CN112427655B - 一种基于温度均匀性的激光选区熔化实时路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于増材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种基于温度均匀性的激光选区熔化实时路径规划方法。该方法包括步骤：S1对于单个待成形切片层，将该待成形切片层内划分为多个区域，选取初始成形区域；S2对于下一个待成形区域的确定，按照下列方式进行：测量每个未成形区域的温度以及与上一个已经成形区域之间的距离，利用每个未成形区域的温度和距离值构建温度均匀因子的关系式，并计算温度均匀因子，根据温度均匀因子选取其中下一个待成形区域；S3重复步骤S2，直至确定待成形切片层内所有区域的成形。通过本发明，实现对成形路径的实时规划，避免单独根据温度或距离确定下一个待成形区域带来的热应力集中问题，成形精度高。

Description

一种基于温度均匀性的激光选区熔化实时路径规划方法

技术领域

本发明属于増材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种基于温度均匀性的激光选区熔化实时路径规划方法。

背景技术

SLM技术的工作原理是利用三维模型离散的层轮廓信息控制高能量激光束来逐层熔化金属粉末，然后层层叠加得到设计人员所设计的任意复杂结构的金属零件。高能量激光束作用区域只有光斑大小的金属粉末，在高度定向的热输入和快速热源的作用下，粉末床局部经历快速的熔化和凝固过程，在光斑区域产生较大的温度梯度和瞬态热应力。如果在成形过程中不能有效控制热量输入，引导并控制局部热应力的累积和残余应力的形成，最后会导致零件微观组织性能下降，进而造成零件翘曲变形、开裂，形成微气孔、微裂纹等冶金缺陷。而高能量激光束在粉末床上的行走路径会直接影响到高温金属熔池的能场与流场，从而影响扫描区域的温度分布与应力分布。因此在激光扫描过程中实时调节各区域温度，均匀成形层温度场，是提高零件成形质量、抑制缺陷的有效策略。

目前，激光选区熔化中的路径规划技术大多为静态路径规划技术，即根据其切片的轮廓信息在加工制造前就完成对扫描路径的填充，虽然有部分路径规划技术，如岛式扫描，考虑到使用随机策略或其他有效规划方法来均匀温度场分布从而提高成形质量，但是在成形全周期过程中实时温度场分布会由多种环境因素交叉影响，无法准确预测真实的加工场景，比如不同粉末材料散热性能不同；不同零件结构存在差异，尤其是大型复杂结构零件切片后相较简单零件其截面轮廓环几何形状变化较大；加工环境、设备情况不同，有加工前预热情况、机器散热性能、甚至加工时气流的大小等情况的差异。因此，为应对上述复杂的加工环境，需要针对实时的温度场变化对激光行走路径做出及时规划，完成过程监控到实际制造的实时响应，同时还需要根据成形层温度变化规律设计出扫描路径的规划准则，实现智能化加工，更直接更有效地调控成形层时间和空间上的温度分布，进而均匀成形层温度场，改善局部应力集中问题。

对于大型复杂零件的加工，有学者研究发现SLM成形中扫描线长度对零件翘曲变形量和残余应力影响较大，扫描线长度的适宜范围为5mm-10mm，因此，在加工大型零件时，分区域扫描的区域划分方法可有效解决该问题；然而，也有相关文献提出不同的动态路径规划技术或分区路径规划：Concept Laser公司提出一种分区随机曝光策略，在一定程度上可以解决热量积聚问题，但其随机性较大；强旭辉等提出一种基于象限引导的伪随机分区路径策略，可均衡温度场分布；AliAhrari等人提出了一种基于多目标优化方法的细胞扫描策略，可减小零件残余应力和变形量。上述分区扫描路径规划一般是综合考虑热影响区的作用、成形腔的散热效果、算法复杂度等影响因素，在一定程度上可减小制件的局部热量积聚和残余应力，但由于扫描路径在成形前就设置好了，相对与打印过程是静态的，不能在成形过程中实时调整，难以应对不同设备工况及零件结构差异等情况；如申请号CN102962452B的专利“基于红外测温图像的金属激光沉积制造扫描路径规划方法”中，通过采用红外热像仪直接测量激光沉积制造层面温度，并基于层面温度分布实现分区扫描路径规划，减小温度梯度和局部热应力集中，提高制造质量，该专利实际上是在每层打印后获得该层的温度分布图来规划下一层的工艺参数及扫描顺序，未能及时调整当前层打印策略，其温度信息具有滞后性，其次，该专利是在每层基于各分区温度，按先低后高的原则，优化分区扫描顺序，未能考虑每一块子区域打印后温度分布的变化规律，从而对扫描策略带来影响，故，本领域亟需一种能根据加工中单个切片层内不同区域温度变化来进行路径实时规划的成形方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于温度均匀性的激光选区熔化实时路径规划方法，其中针对每个切片层中每一子区域扫描完成后及时根据实时温度场规划路径，即根据所有未成形区域的温度均匀因子确定下一个待成形区域，该方法实现对成形路径的实时规划，同时也避免单独根据温度或距离确定下一个待成形区域带来的热应力集中问题，成形精度高。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于温度均匀性的激光选区熔化实时路径规划方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

S1对于激光选区熔化成形中的单个待成形切片层，将该待成形切片层内划分为多个区域，选取初始成形区域；

S2对于下一个待成形区域的确定，按照下列方式进行：对于当前所有未成形区域，测量每个未成形区域的温度以及与上一个已经成形区域之间的距离，以此获得每个未成形区域的温度特征和距离值，利用该每个未成形区域的温度特征值和距离值构建温度均匀因子的关系式，并以此计算每个未成形区域的温度均匀因子，根据计算获得的温度均匀因子选取其中一个未成形区域作为下一个待成形区域；

S3重复步骤S2，直至完成单个待成形切片层内所有区域的成型，进而实现成型路径的实时规划。

进一步优选地，在步骤S1中，所述初始所述优选为所有区域中温度最低的区域。

进一步优选地，在步骤S2中，所述未成形区域按照温度均值是否低于筛选温度值进行初步筛选，筛选温度值的关系式按照如下进行：

其中，T₀是筛选温度值；

是所有区域温度均值的最小值；ΔT是设定允许最小温差值。

进一步优选地，在步骤S2中，所述测量每个未成形区域的温度时是通过采集未成形区域内多个温度测量点的温度，然后利用每个温度测量点的温度计算计算温度均值和温度方差，该温度方差和温度均值即为未成形区域的温度特征值。

进一步优选地，在步骤S2中，所述温度均匀因子的关系式按照下列进行：

其中，U是温度均匀因子，

是未成形区域内温度均值，a₁、a₂和a₃均是权值，σ是未成形区域内的温度方差，d是未成形区域与上一个已经成形区域的距离，x和y分别是未成形区域内中心点的横坐标和纵坐标，x_pre和y_pre分别是上一个已经成形区域中心点的横坐标和纵坐标，i是当前未成形区域温度测量点的编号，n是当前未成形区域内温度测量点的总数量。

进一步优选地，所述x、y、x_pre和y_pre均是在成形设备坐标系中的坐标。

进一步优选地，所述x、y、x_pre和y_pre按照下列方式获得：

首先，采用相机拍摄待成形切片层，以此获得在图像坐标系中每个区域中心点的图像坐标；然后，对成形设备进行标定，以此获得成形设备与图像坐标系之间的转换关系；最后，利用该转换关系，将每个区域中心点的图像坐标转换为在成形设备坐标系中的坐标，保证选取区域的正常打印。

进一步优选地，所述a₁的取值范围为10～100，a₂的取值范围为0.5～1，a₃的取值范围为-0.5～-1。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明选取温度和距离构建温度均匀因子，根据该温度均匀因子确定下一个待成形区域，其既不是单独根据温度选取下一个待成形区域，也不是单独根据距离选取，其综合考虑二者，避免单独根据其中某一个影响因子确定带来的局部热量积聚和残余应力，成形精度高；

2.本发明在温度采集过程中通过采集一个区域内多个温度测量点的温度，并将区域内所有温度测量点的温度计算方差和均值后作为该区域的温度，避免一个区域内不同位置处的温度不一致带来的计算误差，进而导致温度因子计算误差大，提高计算精度；

3.本发明中的温度和距离的权值a₁、a₂和a₃根据实际情况进行选取，灵活性强，同时也更加贴合实际的应用情况，进而提高本发明适用的范围更广；

4.本发明使用实时采集温度场，可以反映加工中真实温度场的变化，依此规划的实时扫描区域能更有效、更及时的均匀成形层温度场，解决激光金属加工中由于集中热源、粉末堆积带来温度梯度高、散热难等工艺问题；

5.本发明使用筛选温度值对未成形区域进行初步筛选，提高算法效率，保证打印过程的实时响应，同时使用线程锁保证读取温度值、计算均匀因子并加工打印时多线程的安全性。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的基于温度均匀性的激光选区熔化实时路径规划方法的流程图；

图2是是按照本发明的优选实施例所构建的温度采集流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种基于温度均匀性的激光选区熔化实时路径规划方法，主要有包括以下内容步骤：

步骤1：研究SLM温度场变化规律及其影响因素，设计温度均匀因子。

(1)对待打印的所有分块进行筛选。优先选择平均温度值较低的区域打印，设定一个筛选温度保证平均温度过大的分块不在选取范围内，见式(一)；

(2)引入筛选后分块的内部温度方差。防止某子区域温度平均值较小但温度分布不均匀，在激光束的作用下会加剧该区域热量的不均匀性，见式(三)；

(3)引入筛选后分块与当前打印完分块的热影响距离。考虑到热源移动带来的热辐射和热对流对其他区域的影响，需减小前一热影响区对当前打印区域的影响，选择距前一热影响区较远的区域优先打印，见式(四)；

设计温度因子经验公式。最后在平均温度值低于筛选温度值的分块中，将温度方差、热影响区距离的综合权重作为均匀因子值，见式(二)；

其中，T₀是筛选温度值；

是所有区域温度均值的最小值；ΔT是设定允许最小温差值，U是温度均匀因子，

是未成形区域内温度均值，a₁、a₂和a₃均是权值，σ是未成形区域内的温度方差，d是未成形区域与上一个已经成形区域的距离，x和y分别是未成形区域内中心点的横坐标和纵坐标，x_pre和y_pre分别是上一个已经成形区域中心点的横坐标和纵坐标，i是当前未成形区域温度测量点的编号，n是当前未成形区域内温度测量点的总数量。a₁＝10～100，a₂＝0.5～1，a₃＝-0.5～-1(a₁、a₂和a₃根据实验经验进行相应修改)。

步骤2：温度场信息实时采集。

(1)针对SLM设备，使用激光器单点出光的标定方法，激光出光点与热成像仪最高温度点相对应，建立设备坐标系与热成像仪坐标系映射关系，完成温度场坐标系的标定。两个坐标系的映射矩阵M根据opencv标定算法得出，见式(五)：

其中：(X_A，Y_A，0)为激光出光点坐标，(X_B，Y_B，0)为热像仪温度场坐标系中的最高温坐标，M为其映射矩阵。

(2)其次，由于通过热辐射成像采集成形层的温度值，由于激光选区熔化成形层的温度场变化很大，材料表面温度对发射率的影响不可忽略。在热像仪使用时，发射率默认设置为1，不能根据温度变化调控，会导致实际温度值和热像仪检测的温度值存在一定偏差，因此需要测量不同温度下的粉末发射率，对实际温度值也进行校准标定。为了简化计算过程，将粉末温度与发射率的关系看做线性关系，并在温度采集过程中修正温度测量值，确保数据的准确性.

(3)最后将温度采集模块集成到加工软件中，并使用线程互斥锁实时更新温度信息的同时保证温度采集线程与其他线程的同步，并优化算法效率保证激光扫描分块的连续性，如图2所示。

步骤3：实时打印路径规划并成形。

1)生成扫描线。根据设置好的分块宽度和填充间距，对切片后获得的每层轮廓环进行分割并填充扫描线；

2)路径信息存储。设计算法所需要的数据信息，包括子区域编号、子区域中心点坐标、采样点坐标集、温度数据集、区域合并判断；

3)扫描顺序实时设计。

a.温度坐标系加锁。由于温度信息以设定频率实时采集并更新，因此在读取温度坐标系的温度值前，加锁停止坐标系数据更新，使得温度数据的实时性和可靠性得到保证；

b.基于温度均匀性优先的原则设置扫描顺序，即根据步骤1中温度均匀因子的实时大小值选取下一打印区域。遍历数据集U，读取所有采样点对应的温度值，计算U中未打印子区域的温度均匀因子，具体计算为：

求出数据集U中各分块采样点的平均温度值

并排序，设置温度阈值ΔT，将平均温度值低于筛选温度值T₀的子区域存储到数据集V中，求出数据集V中各分块温度方差值σ以及与前一打印分块的距离d，根据式(二)求出均匀因子值并排序，存储均匀因子值最小的分块编号，清空数据集V。

选取温度均匀因子值最小的区域作为局部最优解，即当前最适宜打印区域，并得到其区域编号m。

c.解锁让温度采集模块继续刷新温度坐标系数据；

d.根据选定区域编号提取填充扫描线，调用激光模块扫描，并从数据集U中移除该区域路径信息；

e.若数据集U不为空，跳至步骤(a)，重复上述步骤，直至当前层填充扫描完成。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于温度均匀性的激光选区熔化实时路径规划方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

S1对于激光选区熔化成形中的单个待成形切片层，将该待成形切片层内划分为多个区域，选取初始成形区域；

S2对于下一个待成形区域的确定，按照下列方式进行：对于当前所有未成形区域，测量每个未成形区域的温度以及与上一个已经成形区域之间的距离，以此获得每个未成形区域的温度特征和距离值，利用该每个未成形区域的温度特征值和距离值构建温度均匀因子的关系式，并以此计算每个未成形区域的温度均匀因子，根据计算获得的温度均匀因子，选取该温度均匀因子值最小的区域作为局部最优解，即当前最适宜打印区域，该当前最适宜打印区域作为下一个待成形区域并调用激光扫描模块加工成形；

所述温度均匀因子的关系式按照下列进行：

其中，U是温度均匀因子，

是未成形区域内温度均值，a₁、a₂和a₃均是权值，σ是未成形区域内的温度方差，d是未成形区域与上一个已经成形区域的距离，x和y分别是未成形区域内中心点的横坐标和纵坐标，x_pre和y_pre分别是上一个已经成形区域中心点的横坐标和纵坐标，i是当前未成形区域温度测量点的编号，n是当前未成形区域内温度测量点的总数量；

S3重复步骤S2，直至完成单个待成形切片层内所有区域的成型，进而实现成型路径的实时规划。

2.如权利要求1所述的一种基于温度均匀性的激光选区熔化实时路径规划方法，其特征在于，在步骤S1中，所述初始成形区域优选为所有区域中温度最低的区域。

3.如权利要求1所述的一种基于温度均匀性的激光选区熔化实时路径规划方法，其特征在于，在步骤S2中，所述测量每个未成形区域的温度时是通过采集未成形区域内多个温度测量点的温度，然后利用每个温度测量点的温度计算计算温度均值和温度方差，该温度方差和温度均值即为未成形区域的温度特征值。

4.如权利要求3所述的一种基于温度均匀性的激光选区熔化实时路径规划方法，其特征在于，所述x、y、x_pre和y_pre均是在成形设备坐标系中的坐标。

5.如权利要求1所述的一种基于温度均匀性的激光选区熔化实时路径规划方法，其特征在于，所述x、y、x_pre和y_pre按照下列方式获得：

首先，采用相机拍摄待成形切片层，以此获得在图像坐标系中每个区域中心点的图像坐标；然后，对成形设备进行标定，以此获得成形设备与图像坐标系之间的转换关系；最后，利用该转换关系，将每个区域中心点的图像坐标转换为在成形设备坐标系中的坐标。

6.如权利要求1所述的一种基于温度均匀性的激光选区熔化实时路径规划方法，其特征在于，所述a₁的取值范围为10～100，a₂的取值范围为0.5～1，a₃的取值范围为-0.5～-1。

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