞻控制单元在加工前通过比较熔覆头实际扫描线速度和工艺预设扫描线速度对激光功率做出前瞻补偿；与熔覆头固定安装的图像摄取单元和测温仪分别实现了在熔覆堆积过程中同时对熔池特征尺寸和熔池中心温度的在线监测；控制系统单元将前瞻控制单元、程序预读单元、图像处理单元和反馈控制单元集成于一体，运算速度更快，延迟时间更短。
本发明提供的前瞻-反馈控制方法与现有技术相比，通过扫描线速度前瞻控制、熔池中心温度反馈控制和熔池特征尺寸反馈控制方法实现了激光熔覆过程中加工参数的在线匹配。对熔覆过程任意插补周期的扫描线速度进行预测比对、熔池中心温度和熔池特征尺寸进行监测来及时调整激光功率，保证熔池具有稳定的熔化-凝固状态，减少成形缺陷。
附图说明
图1为本发明的激光熔覆增材成形在线监测装置的原理图。
图2为本发明的在线监测与控制方法的步骤流程图。
图3为本发明的扫描线速度前瞻控制方法步骤流程图。
图4为本发明的熔池中心温度反馈控制方法步骤流程图。
图5为本发明的熔池特征尺寸反馈控制方法步骤流程图。
附图标记说明：11、激光器，12、熔覆头，13、工作台，14、测温仪，15、图像摄取单元，16、连接架；21、程序预读单元，22、前瞻控制单元，23、图像处理单元，24、反馈控制单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做出进一步的说明。
请参见图1，图1是本发明的激光熔覆增材成形在线监测装置的原理图。该激光熔覆增材成形在线监测装置用于激光快速制造工艺，包括激光器11、熔覆头12、工作台13、测温仪14、图像摄取单元15、连接架16和控制系统单元。所述激光器11产生的一束激光束分别经反射、准直和会聚射向激光加工区域。所述熔覆头12集成于五轴CNC数控加工中心(图中未示出)，并且可在x，y，z三个方向上移动。所述工作台13由分别绕z轴旋转和x轴旋转的转盘和摇篮组成，与可在x，y，z三个方向上移动的熔覆头12实现五轴联动。所述测温仪14集成于熔覆头12上，随熔覆头12一起运动并对熔池(图中未示出)中心温度进行实时监测。所述图像摄取单元15通过连接架16固定在熔覆头12上，用于实时拍摄熔池的图像，该图像摄取单元15可选用电荷耦合元件(CCD)，或者是其他具有摄像功能的器件。所述连接架16将图像摄取单元15固定在熔覆头12上，保证熔池的影像能够进入到图像摄取单元15的拍摄范围。
所述控制系统单元包括程序预读单元21、前瞻控制单元22、图像处理单元23和反馈控制单元24。所述程序预读单元21对输入数控程序进行预读、划分插补周期和进行插补运算。所述前瞻控制单元22根据对比插补周期中熔覆头实际扫描线速度和工艺预设扫描线速度，对激光功率进行调整。所述的测温仪14实时采集熔池中心温度，并传送给反馈控制单元24。所述图像处理单元23连接图像摄取单元15，接收图像摄取单元15摄取的图像，并对图像进行像素化处理，并获得熔池的形貌轮廓。所述像素化处理是一种对图像的数字处理技术，即将图像视为由多个最小基本点组成，每个点构成该图像的像素。像素点只反映该点上的颜色信息，所谓颜色信息用R、G、B三原色的值来表示，比如在一种表示方法中，将RGB的值赋予0-1000个台阶，当RGB的值分别达到1000时，表示该点的颜色为白色，而RGB的值低于1000时，该点的颜色为黑色。在图像摄取单元15摄取的图像中，由于熔池的光亮最强，反映在图片上就是RGB值较大，显示为白色，熔池外部区域RGB值较小，显示为黑色。根据这个特性，用黑、白色将熔池的形貌表征出来，再提取出熔池轮廓和熔池特征尺寸(直径D)。
所述反馈控制单元24根据测温仪14实时测量的熔池中心温度T和上述熔池直径D对激光器输出功率进行调整，使得熔池中心温度T和上述熔池直径D能稳定地保持在一个数值上。所述控制系统单元将程序预读单元21、前瞻控制单元22、图像处理单元23和反馈控制单元24集成于一体形成总控制系统，便于数据传输和缩短延迟时间。
下面，对利用本发明的激光熔覆增材成形在线监测装置对在进行激光堆积过程中的监测控制方法做详细说明。
请参见图2，图2是本发明的在线监测与控制方法的原理图。本发明的监测方法包括步骤：
1)试验准备与参数获取。采用激光熔覆增材成形在线监测装置开展试堆积实验，分别利用图像摄取单元摄取熔池图像，测温仪采集熔池中心温度。通过调节图像摄取单元的拍摄位置和焦距、调整测温仪的位置姿态，使得图像摄取单元能够摄取清晰的熔池图像、测温仪能够正确捕捉到熔池中心的温度。通过基础工艺试验，获取优选加工工艺参数和标定参数。加工工艺参数包括激光功率P0，送粉速度，载气流量，扫描线速度等；标定参数包括工艺预设扫描线速度f0及允许变化范围Δf、熔池中心预设温度T0及允许变化范围ΔT、熔池预设特征尺寸D0及允许变化范围ΔD。
2)激光熔覆增材成形扫描线速度的前瞻控制，具体如图3所示。按扫描路径编制G代码数控程序，根据工艺预设扫描线速度f0对每一程序段设定当量进给速度F，将数控程序载入控制系统。程序预读单元对数控程序进行预读和插补运算，当程序预读单元对第m个程序段进行预读时，对ti插补周期，插补运算所得到的X、Y、Z、A、C五个进给轴的进给速度分别为vxi，vyi，vzi，vai，vci。根据程序预读单元给出的各轴进给速度，计算出该插补周期熔覆头实际扫描线速度fi，其中，熔覆头实际扫描线速度值fi为：fi＝(v2xi+v2yi+v2zi)1/2。对比该插补周期熔覆头实际扫描线速度fi和工艺预设扫描线速度f0，当两者差值的绝对值|fi-f0|超过允许范围Δf时，用激光功率前瞻补偿量±ΔPi对ti插补周期的激光功率指令进行调整。
3)激光熔覆增材成形熔池中心温度的反馈控制，具体如图4所示。完成扫描线速度前瞻控制对激光功率的调整后，进行堆积试验。采用测温仪实时监测熔池中心温度，对应tj插补周期的熔池中心温度为Tj。将熔池中心温度数据传送给反馈控制单元，将tj插补周期的熔池中心温度Tj与熔池中心预设温度T0进行比较，当两者差值的绝对值|Tj–T0|超过允许变化范围ΔT时，控制后续加工过程中的激光功率，用激光功率温度反馈补偿量±ΔPT j+Δj对tj+Δj插补周期的激光功率指令进行调整。如当tj插补周期的熔池中心温度Tj高于T0+ΔT时，反馈控制单元在tj+Δj插补周期增加一个激光功率温度反馈补偿量-ΔPT j+Δj；当tj插补周期熔池中心温度Tj低于T0-ΔT时，反馈控制单元在tj+Δj插补周期增加一个激光功率温度反馈补偿量+ΔPT j+Δj。
4)激光熔覆增材成形熔池特征尺寸的反馈控制，具体如图5所示。完成扫描线速度前瞻控制对激光功率的调整后，采用图像摄取单元实时监测熔池图像并进行堆积试验。图像处理单元提取tk插补周期的熔池图像，对图像进行像素化处理得到该图像的像素信息，计算每个像素点的RGB值，根据该RGB值的大小将熔池的轮廓显示出来，获得tk插补周期的熔池特征尺寸Dk。图像处理单元再将熔池特征尺寸Dk传送给反馈控制单元，对tk插补周期的熔池特征尺寸Dk与熔池预设特征尺寸D0进行比较，当两者差值的绝对值|Dk–D0|超过允许变化范围ΔD时，控制后续加工过程中的激光功率，用激光功率特征尺寸反馈补偿量±ΔPD k+Δk对tk+Δk插补周期的激光功率指令进行调整。
5)任意插补周期激光功率的计算。对于任意插补周期tn，前瞻控制单元在堆积实验开展之前根据扫描线速度的匹配度对tn插补周期的激光功率进行调整，向激光器发送激光功率前瞻补偿量±ΔPn；反馈控制单元根据tn插补周期成形过程中的成形参数(熔池中心温度和熔池特征尺寸)，对后续加工过程的激光功率进行调整。因此对tn插补周期的激光功率温度反馈补偿量±ΔPT n和激光功率特征尺寸反馈补偿量±ΔPD n分别由第tn-m插补周期的成形参数反馈而来。因此对于任意插补周期tn，向激光器发送的激光功率指令Pn由工艺预设激光功率P0、激光功率前瞻补偿量±ΔPn、激光功率温度反馈补偿量±ΔPT n和激光功率特征尺寸反馈补偿量±ΔPD n组成，计算公式为：Pn＝P0±ΔPn±ΔPT n±ΔPD n。
特别地，所述的扫描线速度前瞻控制、熔池中心温度反馈控制和熔池特征尺寸反馈控制可单独或两两组合或三者同时运行，对任意插补周期的激光功率作出在线修整。
综上所述，本发明提出了一种激光熔覆增材成形在线监测装置和前瞻-反馈控制方法。通过扫描线速度前瞻控制、熔池中心温度反馈控制和熔池特征尺寸反馈控制方法实现了激光熔覆过程中加工参数的在线匹配。对熔覆过程任意插补周期的扫描线速度进行预测比对、熔池中心温度和熔池特征尺寸进行监测来及时调整激光功率，保证熔池具有稳定的熔化-凝固状态，减少成形缺陷。
对所公开的上述说明，本发明所公开的原理和新颖特点适用于激光熔覆增材成形及修复、以及激光熔覆表面强化等相关技术领域。

Claims (5)

1.一种激光熔覆增材成形前瞻-反馈控制方法，其特征在于，该方法基于一种激光熔覆增材成形在线监测装置，其包括熔覆成形单元、监测单元和控制系统单元；熔覆成形单元包括激光器、熔覆头和工作台，监测单元包括测温仪、图像摄取单元和连接架，控制系统单元包括程序预读单元、前瞻控制单元、图像处理单元和反馈控制单元；其中，
测温仪固定在熔覆头上用于实时采集熔池中心温度，测温仪中心与熔覆头激光光斑中心保持同轴，并将采集的温度数据传送给反馈控制单元；图像摄取单元通过连接架以旁轴的方式固定在熔覆头旁边用于实时摄取熔池图像；
控制系统单元将前瞻控制单元、程序预读单元、图像处理单元和反馈控制单元集成于一体，同时，对工作台各运动轴发送运动指令，对激光器发送功率指令；
程序预读单元对输入的数控程序进行程序预读和插补运算，计算出预读程序段中每一个插补周期的各轴进给速度及熔覆头实际扫描线速度；
前瞻控制单元根据程序预读所得的各插补周期的熔覆头实际扫描线速度和工艺预设扫描线速度，计算两者差值大小并对各插补周期的激光功率指令进行调整；
测温仪实时采集熔池中心温度，并传送给反馈控制单元；
图像处理单元对图像摄取单元采集的图像进行像素化处理，获得熔池的形貌轮廓和熔池特征尺寸，并传送给反馈控制单元；
反馈控制单元根据获取的熔池中心温度和熔池特征尺寸对后续加工过程中指定插补周期的激光功率指令进行调整；
该控制方法通过对激光熔覆增材成形扫描线速度的前瞻控制、对激光熔覆增材成形熔池中心温度的反馈控制和对激光熔覆增材成形熔池特征尺寸的反馈控制来调整激光功率；
对激光熔覆增材成形扫描线速度的前瞻控制，具体采用以下步骤实现扫描线速度前瞻控制：
1)确定工艺预设扫描线速f0和激光功率P0，按扫描路径编制G代码数控程序，根据工艺预设扫描线速度f0对每一程序段设定当量进给速度F，将数控程序载入控制系统；
2)程序预读单元对数控程序进行预读和插补运算，当程序预读单元对第m个程序段进行预读时，对ti插补周期，插补运算所得到的X、Y、Z、A、C五个进给轴的进给速度分别为vxi，vyi，vzi，vai，vci，当量进给速度F为：F＝(v2 xi+v2 yi+v2 zi+v2 ai+v2 ci)1/2；
3)根据程序预读单元给出的各轴进给速度，计算出该插补周期熔覆头实际扫描线速度fi，其中，熔覆头实际扫描线速度值fi为：fi＝(v2 xi+v2 yi+v2 zi)1/2；
4)对比该插补周期熔覆头实际扫描线速度fi和工艺预设扫描线速度f0，当两者差值的绝对值|fi-f0|超过允许范围Δf时，用激光功率前瞻补偿量±ΔPi对ti插补周期的激光功率指令进行调整。
2.根据权利要求1所述的一种激光熔覆增材成形前瞻-反馈控制方法，其特征在于，对激光熔覆增材成形熔池中心温度的反馈控制，将熔池中心点的温度作为测量对象，采用测温仪和反馈控制单元对熔池中心温度进行闭环反馈控制，调节激光功率使熔池温度尽可能地稳定在一个数值上，包括以下步骤：
1)根据工艺试验确定熔池中心预设温度T0和允许变化范围ΔT；
2)采用测温仪实时监测熔池中心温度，tj插补周期的熔池中心温度为Tj；
3)将熔池中心温度数据传送给反馈控制单元，tj插补周期的熔池中心温度Tj与预设温度T0进行比较，当两者差值的绝对值|Tj–T0|超过允许变化范围ΔT时，控制后续加工过程中的激光功率，用激光功率温度反馈补偿量±ΔPT j+Δj对tj+Δj插补周期的激光功率指令进行调整。
3.根据权利要求1所述的一种激光熔覆增材成形前瞻-反馈控制方法，其特征在于，对激光熔覆增材成形熔池特征尺寸的反馈控制，具体包括以下步骤：
1)根据工艺试验确定熔池预设特征尺寸D0和允许变化范围ΔD；
2)采用图像摄取单元实时监测熔池形貌，提取tk插补周期的熔池形貌图像，对图像进行像素化处理，获得tk插补周期熔池特征尺寸Dk；
3)将熔池特征尺寸传送给反馈控制单元，tk插补周期的熔池特征尺寸Dk与预设特征尺寸D0进行比较，当两者差值的绝对值|Dk–D0|超过允许变化范围ΔD时，控制后续加工过程中的激光功率，用激光功率特征尺寸反馈补偿量±ΔPD k+Δk对tk+Δk插补周期的激光功率指令进行调整。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种激光熔覆增材成形前瞻-反馈控制方法，其特征在于，对应成形控制程序中的任何一个插补周期tn，控制系统单元向各进给轴发送速度指令vxn，vyn，vzn，van，vcn，同时向激光器发送激光功率指令Pn，Pn由工艺预设激光功率P0、激光功率前瞻补偿量±ΔPn、激光功率温度反馈补偿量±ΔPT n和激光功率特征尺寸反馈补偿量±ΔPD n组成，计算公式为：Pn＝P0±ΔPn±ΔPT n±ΔPD n。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的一种激光熔覆增材成形前瞻-反馈控制方法，其特征在于，对于任意插补周期tn，扫描线速度前瞻控制、熔池中心温度反馈控制和熔池特征尺寸反馈控制单独或两两组合或三者同时运行，对任意插补周期的激光功率做出在线修整。
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