CN109623123B - 一种电子束熔丝沉积中熔滴过渡距离的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子束熔丝沉积中熔滴过渡距离的控制系统，属于增材制造监控技术领域。本发明系统通过视觉监控，在进行电子束熔丝沉积增材制造成形过程中，实时采集熔滴过渡图像，通过图像处理，获得当前熔滴过渡距离信息，根据该熔滴过渡距离信息，调整送丝高度调节轴的滑块高度，实现了熔滴过渡距离的闭环控制，解决了采用开环控制时的粘丝、沉积不连续等问题，避免了熔池飞溅、大滴过渡等现象，提高了沉积过程的稳定性，进而保证了成形过程和产品质量的一致性，提高了生产效率。而且本发明的控制系统结构简单，同时还可以获得熔池大小信息和温度信息，可用于电子束束流功率控制和工件温度闭环控制。

Description

一种电子束熔丝沉积中熔滴过渡距离的控制系统

技术领域

本发明涉及一种电子束熔丝沉积中熔滴过渡距离的控制系统，属于增材制造监控技术领域。

背景技术

电子束熔丝制造过程连续稳定是保证成形质量和制造效率的前提，而其中连续送进的丝材在电子束作用下端部熔化形成熔滴并向熔池过渡的过程尤为重要。为实现稳定的液桥过渡，需要保证丝材与电子束轴线相交，且交点位于熔池平面内。然而在加工过程中，由于丝材弯曲、基板不平等因素使得丝材和电子束交点离开熔池表面，当交点高于熔池表面时会造成熔丝不连续，影响沉积质量；当交点低于熔池表面时，会发生粘丝现象，导致沉积过程中断。已有研究者开始针对熔滴过渡距离进行控制研究，例如中国专利CN107584119A，公开了一种提高熔丝沉积过程中送丝稳定性的自适应调节装置，其利用丝材接触熔池时电路导通的原理，可以将熔滴过渡距离维持在零点附近。其缺点是其控制方法为开关控制，系统调整速度慢，而且只能将熔滴过渡距离维持在零点附近，而不能调整该距离值。因此，研究一种响应速度快，且能够根据工艺要求调整熔滴过渡距离的闭环系统，对电子束熔丝沉积增材制造技术有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提出一种电子束熔丝沉积中熔滴过渡距离的控制系统，在进行电子束熔丝沉积增材制造成形过程中，实时采集熔滴过渡图像，通过图像处理获得当前熔滴过渡距离信息，以调整送丝高度调节轴的滑块高度，实现熔滴过渡距离的闭环控制。

本发明提出的电子束熔丝沉积中熔滴过渡距离的控制系统，包括顶部支架、激光器、相机、工作台、相机航向角调节轴、送丝校直器、送丝电机、X轴导轨、Y轴导轨、Z轴导轨、底座、处理器、波形发生卡和电机驱动器；所述的激光器通过球形铰链安装在顶部支架上，通过球形铰链调整激光补光系统，使补光轴线对准丝材与电子束的交点，激光器的前端设置有激光器防金属蒸汽套筒；所述的相机依次通过相机俯仰角调整轴、转接架和相机航向角调节轴安装在顶部支架上，依次调整相机俯仰角调整轴和相机航向角调节轴，使电子束与丝材的交点位于相机视野的中央，相机的镜头端设置有相机防金属蒸汽套筒；所述的X轴导轨安装在底座上，Y轴导轨安装在X轴导轨上，Y轴导轨与X轴导轨相互垂直，Z轴导轨安装在Y轴导轨上，Z轴导轨与Y轴导轨相互垂直；所述的工作台安装在Z轴导轨上，待沉积增材工件置于工作台上；所述的送丝校直器和送丝电机相互连接，连接后的送丝校直器和送丝电机安装在送丝高度调节轴上；用于沉积的丝材通过送丝校直器后经送丝电机拉动到达待沉积增材工件表面；

所述的处理器用于通过信号线采集相机的图像信号，通过图像处理程序，计算获得熔滴过渡距离的控制信号，将该控制信号发送至波形发生卡；

所述的波形发生卡，根据控制信号生成相应的波形控制信号，将该波形控制信号通过信号线发送给电机驱动器；

所述的电机驱动器，用于将波形发生卡产生的波形控制信号放大为驱动电流，控制送丝高度调节轴电机转动，使送丝高度调节轴沿送丝高度调节轴安装支架上下移动，实现对电子束熔丝沉积中熔滴过渡距离的控制。

本发明提出的电子束熔丝沉积中熔滴过渡距离的控制系统，其优点是：

本发明的控制系统，通过视觉监控的方法，在进行电子束熔丝沉积增材制造成形过程中，实时采集熔滴过渡图像，通过图像处理，获得当前熔滴过渡距离信息，根据该熔滴过渡距离信息，调整送丝高度调节轴的滑块高度，实现了熔滴过渡距离的闭环控制，解决了采用开环控制时的粘丝、沉积不连续等问题，避免了熔池飞溅、大滴过渡等现象，提高了沉积过程的稳定性，进而保证了成形过程和产品质量的一致性，提高了生产效率。而且本发明的控制系统结构简单，同时还可以获得熔池大小信息和温度信息，可用于电子束束流功率控制和工件温度闭环控制。

附图说明

图1为本发明提出的电子束熔丝沉积中熔滴过渡距离的控制系统的结构示意图。

图1中，1是球形铰链，2是激光器，3是激光器防金属蒸汽套筒，4是丝材，5是送丝校直器，6是送丝电机，7是送丝高度调节轴电机，8是送丝高度调节轴安装支架，9是底座，10是X轴导轨，11是Y轴导轨，12是待沉积增材工件，13是相机防金属蒸汽套筒，14是相机，15是相机俯仰角调整轴，16是转接架，17是相机航向角调节轴，18是顶部支架，19是Z轴导轨，20是工作台，21是处理器，22是波形发生卡，23是电机驱动器，24是电子束。

具体实施方式

本发明提出的电子束熔丝沉积中熔滴过渡距离的控制系统，其结构如图1所示，包括顶部支架18、激光器2、相机14、工作台20、相机航向角调节轴17、送丝校直器5、送丝电机6、X轴导轨10、Y轴导轨11、Z轴导轨19、底座9、数据采集器、工控机、波形发生卡和电机驱动器。激光器2通过球形铰链1安装在顶部支架18上，通过球形铰链1调整激光补光系统，使补光轴线对准丝材与电子束的交点。激光器2的前端设置有激光器防金属蒸汽套筒3。相机14依次通过相机俯仰角调整轴15、转接架16和相机航向角调节轴17安装在顶部支架18上，依次调整相机俯仰角调整轴15和相机航向角调节轴17，使电子束24与丝材4的交点位于相机14视野的中央，相机14的镜头端设置有相机防金属蒸汽套筒13。X轴导轨10安装在底座9上，Y轴导轨11安装在X轴导轨10上，Y轴导轨11与X轴导轨11相互垂直，Z轴导轨19安装在Y轴导轨11上，Z轴导轨19与Y轴导轨相11互垂直。工作台20安装在Z轴导轨19上，待沉积增材工件12置于工作台20上。送丝校直器5和送丝电机6相互连接，连接后的送丝校直器5和送丝电机安装在送丝高度调节轴上，用于沉积的丝材通过送丝校直器5后经送丝电机6拉动到达待沉积增材工件12的表面。

所述的处理器用于通过信号线采集相机的图像信号，通过图像处理程序，计算获得熔滴过渡距离的控制信号，将该控制信号发送至波形发生卡；

所述的波形发生卡，根据控制信号生成相应的波形控制信号，将该波形控制信号通过信号线发送给电机驱动器；

所述的电机驱动器，用于将波形发生卡产生的波形控制信号放大为驱动电流，控制送丝高度调节轴电机7转动，使送丝高度调节轴沿送丝高度调节轴安装支架上下移动，实现对电子束熔丝沉积中熔滴过渡距离的控制。

以下结合附图，详细介绍本发明控制系统的工作原理和工作过程：

将如图1所示的系统置于电子束熔丝沉积增材制造设备的真空室中，通过球形铰链1调整激光补光系统，使补光轴线对准丝材与电子束的交点。依次调整相机俯仰角调整轴15和相机航向角调节轴17，使电子束24与丝材4的交点位于相机14视野的中央；根据工艺要求，选取合适的目标熔滴过渡距离。关闭真空室门，抽真空。向控制系统中的待沉积增材工件12上发射一束高能电子束24，电子束将连续送入的丝材4熔化，形成熔滴，熔滴过渡到待沉积增材工件12上，在待沉积增材工件12形成熔池。工作台20按照预定轨迹进行运动，进行电子束熔丝沉积增材制造。

相机14摄取熔池处的熔滴过渡图像，并将图像信息传递给处理器21。处理器对接受到的熔滴过渡图像进行图像处理，获得当前熔滴过渡距离，并以此生成送丝高度调节轴电机7的控制信号，并将此信号发送至波形发生卡22。波形发生卡22根据处理器21所生成的控制信号产生控制波形。电机驱动器23将波形发生卡22生成的控制波形放大为驱动电流，驱动送丝高度调节轴电机7运动至指定位置。实现对熔滴过渡距离的闭环控制。

在本发明的一个实施例中，使用的球形铰链选用的是轻装时代的QZSD-02，激光器选用大恒光电的GCI-060101，送丝校直器选用苏沪机械的9轮校直器，X、Y、Z轴导轨分别选用北京微纳光科自动化设备有限公司生产的型号为WN230TA300M的产品，相机选用的是BASLER公司的acA1600-60gm。处理器选用的是北京研华兴业电子科技有限公司的IPC-610MB-30HDE，波形发生卡选用的是北京研华兴业电子科技有限公司的PCI-1721，电机驱动器选用的是TELESKY的TB6600驱动器。

Claims (1)

1.一种电子束熔丝沉积中熔滴过渡距离的控制系统，其特征在于该控制系统包括顶部支架、激光器、相机、工作台、相机航向角调节轴、送丝校直器、送丝电机、X轴导轨、Y轴导轨、Z轴导轨、底座、处理器、波形发生卡和电机驱动器；所述的激光器通过球形铰链安装在顶部支架上，通过球形铰链调整激光补光系统，使补光轴线对准丝材与电子束的交点，激光器的前端设置有激光器防金属蒸汽套筒；所述的相机依次通过相机俯仰角调整轴、转接架和相机航向角调节轴安装在顶部支架上，依次调整相机俯仰角调整轴和相机航向角调节轴，使电子束与丝材的交点位于相机视野的中央，相机的镜头端设置有相机防金属蒸汽套筒；所述的X轴导轨安装在底座上，Y轴导轨安装在X轴导轨上，Y轴导轨与X轴导轨相互垂直，Z轴导轨安装在Y轴导轨上，Z轴导轨与Y轴导轨相互垂直；所述的工作台安装在Z轴导轨上，待沉积增材工件置于工作台上；所述的送丝校直器和送丝电机相互连接，连接后的送丝校直器和送丝电机安装在送丝高度调节轴上；用于沉积的丝材通过送丝校直器后经送丝电机拉动到达待沉积增材工件表面，

所述的处理器用于通过信号线采集相机的图像信号，通过图像处理程序，计算获得熔滴过渡距离的控制信号，将该控制信号发送至波形发生卡；

所述的波形发生卡，根据控制信号生成相应的波形控制信号，将该波形控制信号通过信号线发送给电机驱动器；

所述的电机驱动器，用于将波形发生卡产生的波形控制信号放大为驱动电流，控制送丝高度调节轴电机转动，使送丝高度调节轴沿送丝高度调节轴安装支架上下移动，实现对电子束熔丝沉积中熔滴过渡距离的控制。