CN111014673A - 用于改善激光立体成型表面起伏的闭环控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于改善激光立体成型表面起伏的闭环控制装置即方法,涉及激光立体成型技术领域,包括加工基板、安装于加工基板一侧的CCD摄像机、安装于加工基板上方的激光熔覆头、通过送粉管路与激光熔覆头连接的送粉器、通过激光光纤与激光熔覆头连接的半导体激光器、与半导体激光器通信连接的PC控制机、以及与PC控制机通信连接的数据采集卡;所述CCD摄像机与所述图像采集卡通信连接。本发明可以实现对激光立体成型过程的实时监测,有效地解决了激光立体成型过程中表面起伏的问题,CCD摄像机与熔覆头的固定保证了采集信息的准确性,闭环反馈系统达到收集信息的实时利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于改善激光立体成型表面起伏的闭环控制装置及方法,属于激光立体成型技术领域。
背景技术
随着低碳制造,绿色制造等新模式的提出,增材制造进入了飞速发展的阶段。激光立体成型作为增材制造的一种,突破了传统制造受限于多工序步序结合的方式,可快速准确的制造各种零件,并且与传统制造相比材料利用更加充分,因此被广泛应用于工业制造领域。但由于激光立体成型过程中连续加工产生的热累积效应以及激光走形路径的不规则变化,不可避免的在成形件表面产生一定的起伏,影响成型件的质量。为了提高成型件的质量,需要对加工过程进行实时监控与调整,从而达到改善表面起伏的目的。
现阶段对于激光立体成型表面起伏的处理仍有许多不足之处,普遍的采取保留一定的加工余量,待激光立体成型之后对成型件采取相应的后处理,采取打磨,抛光等机械处理。通过这些手段也能达到成型件表面平整光洁的目的,但此过程不仅增加了相应的工作时间,并且容易操作不当将成型件损坏,增加经济成本。
加工过程中的实时监控能够获取加工时刻成型件表面的状态,最大限度的了解到当前参数下当前时刻成型件表面的质量是否达标,做出相应的参数调整。相较于传统的成型后进行机械处理有着提高成型效率,降低经济成本的优势。通过CCD摄像机获取实时加工图像数据,并利用图像采集卡与PC机进行数据处理分析,将得到的结果实时的反馈给激光器,动态调节激光功率。
基于上述背景,本发明提出了一种用于激光立体成型表面起伏改善的闭环控制装置及方法。
发明内容
本发明为了解决现阶段加工过程中激光立体成型件表面存在起伏的缺陷,提供了一种能实时准确监测到成型件表面的起伏,并实时反馈改善起伏的装置及方法。
为了实现上述目的,本发明采取的技术方案如下:
首先,一种用于改善激光立体成型表面起伏的闭环控制装置,包括加工基板、安装于加工基板一侧的CCD摄像机、安装于加工基板上方的激光熔覆头、通过送粉管路与激光熔覆头连接的送粉器、通过激光光纤与激光熔覆头连接的半导体激光器、与半导体激光器通信连接的PC控制机、以及与PC控制机通信连接的数据采集卡;所述CCD摄像机与所述图像采集卡通信连接;加工成型的产品通过激光熔覆头在加工基板上进行激光立体成型,所述送粉器将成型所需的金属粉末通过送粉管路输入激光熔覆头的同轴送粉管内,加工所需的激光光源由所述的半导体激光器通过激光光纤输入;所述CCD摄像机实时将加工过程中的加工图像数据传入图像采集卡,并通过PC控制机数据分析处理后控制半导体激光器的输出功率。
进一步地,为了确保信息采集的清晰度和准确性,所述CCD摄像机与激光熔覆头的距离为20cm,CCD摄像机的初始镜头中心与所述加工基板的表面处于同一水平面。
进一步地,为了保证反馈的及时性,所述CCD摄像机的采样频率不低于20fbs,
进一步地,所述半导体激光器采用LDF6000-40型大功率半导体激光器。
进一步地,所述CCD摄像机与数据采集卡之间通过数据管路连接,所述半导体激光器与PC控制机之间通过数据管路连接,所述数据采集卡内嵌于所述PC控制机内。
其次,一种用于激光立体成型表面起伏改善的闭环控制方法,包括以下步骤:
(1)信号采集:CCD摄像机采集激光立体成型表面的图像信息;
(2)信号传输:通过数据管路将采集到的图像信息传入图像采集卡;
(3)信号处理:图像采集卡将得到的图像信号转化为数字信号,并由PC控制机与预设的阈值比较,判断并生成输出信号;
(4)信号输出:PC机将控制信号输出至半导体激光器,改变实时输出功率。
影响结果:随着激光输出功率的改变,激光立体成型件表面的起伏有所改善,控制在理想范围内。
本发明的工作原理:在原有的激光立体成型基础上,本发明引入了基于功率调节的闭环控制系统,能够及时调节增材制造过程中的激光输出功率。当热累积严重,熔覆层表面出现下凹状态时,通过实时的闭环反馈,激光器输出功率降低,熔池温度相应降低,减少热累积对成型质量的影响。同时随着增材过程的进行,熔覆头随着Z轴抬升,与之固定的CCD摄像机的镜头中心始终能与加工基板熔覆层位于同一水平线,确保了信息采集的准确性。
本发明的有益技术效果:本发明可以实现对激光立体成型过程的实时监测,有效地解决了激光立体成型过程中表面起伏的问题,CCD摄像机与熔覆头的固定保证了采集信息的准确性,闭环反馈系统达到收集信息的实时利用。
附图说明
图1为本实施例用于激光立体成型表面起伏改善的闭环控制装置的结构示意图;
图2为本实施例闭环控制原理图。
标注说明:1-加工基板,2-CCD摄像机,3-送粉器,4-送粉管路,5-激光熔覆头,6-激光光纤,7-LDF6000-40型大功率半导体激光器,8-数据管路,9-图像采集卡,10-PC控制机。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段及其所能达到的技术效果,能够更清楚更完善的披露,兹提供了一个实施例,并结合附图作如下详细说明:
如图1所示,本实施例的一种用于激光立体成型表面起伏改善的闭环控制装置,包括加工基板1,CCD摄像机2。加工基板与CCD摄像机镜头中心处于同一水平面上,CCD摄像机2固定在激光熔覆头5一侧,送粉器3通过送粉管路4将激光立体成型所需的金属粉末送入激光熔覆头的同轴送粉管内。CCD摄像机5通过数据管路将图像数据传输到图像采集卡9中,图像采集卡9内嵌于PC控制机10。PC控制机10通过数据传输管路将控制输出信号传入LDF6000-40型大功率半导体激光器7中,LDF6000-40型大功率半导体激光器7将激光通过激光光纤6输送到激光熔覆头5中,实现闭环控制。
如图2所示,本实施例的一种用于激光立体成型表面起伏改善的闭环控制方法,包括以下步骤:
信号采集:CCD摄像机采集激光立体成型表面的图像信息;
信号传输:数据管路将采集到的图像信息传入图像采集卡;
信号处理:图像采集卡将得到的图像信号转化为数字信号,并由PC控制机与预设的阈值比较,判断并生成输出信号;
信号输出:PC机将控制信号输出至LDF6000-40型大功率半导体激光器,改变实时输出功率;
影响结果:随着激光输出功率的改变,激光立体成型件表面的起伏有所改善,控制在理想范围内。
本实施例的工作原理:使用时,利用CCD摄像机采集加工过程中的实施图像数据,通过数据管路传入图像采集卡,将图像信号转变为数字信号,PC控制机将获得的数字信号与预设的阈值进行判断比较,产生一个新的输出控制数据,通过数据管理传输到LDF6000-40型大功率半导体激光器中,实时改变激光器的输出功率,完成一个闭环控制过程,达到改善激光立体成型表面起伏的目的。
以上内容是结合本发明的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明,不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明,对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。
在本发明的描述中,需要说明的是,如涉及术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种用于改善激光立体成型表面起伏的闭环控制装置,其特征在于:包括加工基板、安装于加工基板一侧的CCD摄像机、安装于加工基板上方的激光熔覆头、通过送粉管路与激光熔覆头连接的送粉器、通过激光光纤与激光熔覆头连接的半导体激光器、与半导体激光器通信连接的PC控制机、以及与PC控制机通信连接的数据采集卡;所述CCD摄像机与所述图像采集卡通信连接;加工成型的产品通过激光熔覆头在加工基板上进行激光立体成型,所述送粉器将成型所需的金属粉末通过送粉管路输入激光熔覆头的同轴送粉管内,加工所需的激光光源由所述的半导体激光器通过激光光纤输入;所述CCD摄像机实时将加工过程中的加工图像数据传入图像采集卡,并通过PC控制机数据分析处理后控制半导体激光器的输出功率。
2.如权利要求1所述的一种用于改善激光立体成型表面起伏的闭环控制装置,其特征在于:所述CCD摄像机与激光熔覆头的距离为20cm,CCD摄像机的初始镜头中心与所述加工基板的表面处于同一水平面。
3.如权利要求1所述的一种用于改善激光立体成型表面起伏的闭环控制装置,其特征在于:所述CCD摄像机的采样频率不低于20fbs。
4.如权利要求1所述的一种用于改善激光立体成型表面起伏的闭环控制装置,其特征在于:所述半导体激光器采用LDF6000-40型大功率半导体激光器。
5.如权利要求1所述的一种用于改善激光立体成型表面起伏的闭环控制装置,其特征在于:所述CCD摄像机与数据采集卡之间通过数据管路连接,所述半导体激光器与PC控制机之间通过数据管路连接,所述数据采集卡内嵌于所述PC控制机内。
6.一种用于激光立体成型表面起伏改善的闭环控制方法,包括以下步骤:
(1)信号采集:CCD摄像机采集激光立体成型表面的图像信息;
(2)信号传输:通过数据管路将采集到的图像信息传入图像采集卡;
(3)信号处理:图像采集卡将得到的图像信号转化为数字信号,并由PC控制机与预设的阈值比较,判断并生成输出信号;
(4)信号输出:PC机将控制信号输出至半导体激光器,改变实时输出功率。
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