CN112962093A - 一种用于增材制造的同轴送粉激光熔覆头 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种用于增材制造的同轴送粉激光熔覆头，具有中心激光通道、上送粉末管、下送粉末管，所述下送粉末管内径大于所述上送粉末管下端外径，所述上送粉末管固定设置于激光熔覆头上，所述下送粉末管滑动套设于所述上送粉末管下端，所述激光熔覆头内设置升降驱动机构，所述升降驱动机构联动所述下送粉末管沿所述上送粉末管下端上升或下降。本发明解决了激光熔覆复杂零件加工过程中，需要实时调整粉末离焦量来满足不同的加工要求的问题，采用滑动式送粉管结构来进行粉末离焦量的实时调节，这对实现高精度激光熔覆加工，生产出高质量，性能良好的工件具有重要作用。

Description

一种用于增材制造的同轴送粉激光熔覆头

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种用于增材制造的同轴送粉激 光熔覆头。

背景技术

离焦量是激光焦点离作用物质间的距离，是同轴送粉激光熔覆技术的一个 关键参数。

在激光熔覆过程中，离焦量对增材制造工件质量的影响很大。激光熔覆通 常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成 孔，而离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。

离焦量过大时，作用在工件上的功率密度过低达不到处理工件的目的；当 离焦量过小，作用在工件上的功率密度过高，容易破坏工件表面。因此，高功 率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。当离焦量适中，激光处 于较低功率密度时，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层 达到熔点，易形成良好的熔融焊接。对于复杂工件的激光熔覆，往往需要再加 工过程中实时调节离焦量，改变激光熔覆的宽度，以满足不同的加工要求，保 障工件的成型质量。

传统的同轴送粉激光熔覆头结构通常为为：通过固定透镜组汇聚激光束， 以沿同一中轴线对称分布的送粉通道实现粉末的汇聚，激光和粉末汇聚到同一 轴线上。这种传统的激光熔覆头的激光焦点和粉末汇聚点都是固定的，不能满 足改变离焦量的要求。为解决以上问题，部分研究者设计出可调节送粉角度的 同轴送粉喷嘴，不过大部分都为分离式设计，即将送粉通道安装在激光熔覆头 的外部，这种设计固然能实现调节离焦量的目的，但也使得熔覆头占据较大的 空间，不利于加工复杂零部件，并且安装和拆卸都不方便。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种用于增材制造的同轴送 粉激光熔覆头。可实时精确控制送粉角度来调节粉末的离焦量，以满足不同加 工场合的要求，提高激光熔覆的质量和加工效率。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种用于增材制造的同轴送 粉激光熔覆头，具有中心激光通道、上送粉末管、下送粉末管，所述下送粉末 管内径大于所述上送粉末管下端外径，所述上送粉末管固定设置于激光熔覆头 上，所述下送粉末管滑动套设于所述上送粉末管下端，所述激光熔覆头内设置 升降驱动机构，所述升降驱动机构联动所述下送粉末管沿所述上送粉末管下端 上升或下降。

其中，所述下送粉末管外壁固定设置有具齿条，所述升降驱动机构包括电 机与齿轮，所述齿轮与所述齿条啮合，所述齿轮与所述电机联动连接。

其中，所述齿条通过连接体固定连接于所述下送粉末管外壁。

其中，所述上送粉末管下端及所述下送粉末管均为弧形结构。

其中，所述上送粉末管、下送粉末管数量为四个，并围绕所述中心激光通 道对称设置。

其中，所述升降驱动机构用于控制所述下送粉末管的出粉离焦量。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

(1)本发明的送粉管为上下分离式结构，通过调节下送粉末管的上下滑动 来调节粉末离焦量，并且通过步进电机转动特定的角度可精确调节粉末离焦量。

(2)本发明可以在一定范围内任意调节粉末离焦量，而不是只能调节到固 定的离焦量。

(3)本发明送粉管采用同轴对称设计，能确保粉末汇聚的均匀性，且结构 简单合理，在制造工艺上易于实现

(4)本发明上送粉末管内径较小，套在下送粉末管内部，而不是将下送粉 末管套在上送粉末管内部，这样的设计有效避免了粉末的堆积。

(5)本发明通过PLC可实时控制步进电机转动的方向和角度，能在线实时 调节粉末离焦量。

(6)本发明粉末离焦量调节方式为熔覆头内部调节，不占用熔覆头外部空 间，便于对结构复杂的大型构件进行加工。

附图说明

图1是本发明用于增材制造的同轴送粉激光熔覆头原位置剖视图；

图2是本发明用于增材制造的同轴送粉激光熔覆头俯视图；

图3是本发明用于增材制造的同轴送粉激光熔覆头整体轴测图图；

图4是本发明用于增材制造的同轴送粉激光熔覆头侧视图；

图5是本发明用于增材制造的同轴送粉激光熔覆头上视图。

图中：1.工件；2外壳体；3上送粉末管；4粉末；5下送粉末管；6内壳体； 7激光束；8齿条连结体；9齿条；10齿轮；11步进电机；12激光通道；13 送粉口；14步进电机接线口；15外壳体固定螺孔；16下壳体。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明 作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明实施例的一种用于增材制造的同轴送粉激光熔覆头， 包括中心激光通道、上送粉末管3、下送粉末管5，下送粉末管5内径大于上送 粉末管3下端外径，上送粉末管3通过螺栓固定设置于激光熔覆头的内壳体6 上，下送粉末管5滑动套设于上送粉末管3下端。

外壳体2与内壳体6之间形成空腔，在该空腔中设置升降驱动机构，升降 驱动机构用于联动下送粉末管5沿上送粉末管3下端上升或下降，以达调节送 粉的离焦量。

上送粉末3和下送粉末管5均为圆弧形设计，这种设计方式可以让上送粉 末管3和下送粉末管5之间形成可以上下滑动的滑道，通过下送粉末管5沿着滑 道上下滑动，可以调节下送粉末管5的送粉角度，进而调节粉末的离焦量，改 变激光光斑大小和激光熔覆宽度；值得注意的是上送粉末管3的内径较小，下 送粉末管5的内径较大，这种设计可以有效避免粉末的堆积。

下送粉末管5外壁固定设置有具齿条9，升降驱动机构包括步进电机11与 齿轮10，齿轮与所述齿条啮合，齿轮与步进电机联动连接，齿条9通过连接体8 固定连接于所述下送粉末管外壁，连接体8为固定凸起座。

步进电机11和齿轮10之间通过键来连接；当步进电机11顺逆时针转动一 定的角度时，会带动齿轮10以同样的方向转动特定的角度，齿轮10的转动带动 齿条9的上下移动，齿条9带动下送粉末管上下滑动来调节粉末离焦量。

步进电机11转动方向和角度则由PLC来控制，本熔覆头由四个步进电机分 别控制四组送粉管的滑动来调节粉末离焦量，四个步进电机通过步进电机接线 口与PLC相接，通过PLC发出指令来实时控制步进电机的转动和停止。如图所 示，当需要增大粉末离焦量时，步进电机逆时针转动一定的角度，齿轮也跟着 步进电机逆时针转动特定的角度，齿条齿轮的带动下向上移动特定的距离，而 下送粉末管也跟着向上滑动，通过下送粉末管的向上滑动，粉末与水平方向的 角度

变大，粉末的离焦量变大，激光光斑变大，熔覆宽度变宽；同样的，当需 要减小粉末离焦量时，步进电机顺时针转动一定的角度即可。

熔覆头中，在控制界面输入要调节的送粉角度，工控机会完成计算，发出 指令给PLC，使其控制四个步进电机转动特定的角度，并通过齿轮齿条传动带 动下送粉末管的上下滑动；可以通过控制步进电机的转动角度精确控制送粉角 度和粉末离焦量。

在本实施例中，步进电机参数如下：

步距角为1.8°，电机转动一周为200脉冲，驱动器细分数为16细分，每个 脉冲电机转动的角度为w1＝1.8°/16＝0.1125°，电机转动一圈所需的脉冲数量S， 可知S＝360°/0.1125°＝3200，PLC可以直接控制步进电机的输入脉冲数s控制 步进电机的转动角度w,步进电机的转动角度为：

w＝w₁s (1)

公式(1)中，w为步进电机转动角度，w1为每个脉冲电机的转动角度为固 定值，s为脉冲输入量。

首先从数学上证明，可以通过控制步进电机的转动角度精准的控制送粉角 度。以下送粉末管所在圆心O点为中心建立平面直角坐标系。

注：O点为送粉管所在圆心，P点为激光通道的中心点，A点为送粉通道的 中心点，B点为下送粉末管初始位置的上端点，D点下为送粉管初始位置的下端 点，C点为调节后下送粉末管的上端点，E点为调节后下送粉末管的下端点，∠α 为初始位置送粉管上端点与水平位置的夹角，∠θ为下送粉末管圆弧对应的角 度，∠β为下送粉末管滑动的弧长所对应的角度。

当步进电机转动固定角度ω时，齿轮也转动ω角度，齿条会上下移动一段距 离：

公式(2)中，L为上下齿条移动的距离，ω为步进电机和齿轮转动的角度， r1为齿轮的分度圆半径，由公式(2)可以建立步进电机转动角度和齿条移动距 离的映射关系。

记下送粉末管初始位置点B的横坐标(X轴方向)为a，调节后点C的横坐 标为b。齿条移动的距离可以用b-a来表示，所以可以求出C点横坐标b：

齿条会带动下送粉末管滑动一段圆弧的距离，如图所示，送粉管从BD滑动 到CE，设送粉管滑动的弧长为I₁,记下送粉末管初始位置点B的横坐标(X轴方 向)为a，调节后点C的横坐标为b。由第一型曲线积分计算可得：

公式(4)中，I₁为下送粉末管滑动的弧长，f(x,y)为下送粉末管所在圆的 方程(已知)，又由于：

公式(5)中，n为下送粉末管滑动弧长所对应的角度，r为下送粉末管圆弧 所在圆的半径，为了方便表达，令n＝β，则公式(5)变为：

可知，I₁＝I，可由公式(6)求得下送粉末管滑动的角度β：

公式(7)中，y(x)为弧所在圆的方程已知；由公式(2)可知，公式(6) 可以改写成：

通过公式(8)，可以建立齿条的位移量和下送粉末管滑动角度之间的映射 关系，由于公式(2)建立了步进电机的转动角度和齿条位移量之间的映射关系， 因此可以通过控制步进电机的转动角度精确地控制下送粉末管地滑动角度。

因此通过控制步进电机转动角度w精确来控制下送粉末管送粉角度的控制 方程如下：

公式(9)为送粉角度控制方程，其中G(w)为变上限积分函数，G(w)为 下送粉末管的送粉角度，自变量为步进电机转动角度w；α和θ为已知量；a点已 知，为下送粉末管初始位置上端B点的横坐标；通过PLC控制步进电机转动角 度w，送粉管会自动滑动到固定送粉角度G(w)。

定义：送粉角度为下送粉末管地送粉方向与垂直方向的夹角，∠DGJ为初始 位置的送粉角度，易知，∠DGJ＝∠ODJ＝∠(α+θ)，调节后的送粉角度为 ∠EFK＝∠OEK＝∠(α+θ+β)，其中，α和θ已知，β已由上述公式求出，因此，调节 后的送粉角度可求。

下面证明离焦量可由送粉角度直接求出。

注：J点为初始位置时下送粉末管末端D点所在水平线与激光通道中心线的 交点；K点为调节后下送粉末管末端E点所在水平线与激光通道中心线的交点； N点为激光束的焦点，和P点的距离NP已知为固定值；G点为初始位置时下 送粉末管末端D点切线与激光通道中心线的交点；F点为调节后下送粉末管末 端E点切线与激光通道中心线的交点；其余各点的注解可见上文。

初始位置离焦量的求解：∠AOD＝∠ODJ＝∠DGJ＝∠(α+θ)，可知 tan∠DGJ＝tan∠(α+θ)＝DJ/GJ，可求GJ＝DJ/tan(α+θ)，由图可知，DJ和PJ容易 求出，且GP＝GJ+PJ，而NP为固定值，所以初始位置离焦量GN＝GP-NP。

调节后离焦量的求解：∠AOE＝∠OEK＝∠EFK＝∠(α+θ+β)，可知 tan∠EFK＝tan∠(α+θ+β)＝EK/FK，FK＝EK/tan(α+θ+β)，由图可知，EK和PK容易 求出，且FP＝FK+PK，而NP为固定值，所以调节后的离焦量FN＝FP-NP。

下面在送粉角度控制方程的基础上求离焦量的控制方程

下送粉末管圆弧所在圆的极坐标方程为

R²＝x²+y²,x＝Rcosθ,y＝Rsinθ (10)

方程(9)已知，由于P点已知，令OP＝d，所以PN所在直线方程为

y＝d (11)

E点横坐标(x方向)为Rcos(α+θ+β)，纵坐标(y方向)为Rsin(α+θ+β)， NP为已知量令其为e；可知PK＝e，EK＝d-Rsin(α+θ+β)＝d-RsinG(w)，由EK 可以求出

PK＝Rcos(α+θ+β)＝RcosG(w)，所以

公式(12)为粉末离焦量控制方程，H(w)粉末离焦量，w为步进电机转 动角度，可通过控制步进电机转动角度w来精确控制粉末离焦量。

有公式(1)及公式(9)可得：

公式(13)为PLC脉冲输入量s与下送粉末管送粉角度w之间的控制方程， 可直接控制PLC中步进电机的脉冲输入量精确控制控制下送粉末管送粉角度w。

有公式(1)、公式(9)和公式(12)可得：

公式(14)为PLC脉冲输入量s与粉末离焦量之间的控制方程，可直接控 制PLC中步进电机的脉冲输入量s精确控制控制粉末离焦量。

本发明解决了激光熔覆复杂零件加工过程中，需要实时调整粉末离焦量来 满足不同的加工要求的问题，采用滑动式送粉管结构来进行粉末离焦量的实时 调节，这对实现高精度激光熔覆加工，生产出高质量，性能良好的工件具有重 要作用。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发 明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的 范围。

Claims (6)

1.一种用于增材制造的同轴送粉激光熔覆头，其特征在于，具有中心激光通道、上送粉末管、下送粉末管，所述下送粉末管内径大于所述上送粉末管下端外径，所述上送粉末管固定设置于激光熔覆头上，所述下送粉末管滑动套设于所述上送粉末管下端，所述激光熔覆头内设置升降驱动机构，所述升降驱动机构联动所述下送粉末管沿所述上送粉末管下端上升或下降。

2.根据权利要求1所述的用于增材制造的同轴送粉激光熔覆头，其特征在于，所述下送粉末管外壁固定设置有具齿条，所述升降驱动机构包括电机与齿轮，所述齿轮与所述齿条啮合，所述齿轮与所述电机联动连接。

3.根据权利要求2所述的用于增材制造的同轴送粉激光熔覆头，其特征在于，所述齿条通过连接体固定连接于所述下送粉末管外壁。

4.根据权利要求3所述的用于增材制造的同轴送粉激光熔覆头，其特征在于，所述上送粉末管下端及所述下送粉末管均为弧形结构。

5.根据权利要求1-4任一项所述的用于增材制造的同轴送粉激光熔覆头，其特征在于，所述上送粉末管、下送粉末管数量为四个，并围绕所述中心激光通道对称设置。

6.根据权利要求5所述的用于增材制造的同轴送粉激光熔覆头，其特征在于，所述升降驱动机构用于控制所述下送粉末管的出粉离焦量。

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