CN113172242B - 一种选择性激光熔化成形实时监测装置及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种选择性激光熔化成形实时监测装置及实现方法，所述实时监测装置由x轴调节模块、y轴调节模块、旋转俯仰调节模块、电机控制模块、协同控制模块等组成移动平台，能实现工业相机在x轴及y轴平移和俯仰、旋转运动；同时，通过移动平台调整相机及传感器位置和角度到合适的信号采集距离，使传感器监测设备能够始终对准激光扫描区域，精准监测到熔池内发生的物理现象、以及包括孔洞、球化等每层材料熔化成形缺陷。本发明提供的装置不仅可以搭载多种传感器克服空间限制与环境干扰实现偏轴精确监测，与刮刀高精度协同运动，而且安装了防尘罩，保障了装置不受环境中粉尘、激光、高温等干扰同时不对环境造成干扰，应用前景广阔。

Description

一种选择性激光熔化成形实时监测装置及实现方法

技术领域

本发明涉及激光增材制造技术领域，具体涉及一种选择性激光熔化成形实时监测装置及实现方法。

背景技术

选择性激光熔化成形是激光增材制造领域常用的一种激光快速成形技术。选择性激光熔化成形的原理为：根据三维切片模型，采用逐层打印的方式，利用激光直接熔化金属粉末，从而逐层堆积金属粉末，最终获得致密的金属零件。选择性激光熔化成形技术适用于制造结构复杂的小型金属零件，可以大幅缩短生产周期，同时能够降低生产成本。

在选择性激光熔化成形的过程中，由于激光的作用会产生熔池，熔池中会发生飞溅、热对流、热辐射、相变等复杂变化，熔池不稳定会造成气孔、裂纹、成形表面质量差等问题，直接影响着加工成品的质量。因此，对在选择性激光熔化成形过程中出现的熔池进行监测十分有必要。通过对熔池的实时监测，可以发现成形过程中出现的缺陷，并及时调整工艺参数，提高零件的加工质量。

目前，关于选择性激光熔化成形过程中熔池的监测，大多采用高速工业相机进行拍摄，再通过图像处理完成监测。但在选择性激光熔化成形过程中，激光扫描范围往往远大于熔池尺寸，所以在对熔池进行监测的时候，工业相机拍摄范围往往覆盖整个扫描范围，熔池成像较小，不能清晰地拍摄出熔池的形貌特征。此外，声发射、光学麦克风、测温仪等传感器都有采集有效信号的距离限制。然而，由于成形腔密封性和成形腔内激光高强度光亮、粉末、惰性气体等产生的干扰以及激光器等传感器布局使得监测设备的安装空间受限。因此，设计适应选择性激光熔化成形腔环境约束和信号采集要求的监测平台尤为必要。

专利一(授权号：CN106363171B)报道了一种成形腔内设置有升降机构的升降架，升降架的底部多个角度上安装有摄像机，通过多个相机的上下移动并旋转，实现熔池的实时监测。且环形支架及传动结构上安装有较多的位置传感器对环形支架的角度、位置进行监控，但是，由于该装置由于悬挂式的结构设计，因此不能搭载体积较大或较重的摄像机；此外，摄像机安装在激光器周围，在摄像机旋转和升降时，较长的镜头容易遮挡激光，摄像机的动作轨迹不易识别和预测，在空间位置上受激光器扫描操作的限制，不能实现近距离或调整观察距离以观测熔池形态变化等问题；同时，该装置中未安装有防护罩，易受粉尘等干扰；最后这些传感器处于激光容易照射到的区域，容易被激光干扰，使传动结构意外发生不可控的运动，影响激光烧结的过程。

如专利二(授权号：CN107262717B)公布了一种分区升降成形式选择性激光熔化工作台，根据成型件三维CAD模型的分层切片信息，扫描系统控制激光束作用于待成型区域内的粉末，一层扫描完毕后，工作平台会下降一个层后的距离接着送粉系统输送一定量的粉末，铺粉系统的辊子铺展一层厚的粉末沉积于已成型层之上。然后，重复上述两个成型过程，直至所有三维CAD模型的切片层全部扫描完毕，现有技术中，选择性激光熔化设备用于激光烧结成形工件的工作台多为一体式结构，通过一体式结构工作台的整体下降进行铺粉，并进行工件烧结成形。专利一结合专利二的现有分区升降成形式选择性激光熔化工作台，只能在加工较小尺寸的工件时，由环形布置且可旋转的摄像机对激光烧结区域进行监控，当需要加工的工件尺寸较大时，如圆形大直径的薄壁零件，安装摄像机的环形支架的直径也要相应的选择直径更大的环形支架，而当激光振镜对工作台中心的区域进行激光烧结时，环形支架无论是升降还是旋转均不能使摄像机更近的监视工作台中心的区域，若选择的环形支架的直径较小，虽在环形支架下降到合理高度时有利于监视工作台中心的区域的烧结，但激光振镜对远离工作台中心的区域进行激光烧结时，为防止环形支架遮挡激光振镜的激光，环形支架需升高到位置，因此环形支架上的摄像机也难以更近的监视工作台远离中心的区域的烧结情况。且激光振镜的运动容易使激光射线干扰环形支架及其传动结构上的位置的传感器，导致环形支架的意外动作。

如何在现有成形腔内有限的空间内增加在线监测装置，使摄像机或其他传感器能够配合激光移动并高清、高速地观测熔池形态变化，且不干扰激光器扫描和成型腔内设施的运动是本领域待解决的难题。

另一方面专利二描述的现有的一体式结构工作台有利于烧结大尺寸对表面质量要求不高的工件，而现有的一体式结构工作台属于高端装备，单价高昂，如何在基于本发明的技术问题改造现有的一体式结构工作台后，仍能通过简单组装还原原有的一体式结构工作台的结构布局，便于设备的多用途使用，是设备使用者给本领域的设计人员提出的新挑战。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种选择性激光成型实时监测装置，在成形腔内有限的空间内改变成型腔内设置布置结构，使摄像机能近距离观测熔池形态变化，且摄像机能够在x、y、z轴方向灵活调整，并可以通过配备的高清镜头，实现熔池局部的高清成像，通过设置的防护模块能够使装置免受粉尘、灰尘等外部因素的干扰，进一步提高监测精度，另外摄像机能平行于熔池平面运动，能及时根据激光的烧结轨迹避开激光。并不受待烧结工件的大小尺寸的影响，能全过程监控工件的激光烧结过程。

本发明提出了将原送粉平台改为偏轴实时监测的移动平台，铺粉和成形平台区域重新划分为：新送粉平台、新成形平台，并增加新收粉舱，从而实现有在线监测和没有在线监测功能的两种模式选择的选择性激光熔化成形。在没有在线监测功能模式下工作时，成型腔内工作区域恢复为收粉仓、原送粉平台、铺粉和成形平台。使得利用本发明的技术方案对现有的选择性激光熔化工作台改造后，还能方便的还原成原选择性激光熔化工作台，以便进行大尺寸低质量要求的工件的激光烧结成形。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种选择性激光成型实时监测装置，包括成型腔、原成形平台、原送粉平台、刮刀、新送粉平台、新成形平台和新收粉仓，所述成型腔内底部连通的竖向矩形通道I被隔板一分隔成两个竖向矩形通道II，各竖向矩形通道II内设置有可升降的原成形平台和原送粉平台，所述平行于隔板一布置的隔板二和隔板三将原成形平台上方分隔成靠近隔板一的新收粉仓、远离隔板一的储粉腔，和位于中间的熔池，储粉腔和熔池底部为可升降的新送粉平台、新成形平台，新送粉平台、新成形平台分别用于阻止储粉腔内的金属粉末、熔池中的金属粉末向下漏，及升降储粉腔内的金属粉末、熔池中的金属粉末和金属零件，所述成型腔内底部设置有沿底面在新送粉平台和新收粉仓之间往复运动的刮刀，所述熔池上方设有激光镜筒，用于使发射的激光束在熔池表面移动并熔化熔池中的金属粉末，从而逐层堆积金属粉末，获得异形的致密的金属零件，所述原送粉平台上方设置有实时监测移动平台；

其中，所述实时监测移动平台包括y轴运动驱动箱、y轴调节模块、x轴调节模块、J型旋转调节底座、旋转俯仰调节模块、电机控制模块信号控制y轴调节模块、x轴调节模块及旋转俯仰调节模块，协同控制模块信号连接刮刀、原成形平台、新成形平台、新送粉平台、原送粉平台的运动控制器；

其中，所述y轴运动驱动箱固定安装在所述原送粉平台上表面，所述y轴运动驱动箱背向原送粉平台的表面设有平行于隔板一的两条滚珠滑轨，两条滚珠滑轨之间的y轴运动驱动箱表面开设方口，所述y轴滑动底座底面与所述滚珠滑轨滑动连接，y轴运动驱动箱内安装有y轴调节模块，y轴调节模块能在方口内驱动所述y轴滑动底座沿滚珠滑轨滑行，位于滚珠滑轨两端的y轴滑动底座的侧面安装有直角角钢，直角角钢的一侧棱面对齐y轴运动驱动箱表面，直角角钢的另一侧棱面紧靠y轴滑动底座的侧面，并且直角角钢的两端与两条滚珠滑轨的延长线间隔隔开，直角角钢长度不小于y轴运动驱动箱表面的方口在两条滚珠滑轨之间的宽度，所述y轴滑动底座上设有与y轴滑动底座上端面滑动连接的防尘底板，防尘底板能在y轴滑动底座上端面被y轴滑动底座内的x轴调节模块驱动垂直于隔板一滑行，所述防尘底板上固定安装有所述J型旋转调节底座，所述J型旋转调节底座上安装有所述旋转俯仰调节模块，所述旋转俯仰调节模块上设置有安装工业相机的平台，旋转俯仰调节模块能驱动工业相机在平行于防尘底板和垂直于防尘底板的平面旋转。

优选地，所述x轴调节模块包括互相平行的直线导轨和第二丝杠结构、能被旋转的第二丝杠结构驱动并沿直线导轨滑行的I形连接板、用于驱动第二丝杠结构旋转的第二电机，直线导轨和第二丝杠结构垂直于两条滚珠滑轨并平行于防尘底板，直线导轨和第二丝杠结构安装在y轴滑动底座内。

优选地，所述y轴调节模块包括第一电机、第一丝杠结构、S形螺母座和第一传动螺母，所述第一电机固定安装在y轴运动驱动箱内侧的所述原送粉平台上，第一丝杠结构可旋转的安装在y轴运动驱动箱内侧，所述S形螺母座的下端与所述第一传动螺母相固定，所述S形螺母座上端固定安装在所述y轴滑动底座的底部，所述第一丝杠结构与所述第一电机的转轴相连并贯穿所述S形螺母座下端的第一传动螺母，所述第一丝杠结构平行于所述滚珠滑轨和原送粉平台上表面。

优选地，所述旋转俯仰调节模块包括第三电机、第四电机、旋转连接架和相机旋转支撑板，所述第三电机的输出轴通过螺纹连接竖立于所述J型旋转调节底座上，所述第三电机上端外壳的上表面设置有安装螺纹孔，旋转连接架包括矩形套筒和与矩形套筒端面平行的横折板，横折板与矩形套筒的一侧连接，所述横折板通过螺纹连接固定于所述第三电机的上表面，第三电机用于驱动旋转连接架绕第三电机的输出轴在平行于防尘底板的平面旋转，所述旋转连接架远离第三电机的一端的矩形套筒内安装有所述第四电机，使所述第四电机的输出轴与第三电机的输出轴垂直，且第四电机与第三电机的输出轴的延长线不相交，所述旋转支撑板呈U形，其一端与所述第四电机的输出轴相连接，另一端通过轴承安装在所述矩形套筒的侧面。

优选地，所述y轴滑动底座上还设置有防尘罩，用于将J型旋转调节底座、旋转俯仰调节模块、工业相机包裹起来，防尘罩面向工业相机的一侧为透明材质，防止金属粉末和熔池飞溅对工业相机的损伤。

优选地，所述电机控制模块包括第一丝杠电机控制模块、第二丝杠电机控制模块及旋转俯仰调节电机控制模块。

优选地，所述x轴调节模块和y轴调节模块的调节范围均为55mm，所述旋转俯仰调节模块调节的最大俯角和最大水平转动角度均为22°。

本发明提供一种利用上述装置进行激光快速成型的方法，包括如下步骤：

S1、手动发送指令到刮刀运动控制器，完成第一层粉末的铺粉和烧结成形工作，刮刀返回储粉腔远离隔板一的一侧的初始位置；

S2、待激光镜筒完成熔池中的第一层金属粉末的烧结，协同控制模块发送指令给刮刀、原成形平台、新成形平台的运动控制器，使原成形平台向下运动，新成形平台向下运动，新送粉平台向上运动抬高储粉腔内的金属粉末；

S3、协同控制模块发送指令使刮刀向隔板一移动，在熔池上表面平铺一层金属粉末，刮刀越过新收粉仓，停留在与新收粉仓靠近隔板一的一侧；同时实时监测移动平台沿y轴向远离隔板一一侧移动，到达工业相机和实时监测移动平台均不与刮刀碰撞的位置；

S4、协同控制模块发送指令使原成形平台向上运动，新成形平台上升抬高熔池上表面的金属粉末层，新送粉平台下降；

S5、协同控制模块发送指令使刮刀向初始位置移动，并停留在初始位置，减薄熔池上表面金属粉末层的厚度；同时实时监测移动平台沿y轴隔板一移动，并移动x轴和调节旋转俯仰角度，直至工业相机对准到激光加工信号区域；

S6、激光镜筒向熔池中发射激光进行新一层金属粉末的烧结，直至烧结完成；

S7、按照步骤S2至步骤S5依次进行，直至打印完成。

优选地，在所述运动时序的控制中，实时监测移动平台沿y轴向远离隔板一一侧移动到y轴滑动底座远离隔板一的一端后，工业相机与隔板一的距离不小于50mm。

优选地，步骤S3中实时监测移动平台在x轴方向可移动的宽度为50mm。

优选地，成型腔内的电源线、信号线通过成型腔上钢板开的孔引出到成形腔外，与外部电源、控制器、电脑相连接。

优选地，成型腔内的电源不与打印机电器系统连接，形成单独电气控制。

优选地，所述第一丝杆、第二丝杠采用步进电机闭环驱动技术，选用持续输出扭矩为不小于1.3N·m的步进电机，配合导程为4mm的滚珠丝杆，最大转速可达为2500rpm，最大负载15kg，保证了在10s内配合刮刀进行后退和前进。

优选地，所述旋转俯仰调节模块的电机控制模块采用总线控制方式。

优选地，所述第三电机采用空心轴式直流无刷电机。

优选地，所述第四电机所述采用驱动器、编码器和减速器集成的伺服电机。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明通过x轴调节模块、y轴调节模块、旋转俯仰调节模块及电机控制模块能够实现实时监测移动平台的x轴、y轴的运动，进而调整调整工业相机的位置和角度到合适的信号采集距离，使工业相机能够始终对准激光扫描区域，精准监测到熔池内发生的物理现象、以及包括孔洞、球化等每层粉末熔化成形质量缺陷；同时，本发明克服了选择性激光熔化成形腔空间局限和环境干扰因素多等问题，可以实现与刮刀协同运动；此外，整个实时监测移动平台可以搭载多种传感器，与刮刀高精度协同运动。传感器远离激光烧结成形区域，不因激光镜筒的移动意外被照射，产生信号干扰，导致实时监测移动平台的不可控移动，总之，所述监测装置具有控制精度高、局部成像清晰、监控质量高的优点，具有潜在的应用价值。

(2)本发明中x轴调节模块与y轴调节模块呈上下两个移动机构，上层移动机构采用电机控制同步带组件传动，再与滚珠丝杆连接，滚珠丝杆具有传动平稳，摩擦损失下等优点，所述同步带组件传动准确，工作时不滑动，传送平稳，两者相互配合，既使空间得到了有效的利用，又提升了机构的安全性和稳定性；下层移动机构采用电机控制滚珠丝杆的方式，与上层空间相适应，提高了整体空间利用率。

(3)本发明中x轴调节模块都支撑在滑轨上，并与下层移动装置中的螺母座连接，从而实现前后移动，既可以保证下层移动装置的正常滑动，又可以有效连接上下两部分防尘罩，本发明创造性地提出将双节滑轨用于滚珠丝杆的设计中，利用了其传动平稳，摩擦较小的优点，实现了调节的平稳性和精准性。

(4)由于下层空间限制，滚珠丝杆的长度受到电机长度和联轴器的影响，所以就使得下层移动位置受限，本发明y轴调节模块的螺母座采用“S”型结构，极大地提升了下层移动位置的灵活性。

(5)3D打印机在工作过程中粉尘极易对观测平台的相机以及电机造成影响，粉尘颗粒大小能达到微米级别，防尘一旦做不好，极易对丝杆的运动，电机和相机的正常运行造成影响，本发明采用上下分离式的防尘方式，移动装置分别位于上下两部分，中间用滑轨连接。其中上层的防尘将两个直角角钢分别安装在前后两侧，随机构前后移动，防止了粉尘在工作过程中落入下层装置；防尘罩和防尘底板将两个电机及下层机构同时罩住，又对装置起到了固定支撑作用。

(6)本发明用原送粉平台实现了工业相机的z轴运动，在原有原成形平台分隔出新送粉平台、新成形平台和新收粉仓，既实现了收粉、送粉、激光成型必要功能，又合理利用了成型腔局促的空间实现了体积较大或较重的摄像机的空间运动和近距离观察激光烧结。

(7)本发明中摄像机的空间运动可分解为x、y、z轴运动和旋转、俯仰运动，相机运动轨迹易识别预测，实时监测移动平台容易根据激光镜筒的运动跟随着向x、y、z轴避开激光，较现有技术中的旋转升降运动更易避开激光射线，尤其是现有技术中的旋转升降摄像摄像机，若加长镜头并增加防尘罩，不可避免的会在运动中遮挡激光射线，故本发明摄像机可近距离观察激光烧结。

(8)本发明中可以实现有在线监测和没有在线监测功能的两种模式选择的选择性激光熔化成形。当在原送粉平台上拆除实时监测移动平台和在原成形平台上拆除新送粉平台、新成形平台和新收粉仓后，有利于使经本发明的技术方案改造后的选择性激光熔化工作台还原为原有的一体式结构工作台，使同一设备具有可改造性和多方面的用途。在没有在线监测功能模式下工作时，成型腔内工作区域恢复为收粉舱、原送粉平台、铺粉和成形平台，将工作时序恢复为没有在线监测功能模式下工作时序即可。本发明的技术方案使现有的一体式结构工作台更容易的升级改造，实现新的功能解决新的问题。

附图说明

图1为本发明装置整体示意图；

图2为本发明实施例1所述实时监测装置整体结构示意图；

图3为本发明实施例1所述实时监测装置整体的防尘底板平剖后的结构示意图

图4为本发明实施例1所述x轴调节模块结构示意图；

图5为本发明实施例1所述x轴调节模块的零件结构示意图；

图6为本发明实施例1所述y轴调节模块结构示意图；

图7为本发明实施例1所述旋转俯仰调节模块结构示意图。

其中，图中标记说明如下：

1、原成形平台；2、原送粉平台；3、实时监测移动平台；4、电机控制模块；5、协同控制模块；6、刮刀；7、新送粉平台；8、新成形平台；9、新收粉仓；10、防护模块；11、y轴运动驱动箱；12、滚珠滑轨；13、y轴调节模块；14、y轴滑动底座；15、直线导轨；16、x轴调节模块；17、防尘底板；18、J型旋转调节底座；19、旋转俯仰调节模块；20、工业相机；21、直角角钢；22、防尘罩；23、防护模块；101、第一电机；102、第一丝杆结构；103、S形螺母座；104、第一传动螺母；201、第二电机；202、同步带组件；203、第二丝杆结构；204、I形连接板；205、L形电机固定架；206、第二传动螺母；30、隔板一；31、隔板二；32、隔板三；33、激光镜筒；301、第三电机；302、第四电机；303、旋转连接架；304、相机旋转支撑板；3031、矩形套筒；3032、横折板。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案和发明优势更加清楚阐述，以下将结合说明书附图对本发明做进一步详细讲解。

参见图1所示，一种选择性激光成型实时监测装置，包括成型腔、原成形平台1、原送粉平台2、刮刀6、新送粉平台7、新成形平台8和新收粉仓9，所述成型腔内底部连通的竖向矩形通道I被隔板一30分隔成两个竖向矩形通道II，各竖向矩形通道II内设置有可升降的原成形平台1和原送粉平台2，所述平行于隔板一30布置的隔板二31和隔板三32将原成形平台1上方分隔成靠近隔板一30的新收粉仓9、远离隔板一30的储粉腔，和位于中间的熔池，储粉腔和熔池底部为可升降的新送粉平台7、新成形平台8，新送粉平台7、新成形平台8分别用于阻止储粉腔内的金属粉末、熔池中的金属粉末向下漏，及升降储粉腔内的金属粉末、熔池中的金属粉末和金属零件，所述成型腔内底部设置有沿底面在新送粉平台7和新收粉仓9之间往复运动的刮刀6，所述熔池上方设有激光镜筒33，用于使发射的激光束在熔池表面移动并熔化熔池中的金属粉末，从而逐层堆积金属粉末，获得异形的致密的金属零件，所述原送粉平台2上方设置有实时监测移动平台3；

参见图2～3所示，本实施例中，实时监测移动平台3包括y轴运动驱动箱11、y轴调节模块13、x轴调节模块16、J型旋转调节底座18、旋转俯仰调节模块19、电机控制模块4、协同控制模块5和防护模块；

本实施例中，防护模块包括防尘底板17和直角角钢21；

本实施例中，y轴运动驱动箱11固定安装在所述原送粉平台2上表面，所述y轴运动驱动箱11背向原送粉平台2的表面设有平行于隔板一30的两条滚珠滑轨12，y轴滑动底座14通过所述滚珠滑轨12安装于y轴运动驱动箱11上，两条滚珠滑轨12之间的y轴运动驱动箱11表面开设方口，y轴运动驱动箱11内安装有所述y轴调节模块13，y轴调节模块13能在方口内驱动所述y轴滑动底座14沿滚珠滑轨12滑行，位于滚珠滑轨12两端的y轴滑动底座14的侧面安装有直角角钢21，直角角钢21的一侧棱面对齐y轴运动驱动箱11表面，直角角钢21的另一侧棱面紧靠y轴滑动底座14的侧面，并且直角角钢21的两端与两条滚珠滑轨12的延长线间隔隔开，直角角钢21长度不小于y轴运动驱动箱11表面的方口在两条滚珠滑轨12之间的宽度，y轴滑动底座14上设有与y轴滑动底座14上端面滑动连接的防尘底板17，防尘底板17能在y轴滑动底座14上端面被y轴滑动底座14内的x轴调节模块16驱动垂直于隔板一30滑行。

y轴滑动底座14中固定安装有两套直线导轨15，直线导轨15上的滑块与x轴调节模块16中的I形连接板204的两侧下端面相固定，I形连接板204的上端面固定有防尘底板17，防尘底板17可由x轴调节模块16带动沿y轴方向进行左右移动，防尘底板17上固定安装有所述J型旋转调节底座18，J型旋转调节底座18上安装有旋转俯仰调节模块19，旋转俯仰调节模块19中设置有安装工业相机20的平台。

参见图4～5所示，x轴调节模块16包括第二电机201、同步带组件202、第二丝杠结构203、I形连接板204、L形电机固定架205和第二传动螺母206，直线导轨15和第二丝杠结构203互相平行，I形连接板204能被旋转的第二丝杠结构203驱动并沿直线导轨15滑行，第二电机201用于驱动第二丝杠结构203旋转。

第二电机201通过L形电机固定架205螺纹连接固定于所述y轴滑动底座14上，I形连接板204的底部凹槽与第二传动螺母206采用螺纹连接方式固定，同步带组件202通过y轴滑动底座14上的槽孔驱动第二丝杠结构203转动。通过上述结构的设置，第二电机201与y轴滑动底座14同步移动，并带动同步带组件202运动，进而带动第二丝杠结构203转动，最终通过I形连接板204带动防尘底板17沿x轴方向进行移动，从而实现对工业相机20沿y轴的移动调节。直线导轨15和第二丝杠结构203垂直于两条滚珠滑轨12并平行于防尘底板17。

参见图6所示，y轴调节模块13包括第一电机101、第一丝杠结构102、S形螺母座103和第一传动螺母104，第一电机101固定安装在原送粉平台2上，第一丝杠结构102与第一电机101的转轴相连并贯穿所述S形螺母座103下端的第一传动螺母104，S形螺母座103的下端与第一传动螺母104相固定，S形螺母座103上端固定安装在y轴滑动底座14的底部。通过上述结构的设置，第一丝杠结构102可带动y轴滑动底座14沿x轴方向进行移动，从而实现对工业相机20沿x轴的移动调节，调节范围为55mm。所述第一丝杠结构102平行于所述滚珠滑轨12和原送粉平台2上表面。

参见图7所示，旋转俯仰调节模块19包括第三电机301、第四电机302、旋转连接架303和相机旋转支撑板304，所述第三电机301的输出轴通过螺纹连接竖立于所述J型旋转调节底座18上，所述第三电机301上端外壳的上表面设置有安装螺纹孔，旋转连接架303包括矩形套筒3031和与矩形套筒3031端面平行的横折板3032，横折板3032与矩形套筒3031的一侧连接，所述横折板3032通过螺纹连接固定于所述第三电机301的上表面，第三电机301用于驱动旋转连接架303绕第三电机301的输出轴在平行于防尘底板17的平面旋转，所述旋转连接架303远离第三电机301的一端的矩形套筒3031内安装有所述第四电机302，使所述第四电机302的输出轴与第三电机301的输出轴垂直，且第四电机302与第三电机301的输出轴的延长线不相交，所述旋转支撑板304呈U形，其一端与所述第四电机302的输出轴相连接，另一端通过轴承安装在所述矩形套筒3031的侧面。

本实施例中，所述工业相机20优选为高速相机，所述工业相机20还可以配备有高倍率放大镜头，工业相机20在监测熔池的过程中，跟随熔池同步移动。

本实施例中，第一电机101和第二电机201均选用步进电机，该型号电机的额定扭矩为1.3N·m；所选步进电机最高转速可达2500rpm，第一丝杠结构102和第二丝杠结构203均为现有技术，本发明不做具体的限定，所述第一丝杆结构102和第二丝杆结构203的导程均为4mm，电机和丝杆的配合使用，可满足机构的移动速度达到150mm/s。

本实施例中，第三电机301为一种空心轴式直流无刷电机，其额定扭矩为1.2N·m，最高转速可达300rpm；第四电机302为伺服电机，其额定扭矩为6.9N·m，最高转速为111rpm。

作为对本实施例的进一步改进，所述实时监测移动平台3还搭载传感器，所述传感器可以是一个，可以是多个，可以用于监测包括温度在内的诸多工艺参数，便于及时反馈以调整选择性激光熔化成形的工艺参数，和感知实时监测移动平台3上各个部件的空间位置，对实时监测移动平台的运动进行辅助控制；所述电机控制模块4包括第一丝杠电机控制模块、第二丝杠电机控制模块及旋转俯仰调节电机控制模块，第一丝杠电机控制模块用于控制第一丝杠结构102的运动，进而调整实时监测移动平台3在y轴方向上的运动；第二丝杠电机控制模块用于控制第二丝杠结构203的运动，进而调整实时监测移动平台3在x轴方向上的运动；旋转俯仰调节电机控制模块用于间接调整实时监测移动平台3在z轴方向上的运动。

本实施例中，所述电机控制模板4、协同控制模块5、y轴调节模块13、x轴调节模块16、旋转俯仰调节模块19和工业相机20均与计算机控制系统相连接。电机的转速与转向由计算机控制系统调节，以控制调节模块的调节速度与调节方向；工业相机20将采集到的图像信息交由计算机控制系统进行处理，并根据处理信息优化选择性激光熔化成形的工艺参数。计算机控制系统同样是现有技术，本发明并不对系统的构成做具体限定。

通过本发明设置的y轴调节模块13、x轴调节模块16、旋转俯仰调节模块19，能够实现工业相机20在y轴、x轴、z轴的全方位监测，同时通过工业相机20上设置的高倍率放大镜头，能够实现熔池局部的高清成像；上述模块与计算机控制系统相连，能够实现监测角度和方位的及时反馈和调整，进一步保证了监测的精度。

作为对本实施例的进一步改进，所述y轴滑动底座14上还设置有防尘罩22，用于将J型旋转调节底座18、旋转俯仰调节模块19、工业相机20包裹起来,防尘罩22面向工业相机20的一侧为透明材质，所述防尘罩跟随工业相机同步运动，防止金属粉末和熔池飞溅对工业相机的损伤。

作为对本实施例的进一步改进，所述旋转俯仰调节模块19可控制工业相机的俯仰角度和水平转动角度，调节的最大俯角和最大水平转动角度均为22°。

本实施例还提供一种利用上述装置进行激光快速成型的方法，具体如下：

S1、手动发送指令到刮刀运动控制器，完成第一层粉末的铺粉和烧结成形工作，刮刀6返回储粉腔远离隔板一30的一侧的初始位置；

S2、待激光镜筒33完成熔池中的第一层金属粉末的烧结，协同控制模块5发送指令给刮刀6、原成形平台1、新成形平台8的运动控制器，使原成形平台1向下运动，新成形平台8向下运动，新送粉平台7向上运动抬高储粉腔内的金属粉末；

S3、协同控制模块5发送指令使刮刀6向隔板一30移动，在熔池上表面平铺一层金属粉末，刮刀6越过新收粉仓9，停留在与新收粉仓9靠近隔板一30的一侧；同时实时监测移动平台3沿y轴向远离隔板一30一侧移动，到达工业相机20和实时监测移动平台3均不与刮刀6碰撞的位置；

S4、协同控制模块5发送指令使原成形平台1向上运动，新成形平台8上升抬高熔池上表面的金属粉末层，新送粉平台7下降；

S5、协同控制模块5发送指令使刮刀6向初始位置移动，并停留在初始位置，减薄熔池上表面金属粉末层的厚度；同时实时监测移动平台3沿y轴隔板一30移动，并移动x轴和调节旋转俯仰角度，直至工业相机20对准到激光加工信号区域；

S6、激光镜筒33向熔池中发射激光进行新一层金属粉末的烧结，直至烧结完成；

S7、按照步骤S2至步骤S5依次进行，直至打印完成。

本实施例中，

在所述运动时序的控制中，实时监测移动平台沿y轴向远离隔板一一侧移动到y轴滑动底座远离隔板一的一端后，工业相机与隔板一的距离不小于50mm。

优选地，步骤S3中实时监测移动平台在x轴方向可移动的宽度为50mm。

需要特别说明的是，运动控制系统均属于现有技术，只需要接收并完成相应的指令即可，本发明并不对上述控制系统/控制器做特别的保护和说明。

以上说明描述本发明中的一个较佳的实施方式，不应将其看作为是对本发明权利要求保护范围的限制。在不脱离本发明原理和精神的情况下，任何修改、等效替换及改进，都应视为在本发明权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种选择性激光成型实时监测装置，包括成型腔、原成形平台(1)、原送粉平台(2)、刮刀(6)、新送粉平台(7)、新成形平台(8)和新收粉仓(9)，其特征在于，所述成型腔内底部连通的竖向矩形通道I被隔板一(30)分隔成两个竖向矩形通道II，其中一个竖向矩形通道II内设置有可升降的原成形平台(1)，另一个竖向矩形通道II内设置有原送粉平台(2)，平行于隔板一(30)布置的隔板二(31)和隔板三(32)将原成形平台(1)上方分隔成靠近隔板一(30)的新收粉仓(9)、远离隔板一(30)的储粉腔，和位于中间的熔池，储粉腔和熔池底部为可升降的新送粉平台(7)、新成形平台(8)，新送粉平台(7)、新成形平台(8)分别用于阻止储粉腔内的金属粉末、熔池中的金属粉末向下漏，及升降储粉腔内的金属粉末、熔池中的金属粉末和金属零件，所述成型腔内底部设置有沿底面在新送粉平台(7)和新收粉仓(9)之间往复运动的刮刀(6)，所述熔池上方设有激光镜筒(33)，用于使发射的激光束在熔池表面移动并熔化熔池中的金属粉末，从而逐层堆积金属粉末，获得异形的致密的金属零件，所述原送粉平台(2)上方设置有实时监测移动平台(3)；

其中，所述实时监测移动平台(3)包括y轴运动驱动箱(11)、y轴调节模块(13)、x轴调节模块(16)、J型旋转调节底座(18)、旋转俯仰调节模块(19)，电机控制模块(4)信号控制y轴调节模块(13)、x轴调节模块(16)及旋转俯仰调节模块(19)，协同控制模块(5)信号连接刮刀(6) 的运动控制器、原成形平台(1) 的运动控制器、新成形平台(8) 的运动控制器、新送粉平台(7) 的运动控制器以及原送粉平台(2)的运动控制器；

其中，所述y轴运动驱动箱(11)固定安装在所述原送粉平台(2)上表面，所述y轴运动驱动箱(11)背向原送粉平台(2)的表面设有平行于隔板一(30)的两条滚珠滑轨(12)，两条滚珠滑轨(12)之间的y轴运动驱动箱(11)表面开设方口，y轴滑动底座(14)底面与所述滚珠滑轨(12)滑动连接，y轴运动驱动箱(11)内安装有y轴调节模块(13)，y轴调节模块(13)能在方口内驱动所述y轴滑动底座(14)沿滚珠滑轨(12)滑行，位于滚珠滑轨(12)两端的y轴滑动底座(14)的侧面安装有直角角钢(21)，直角角钢(21)的一侧棱面对齐y轴运动驱动箱(11)表面，直角角钢(21)的另一侧棱面紧靠y轴滑动底座(14)的侧面，并且直角角钢(21)的两端与两条滚珠滑轨(12)的延长线间隔隔开，直角角钢(21)长度不小于y轴运动驱动箱(11)表面的方口在两条滚珠滑轨(12)之间的宽度，所述y轴滑动底座(14)上设有与y轴滑动底座(14)上端面滑动连接的防尘底板(17)，防尘底板(17)能在y轴滑动底座(14)上端面被y轴滑动底座(14)内的x轴调节模块(16)驱动垂直于隔板一(30)滑行，所述防尘底板(17)上固定安装有所述J型旋转调节底座(18)，所述J型旋转调节底座(18)上安装有所述旋转俯仰调节模块(19)，所述旋转俯仰调节模块(19)上设置有安装工业相机(20)的平台，旋转俯仰调节模块(19)能驱动工业相机(20)在平行于防尘底板(17)和垂直于防尘底板(17)的平面旋转。

2.根据权利要求1所述的一种选择性激光成型实时监测装置，其特征在于，所述x轴调节模块(16)包括互相平行的直线导轨(15)和第二丝杠结构(203)、能被旋转的第二丝杠结构(203)驱动并沿直线导轨(15)滑行的I形连接板(204)、用于驱动第二丝杠结构(203)旋转的第二电机(201)，直线导轨(15)和第二丝杠结构(203)垂直于两条滚珠滑轨(12)并平行于防尘底板(17)，直线导轨(15)和第二丝杠结构(203)安装在y轴滑动底座(14)内。

3.根据权利要求1所述的一种选择性激光成型实时监测装置，其特征在于，所述y轴调节模块(13)包括第一电机(101)、第一丝杠结构(102)、S形螺母座(103)和第一传动螺母(104)，所述第一电机(101)固定安装在y轴运动驱动箱(11)内侧的所述原送粉平台(2)上，第一丝杠结构(102)可旋转的安装在y轴运动驱动箱(11)内侧，所述S形螺母座(103)的下端与所述第一传动螺母(104)相固定，所述S形螺母座(103)上端固定安装在所述y轴滑动底座(14)的底部，所述第一丝杠结构(102)与所述第一电机(101)的转轴相连并贯穿所述S形螺母座(103)下端的第一传动螺母(104)，所述第一丝杠结构(102)平行于所述滚珠滑轨(12)和原送粉平台(2)上表面。

4.根据权利要求1所述的一种选择性激光成型实时监测装置，其特征在于，所述旋转俯仰调节模块(19)包括第三电机(301)、第四电机(302)、旋转连接架(303)和相机旋转支撑板(304)，所述第三电机(301)的输出轴通过螺纹连接竖立于所述J型旋转调节底座(18)上，所述第三电机(301)上端外壳的上表面设置有安装螺纹孔，旋转连接架(303)包括矩形套筒(3031)和与矩形套筒(3031)端面平行的横折板(3032)，横折板(3032)与矩形套筒(3031)的一侧连接，所述横折板(3032)通过螺纹连接固定于所述第三电机(301)的上表面，第三电机(301)用于驱动旋转连接架(303)绕第三电机(301)的输出轴在平行于防尘底板(17)的平面旋转，所述旋转连接架(303)远离第三电机(301)的一端的矩形套筒(3031)内安装有所述第四电机(302)，使所述第四电机(302)的输出轴与第三电机(301)的输出轴垂直，且第四电机(302)与第三电机(301)的输出轴的延长线不相交，所述旋转支撑板(304)呈U形，其一端与所述第四电机(302)的输出轴相连接，另一端通过轴承安装在所述矩形套筒(3031)的侧面。

5.根据权利要求1所述的一种选择性激光成型实时监测装置，其特征在于，所述y轴滑动底座(14)上还设置有防尘罩(22)，用于将J型旋转调节底座(18)、旋转俯仰调节模块(19)、工业相机(20)包裹起来，防尘罩(22)面向工业相机(20)的一侧为透明材质。

6.根据权利要求1所述的一种选择性激光成型实时监测装置，其特征在于，所述电机控制模块(4)包括第一丝杠电机控制模块、第二丝杠电机控制模块及旋转俯仰调节电机控制模块。

7.根据权利要求6所述的一种选择性激光成型实时监测装置，其特征在于，所述x轴调节模块(16)和y轴调节模块(13)的调节范围均为55mm，所述旋转俯仰调节模块(19)调节的最大俯角和最大水平转动角度均为22°。

8.一种利用权利要求1~7任一项所述装置进行激光快速成型的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、手动发送指令到刮刀运动控制器，完成第一层粉末的铺粉和烧结成形工作，刮刀(6)返回储粉腔远离隔板一(30)的一侧的初始位置；

S2、待激光镜筒(33)完成熔池中的第一层金属粉末的烧结，协同控制模块(5)发送指令给刮刀(6) 的运动控制器、原成形平台(1) 的运动控制器、新成形平台(8)的运动控制器以及新送粉平台(7) 的运动控制器，使原成形平台(1)向下运动，新成形平台(8)向下运动，新送粉平台(7)向上运动抬高储粉腔内的金属粉末；

S3、协同控制模块(5)发送指令使刮刀(6)向隔板一(30)移动，在熔池上表面平铺一层金属粉末，刮刀(6)越过新收粉仓(9)，停留在新收粉仓(9)靠近隔板一(30)的一侧；同时实时监测移动平台(3)沿y轴向远离隔板一(30)一侧移动，到达工业相机(20)和实时监测移动平台(3)均不与刮刀(6)碰撞的位置；

S4、协同控制模块(5)发送指令使原成形平台(1)向上运动，新成形平台(8)上升抬高熔池上表面的金属粉末层，新送粉平台(7)下降；

S5、协同控制模块(5)发送指令使刮刀(6)向初始位置移动，并停留在初始位置，减薄熔池上表面金属粉末层的厚度；同时实时监测移动平台(3)沿y轴向靠近隔板一(30)一侧移动，并移动x轴和调节旋转俯仰角度，直至工业相机(20)对准到激光加工信号区域；

S6、激光镜筒(33) 向熔池中发射激光进行新一层金属粉末的烧结，直至烧结完成；

S7、按照步骤S2至步骤S5依次进行，直至打印完成。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，实时监测移动平台（3）沿y轴向远离隔板一（30）一侧移动到y轴滑动底座（14）远离隔板一（30）的一端后，工业相机（20）与隔板一（30）的距离不小于50mm，实时监测移动平台（3）在x轴方向可移动的宽度为50mm。

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