CN109877321A - 用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置与检测方法 - Google Patents

用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置与检测方法 Download PDF

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Abstract

用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置与检测方法，本发明属于激光增材检测领域，它为了解决现有技术下使用三轴机床式激光器进行激光增材制造时，传感器可达性差，检测准确率低的问题。该轨迹随动传感装置是沿转柄的厚度方向在安装孔的周向孔壁上开有两个法兰槽，两个推力轴承分别装配于转柄的法兰槽中，固定法兰同轴装配在两个推力轴承中，固定齿轮套设在固定法兰上，在转柄的上表面设置有伺服电机，伺服电机的转轴上设置有电机齿轮，电机齿轮与固定齿轮相啮合，在转柄上设置有检测传感器。本发明在线检测的轨迹随动传感装置的结构简单，通过相应算法实现检测传感装置轨迹随动功能，传感器可达性良好。

Description

用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置与检测 方法
技术领域
本发明属于激光增材检测领域，具体涉及一种用于激光增材制造成形的在线监测的装置与检测方法。
背景技术
激光增材制造作为一种金属材料增材制造工艺，该工艺以激光为热源，采用逐层叠加的方式进行零件加工。激光增材制造技术是兼顾精确成形，高性能成形及一体化成形的材料加工技术，其优点有成形速度快，成形性能好，可以生产内部具有复杂结构的零件等。激光增材制造是当前智能制造领域的重要发展方向之一。
在激光增材制造工艺过程中，金属零件的缺陷控制与成形质量好坏直接影响构件的力学性能与服役寿命。采用激光增材制造在线检测技术可以实时对工艺过程的缺陷与成形质量进行评估检测，并通过算法进行在线反馈调节。进而增加零件质量，提高成品率。
对于成型在线检测传感器，传感器在激光头行进过程中只有始终位于激光头行走轨迹切线方向的正后方才能保证其可达性与检测的准确性。因此在实际检测时，对于三轴机床式激光器，传感器位置相对激光头刚性固定，进而对材料成形进行检测。这种连接方式对直线轨迹具有稳定的检测效果，但是在曲线轨迹下，由于传感器位置相对激光头刚性固定，因此在行进过程中无法始终位于激光头行走轨迹的正后方，从而限制了传感器的检测可达性，进而难以获得较高的检测准确率。
发明内容
本发明为了解决现有技术下使用三轴机床式激光器进行激光增材制造时，由于成形在线检测装置与激光头刚性固定，因此在激光头行进轨迹为曲线轨迹的情况下检测传感器无法始终位于激光头行进轨迹的正后方，传感器可达性差，检测准确率低的问题，而提出了一种轨迹随动的在线检测装置与方法，以确保在曲线轨迹下依然可以保证传感器时刻位于激光头行走轨迹的正后方，进而提高检测的准确率。
本发明用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置包括固定法兰、第一推力轴承、第二推力轴承、固定齿轮、电机齿轮、伺服电机、检测传感器和转柄，转柄上开有安装孔，沿转柄的厚度方向在安装孔的周向孔壁上开有两个法兰槽，第一推力轴承和第二推力轴承分别装配于转柄(两侧)的法兰槽中，固定法兰同轴装配在第一推力轴承和第二推力轴承中，固定齿轮套设在固定法兰的底部，激光头与固定法兰刚性固定；
在转柄的上表面设置有伺服电机，伺服电机的转轴上设置有电机齿轮，电机齿轮与固定齿轮相啮合，在激光头的正后方的转柄上设置有检测传感器。
本发明应用用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置的检测方法按下列步骤实现：
一、将激光头刚性固定在固定法兰中，完成在线检测随动装置的装配；
二、根据待加工零件的几何构形制定激光头的移动轨迹；
三、根据激光头移动轨迹的曲率与角度变化，当激光头的移动圆弧轨迹由A点至B点，用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置中伺服电机6的转角θ按以下公式计算：
其中Z1为固定齿轮齿数，Z2：电机齿轮齿数，弧AB的长度，ρ：弧AB的曲率；
从而保证检测传感器始终位于激光头行走轨迹的正后方；
四、在激光增材制造的过程中，同时进行成形在线随动检测。
由于激光头的移动轨迹本身为具有一定曲率的曲线，则可以通过记录该段曲线的长度、曲率与激光头行进速度计算出传感器在该段轨迹所对应的转角，由于传感器始终位于激光头行走轨迹的正后方，因此其连线为激光头所在点的切线，根据曲线切线与夹角的几何关系，能够计算出传感器所在转柄所对应的转角大小。通过齿轮齿数比与转角比的对应关系，计算出伺服电机的转动圈数，进而通过控制伺服电机即可实现轨迹随动功能。
本发明用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置的结构简单，易于实现，并且通过相应算法实现检测传感装置轨迹随动功能进而解决尤其是曲线轨迹下的传感器可达性差，无法保证时刻位于激光头行走轨迹的正后方的问题，进而提高了传感器的可达性与检测的准确率。
附图说明
图1为本发明用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置的结构示意图；
图2为本发明轨迹随动在线检测算法的工作原理示意图，其中A点，B点分别为激光头行进轨迹上的点；角α为在AB之间轨迹内传感器的转角；角β为AB之间轨迹所对应的圆心角；
图3为本发明用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置工作原理示意图，其中C代表检测传感器与激光头连线投影。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置包括固定法兰1、第一推力轴承2、第二推力轴承3、固定齿轮4、电机齿轮5、伺服电机6、检测传感器7和转柄8，转柄8上开有安装孔，沿转柄8的厚度方向在安装孔的周向孔壁上开有两个法兰槽，第一推力轴承2和第二推力轴承3分别装配于转柄8(两侧)的法兰槽中，固定法兰1同轴装配在第一推力轴承2和第二推力轴承3中，固定齿轮4套设在固定法兰1的底部，激光头与固定法兰1刚性固定；
在转柄8的上表面设置有伺服电机6，伺服电机6的转轴上设置有电机齿轮5，电机齿轮5与固定齿轮4相啮合，在激光头的正后方的转柄8上设置有检测传感器7。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是固定法兰1和转柄8的材质为铝合金。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是检测传感器7为结构光传感器。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是所述的第一推力轴承2和第二推力轴承3为推力球轴承。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是检测传感器7与激光头的间距为100～200mm。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是固定齿轮4和电机齿轮5的模数为2～6。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是固定齿轮4与固定法兰1通过螺纹连接。
具体实施方式八：本实施方式应用用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置的检测方法按下列步骤实施：
一、将激光头刚性固定在固定法兰1中，完成在线检测随动装置的装配；
二、根据待加工零件的几何构形制定激光头的移动轨迹；
三、根据激光头移动轨迹的曲率与角度变化，当激光头的移动圆弧轨迹由A点至B点，用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置中伺服电机6的转角θ按以下公式计算：
其中Z1为固定齿轮齿数，Z2：电机齿轮齿数，弧AB的长度，ρ：弧AB的曲率；
从而保证检测传感器7始终位于激光头行走轨迹的正后方；
四、在激光增材制造的过程中，同时进行成形在线随动检测。
实施例：本实施例用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置包括固定法兰1、第一推力轴承2、第二推力轴承3、固定齿轮4、电机齿轮5、伺服电机6、检测传感器7和转柄8，转柄8上开有安装孔，沿转柄8的厚度方向在安装孔的周向孔壁上开有两个法兰槽，第一推力轴承2和第二推力轴承3分别装配于转柄8(两侧)的法兰槽中，固定法兰1同轴装配在第一推力轴承2和第二推力轴承3中，固定齿轮4套设在固定法兰1的底部，并紧固第二推力轴承3，激光头与固定法兰1刚性固定；
在转柄8的上表面设置有伺服电机6，伺服电机6的转轴上设置有电机齿轮5，电机齿轮5与固定齿轮4相啮合，在激光头的正后方的转柄8上设置有检测传感器7；
本实施例固定齿轮4和电机齿轮5的模数为2，压力角α＝20°，伺服电机6的型号为34D24A1，所述的检测传感器为结构光传感器；所述推力轴承为推力球轴承。
应用实施例：本实施例应用用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置的检测方法按下列步骤实施：
一、将激光头刚性固定在固定法兰1中，完成在线检测随动装置的装配；
二、根据待加工零件的几何构形制定激光头的移动轨迹；
三、根据激光头移动轨迹的曲率与角度变化，当激光头的移动圆弧轨迹由A点至B点，用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置中伺服电机6的转角θ按以下公式计算：
其中Z1为固定齿轮齿数，Z2：电机齿轮齿数，弧AB的长度，ρ：弧AB的曲率；
从而保证检测传感器7始终位于激光头行走轨迹的正后方；
四、在激光增材制造的过程中，同时进行成形在线随动检测。
如图2和图3说明轨迹随动的在线检测算法的工作原理：
由于传感器始终位于激光头行进轨迹的正后方，所以传感器与激光头连线的投影分别在A点和B点与该点轨迹相切。两切线的夹角为α，弧AB所对应的圆心角为β。根据几何关系有：α＝β。通过计算β并根据固定齿轮与电机齿轮的齿数比即可求得电机所对应的转角，并获得公式：
其中：θ：电机转角；Z1：固定齿轮齿数；Z2：电机齿轮齿数；弧AB的长度；ρ：弧AB的曲率。
使用该算法计算出激光头对应轨迹处电机转角并通过控制模块控制伺服电机的转角，进而实现传感器随动，保证了结构光传感器始终位于激光头行走轨迹的正后方。

Claims (8)

1.用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置，其特征在于该用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置包括固定法兰(1)、第一推力轴承(2)、第二推力轴承(3)、固定齿轮(4)、电机齿轮(5)、伺服电机(6)、检测传感器(7)和转柄(8)，转柄(8)上开有安装孔，沿转柄(8)的厚度方向在安装孔的周向孔壁上开有两个法兰槽，第一推力轴承(2)和第二推力轴承(3)分别装配于转柄(8)的法兰槽中，固定法兰(1)同轴装配在第一推力轴承(2)和第二推力轴承(3)中，固定齿轮(4)套设在固定法兰(1)的底部，激光头与固定法兰(1)刚性固定；
在转柄(8)的上表面设置有伺服电机(6)，伺服电机(6)的转轴上设置有电机齿轮(5)，电机齿轮(5)与固定齿轮(4)相啮合，在激光头的正后方的转柄(8)上设置有检测传感器(7)。
2.根据权利要求1所述的用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置，其特征在于固定法兰(1)和转柄(8)的材质为铝合金。
3.根据权利要求1所述的用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置，其特征在于检测传感器(7)为结构光传感器。
4.根据权利要求1所述的用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置，其特征在于所述的第一推力轴承(2)和第二推力轴承(3)为推力球轴承。
5.根据权利要求1所述的用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置，其特征在于检测传感器(7)与激光头的间距为100～200mm。
6.根据权利要求1所述的用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置，其特征在于固定齿轮(4)和电机齿轮(5)的模数为2～6。
7.根据权利要求1所述的用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置，其特征在于固定齿轮(4)与固定法兰(1)通过螺纹连接。
8.用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置的检测方法，其特征在于该检测方法按以下步骤实现：
一、将激光头刚性固定在固定法兰(1)中，完成在线检测随动装置的装配；
二、根据待加工零件的几何构形制定激光头的移动轨迹；
三、根据激光头移动轨迹的曲率与角度变化，当激光头的移动圆弧轨迹由A点至B点，用于激光增材制造成形在线检测的轨迹随动传感装置中伺服电机(6)的转角θ按以下公式计算：
其中Z1为固定齿轮齿数，Z2：电机齿轮齿数，弧AB的长度，ρ：弧AB的曲率；
从而保证检测传感器(7)始终位于激光头行走轨迹的正后方；
四、在激光增材制造的过程中，同时进行成形在线随动检测。
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