CN114734058A - 一种多激光拼接扫描路径规划方法及多激光拼接扫描方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多激光拼接扫描路径规划方法，包括将待成形区域划分为独立扫描区和多激光器重合拼接区；确定用于填充多激光器重合拼接区的细分扫描单元的标准尺寸，并根据多激光器重合拼接区的尺寸和细分扫描单元的标准尺寸确定细分扫描单元在多激光器重合拼接区的填充规则；确定各多激光器重合拼接区中各激光器的层内先后扫描顺序；进行多激光器重合拼接区的层内扫描策略规划，从细分扫描单元中生成层内重熔单元；进行多激光器重合拼接区的层间扫描策略规划，从细分扫描单元中生成层间重熔单元。本发明解决了多光束激光选区熔化成形制件存在的表面粗糙、致密度低、应力集中及变形开裂等问题。

Description

一种多激光拼接扫描路径规划方法及多激光拼接扫描方法
技术领域
本发明属于激光选区熔化成形技术领域，具体涉及多激光束拼接成形时使用的一种扫描路径规划方法。
背景技术
激光选区熔化成形技术(SLM)具有适应数字化复杂构件成形、柔性快速研制和材料利用率高等特点，在替代长流程高难度低可靠性传统工艺、整体化制造和系统集成设计与制造等方面表现出极大的优势，并已经成为解决复杂构件高性能整体制造瓶颈的重要技术手段。而由于激光振镜的限制，单光束最大成形幅面通常不超过400mm*400mm，而航空、航天、船舶、核电等现代工业的金属构件正朝着大型化、复杂化、一体化、高性能化方向发展，为进一步提高SLM技术的成形效率和成形尺寸，满足航空、航天、核工业等领域对大尺寸复杂金属构件的制造需求，多光束激光选区熔化成形技术(MB-SLM)应运而生。
MB-SLM技术采用多个激光束与多台扫描振镜分区同时扫描成形，最终通过多光束拼接实现大尺寸构件的制造，由于多光束拼接区域经历多束激光重复扫描，相比单光束区，存在更剧烈的能量交换、更复杂的物理和化学反应，故其在成形过程中除了需要考虑单一激光器成形区域能量输入，还需考虑拼接区域能量输入及区域间的协同。通常MB-SLM技术由于拼接区域能量输入时间及顺序规划不合理，导致拼接区域存在表面粗糙、致密度低、应力集中及变形开裂等一系列质量问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种多激光拼接扫描路径规划方法，对多光束激光拼接成形过程中拼接区域能量输入时间及顺序进行合理规划；本发明还提供一种采用上述多激光拼接扫描路径规划方法对将待成形区域进行扫描的多激光拼接扫描方法。本发明解决了多光束激光选区熔化成形制件存在的表面粗糙、致密度低、应力集中及变形开裂等问题，在激光选区熔化成形技术领域具有广泛的应用前景。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种多激光拼接扫描路径规划方法，包括：
将待成形区域划分为独立扫描区和多激光器重合拼接区；所述独立扫描区由单一激光器负责，多激光器重合拼接区由大于一个激光器共同负责；
确定用于填充多激光器重合拼接区的细分扫描单元的标准尺寸，并根据多激光器重合拼接区的尺寸和细分扫描单元的标准尺寸确定细分扫描单元在多激光器重合拼接区的填充规则；
确定各多激光器重合拼接区中各激光器的层内先后扫描顺序；
进行多激光器重合拼接区的层内扫描策略规划，从细分扫描单元中生成层内重熔单元；
进行多激光器重合拼接区的层间扫描策略规划，从细分扫描单元中生成层间重熔单元；
所述层内重熔单元和层间重熔单元的尺寸与细分扫描单元尺寸相等。
进一步的，根据各激光器所在位置和各激光器的参数将待成形区域划分为独立扫描区和多激光器重合拼接区。
进一步的，多激光器重合拼接区包括由两个激光器共同负责的双激光器重合拼接区和由两个以上激光器共同负责的两个以上激光器重合拼接区；
将两个以上激光器重合拼接区的层内扫描指定给两个以上激光器中的两个激光器负责，且被指定的两个激光器的组合为负责已有双激光重合拼接区的激光器的组合，并将所述两个以上激光器重合拼接区合并到所述已有双激光重合拼接区。
进一步的，记多激光器重合拼接区的长度为L，宽度为W，细分扫描单元的标准长度为l，标准宽度为w，根据多激光器重合拼接区的尺寸和细分扫描单元的标准尺寸确定细分扫描单元在多激光器重合拼接区的填充规则为：
若L/l为整数，则L方向采用L/l个标准尺寸的细分扫描单元填充；
若L/l不为整数，记n1为L/l的整数部分，n2为L/l除整数部分外的剩余部分，即余数部分，则L方向采用n1-1个标准尺寸的细分扫描单元以及一个长度为l+n2的细分扫描单元填充；
若W/w为整数，则W方向采用W/w个标准尺寸的细分扫描单元填充；
若W/w不为整数，记m1为W/w的整数部分，m2为W/w除整数部分外的的剩余部分，即余数部分，则W方向采用m1-1个标准尺寸的细分扫描单元以及一个宽度为w+m2的细分扫描单元填充。
进一步的，细分扫描单元的标准长度和标准宽度均≥5mm。
进一步的，确定各多激光器重合拼接区中各激光器的层内先后扫描顺序的具体方法为：将负责多激光重合拼接区两个激光器中的一个定义为先行激光器，另一个定义为后至激光器；先行激光器按先多激光器重合拼接区后独立扫描区的扫描顺序扫描，后至激光器按先独立扫描区后多激光器重合拼接区的扫描顺序扫描。
进一步的，若一个激光器在一个多激光重合拼接区被指定为先行激光器，则该激光器在它参与的其它多激光重合拼接区自动成为后至激光器。
进一步的，以排列组合的算法从细分扫描单元中生成层内重熔单元，具体方法为：每一多激光器重合拼接区宽度W方向所在列上，只有一个层内重熔单元；每一多激光器重合拼接区长度L方向所在行上，相邻重熔单元间以边或对角的形式相连，且以任一重熔单元与其他重熔单元以边相连时的最大连接数为2。
进一步的，以排列组合的算法从细分扫描单元中生成层间重熔单元，具体方法为：分层厚度H所在方向，相邻重熔单元间以边或对角的形式相连，且任一重熔单元与其他重熔单元以边相连时的最大连接数为2。
一种多激光拼接扫描方法，采用上述多激光拼接扫描路径规划方法对将待成形区域进行扫描。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明多激光拼接扫描路径规划方法将两个以上激光器重合拼接区简化为两个激光器重合拼接区，在保证成形质量的同时，减少了重熔次数，提升了制件性能与成形效率；
(2)本发明多激光拼接扫描路径规划方法，巧妙的设定了层内扫描顺序，避免出现多激光同时在局部狭小区域同时工作，因局部过热、造渣严重等因素引起的表面粗糙及夹杂问题；
(3)本发明多激光拼接扫描路径规划方法，用排列组合的方式进行扫描策略的规划，细分拼接区，最大限度减小大面积重熔引起的表面粗糙、致密度低、应力集中及变形开裂等问题；
(4)本发明多激光拼接扫描路径规划方法，规定相邻重熔单元间的连接规则，保证拼接区的连接效果，进而保证制件整体性能。
附图说明
图1为实施例1中一种多激光拼接扫描路径规划方法的待成形区域划分示意图；
图2为实施例2中一种多激光拼接扫描路径规划方法的待成形区域划分示意图；
图3为本发明一种多激光拼接扫描路径规划方法中重熔单元示意图；其中(a)、(b)、(c)分别为激光器重合拼接区的尺寸和细分扫描单元的标准尺寸的关系不同时，对应重熔单元的确定示意图；
图4为本发明层内相邻重熔单元连接示意图；其中(a)、(b)、(c)、(d)分别为重熔单元不同连接形式示意图；
图5为本发明层间相邻重熔单元连接示意图；其中(a)、(b)、(c)、(d)分别为重熔单元不同连接形式示意图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明提供的技术方案如下：
(1)扫描区域划分：如图1、2所示，根据各激光器光路所在位置及参数将成形区域分成单一激光器独立扫描区与多激光器重合拼接区，并把各区域分配给对应的激光器负责。独立扫描区，由对应的单一激光器独自负责；多激光器重合拼接区包括由对应的两个激光器共同负责的双激光重合拼接区和两个以上激光器共同负责的两个以上激光器重合拼接区；两个以上激光器重合拼接区，将每层的扫描指定给其中的两个激光器负责，且指定组合需为已有双激光重合拼接区的组合，并将其合并到已有双激光重合拼接区。
(2)重熔单元定义：如图3，将多激光重合拼接区长度记为L，宽度记为W，在该范围内用标准长度为l、宽度为w的细分扫描单元对其进行填充，细分扫描单元的大小即为重熔单元大小，实际拼接形成的重熔区都将从中产生。细分扫描单元填充多激光重合拼接区的规则为：若L/l为整数，则L方向将被分成L/l个部分，否则L方向将被分成L/l的整数部分加1个部分；若W/w为整数，则W方向将被分成W/w个部分，否则W方向将被分成W/w的整数部分加1个部分；为减少计算量且保证完全填充，对于L/l及W/w不为整数的情况，各自最后余数部分将被加到对应前一个标准单元上；l与w的数值根据需要设定，且均≥5mm。
(3)层内扫描顺序安排：将负责多激光重合拼接区两个激光器中的一个定义为先行激光器，该激光器按先拼接区后独立扫描区的扫描顺序扫描，另一个定义为后至激光器，该激光器按先独立扫描区后拼接区的扫描顺序扫描。若一种激光在一个多激光重合拼接区被指定为先行激光器，则它在它参与的其它多激光重合拼接区自动成为后至激光器。
(4)层内扫描策略规划：多激光重合拼接区的扫描策略为，以排列组合的算法从细分扫描单元中生成重熔单元，具体算法为每一多激光重合拼接区宽度W方向所在列上，只能有一个重熔单元；多激光重合拼接区长度L方向所在行上，相邻重熔单元间必需以边或对角的形式相连，且以边相连时最大连接数为2，如图4所示。独立扫描区的扫描策略与普通激光选区熔化成形设备使用的策略一致。
(5)层间扫描策略规划：多激光重合拼接区层间的扫描策略为，分层厚度H所在方向，相邻重熔单元间必需以边或对角的形式相连，且以边相连时最大连接数为2，如图5所示；同时注意对两个以上激光器的重合拼接区，要按照排列组合层层更换所负责的激光器，即对两个以上激光器的重合拼接区，需要更换相邻层负责的激光器。独立扫描区层间的扫描策略与普通激光选区熔化成形设备使用的策略一致。
实施例1：
双激光器拼接扫描方式及路径规划
(1)扫描范围划定：如图1双激光扫描范围划定示意，将双激光器所在成形区分为单一激光器独立扫描区a、b及多激光器重合拼接区o，单一激光器独立扫描区a、b分别由激光器a、b独立负责，多激光器重合拼接区o由激光器a、b共同负责。
(2)重熔单元定义：计算出多激光器重合拼接区o的长与宽分别记为L、W，用长l、宽w均为5mm的细分扫描单元填充，填充时若L、W方向有不满一格的，则各自最后余数部分加到对应前一个完整单元上；
(3)层内扫描顺序安排：将激光器a定义为先行激光器，该激光器按先多激光重合拼接区后独立扫描区的扫描顺序扫描；把激光器b定义为后至激光器，该激光器按先独立扫描区后多激光重合拼接区的扫描顺序扫描。
(4)层内扫描策略规划：多激光器重合拼接区o的扫描策略为，宽度W方向所在列上只有一个重熔单元，长度L方向所在行上相邻重熔单元间必需以边或对角的形式相连，且以边相连时最大连接数为2。独立扫描区的扫描策略与普通激光选区熔化成形设备使用的策略一致。
(5)层间扫描策略规划：多激光重合拼接区层间的扫描策略为，分层厚度所在方向，相邻重熔单元间必需以边或对角的形式相连；独立扫描区层间的扫描策略与普通激光选区熔化成形设备使用的策略一致。
实施例2：
四激光器拼接扫描方式及路径规划
(1)扫描范围划分：如图2四激光扫描范围划定示意，将四激光器所在成形区分为单一激光器独立扫描区A、B、C、D，双激光器重合拼接区QAB、QAC、QCD、QBD，四激光器重合拼接区Q。单一激光器独立扫描区A、B、C、D，分别由激光器A、B、C、D独立负责；双激光器重合拼接区QAB、QAC、QCD、QBD，分别由AB、AC、CD及BD共同负责；四激光器重合拼接区Q由AB、AC、BD、CD四种激光器的组合指定方式，本案例以当前层选择AB组合进行示意。
(2)重熔单元定义：计算出多激光器重合拼接区QAB、QAC、QCD、QBD及Q各自的长与宽，用长5mm、宽6mm的细分扫描单元填充，填充时若有不满一格的，则各自最后余数部分加到对应前一个完整单元上。
(3)层内扫描顺序安排：扫描的一种顺序为：将四激光器重合拼接区Q指定给AB激光器组合，将其与原双激光器重合拼接区QAB合并为新的双激光器重合拼接区QAB’。指定激光器A为新的双激光器重合拼接区QAB’的先行激光，则C自动成为QAC先行激光，D自动成为QCD先行激光，B自动成为QBD先行激光，各激光器按先多激光重合拼接区后独立扫描区的扫描顺序完成整个成形区域的扫描。
(4)层内扫描策略规划：多激光器重合拼接区QAB、QAC、QCD、QBD及Q的扫描策略为，宽度方向所在列上只有一个重熔单元，长度方向所在行上相邻重熔单元间必需以边或对角的形式相连，且以边相连时最大连接数为2；对于多激光器重合拼接区Q，相邻层需改变指定激光器的组合。独立扫描区的扫描策略与普通激光选区熔化成形设备使用的策略一致。
(5)层间扫描策略规划：多激光重合拼接区层间的扫描策略为：分层厚度所在方向，相邻重熔单元间必需以边或对角的形式相连；独立扫描区层间的扫描策略与普通激光选区熔化成形设备使用的策略一致。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种多激光拼接扫描路径规划方法，其特征在于，包括：
将待成形区域划分为独立扫描区和多激光器重合拼接区；所述独立扫描区由单一激光器负责，多激光器重合拼接区由大于一个激光器共同负责；
确定用于填充多激光器重合拼接区的细分扫描单元的标准尺寸，并根据多激光器重合拼接区的尺寸和细分扫描单元的标准尺寸确定细分扫描单元在多激光器重合拼接区的填充规则；
确定各多激光器重合拼接区中各激光器的层内先后扫描顺序；
进行多激光器重合拼接区的层内扫描策略规划，从细分扫描单元中生成层内重熔单元；
进行多激光器重合拼接区的层间扫描策略规划，从细分扫描单元中生成层间重熔单元；
所述层内重熔单元和层间重熔单元的尺寸与细分扫描单元尺寸相等。
2.根据权利要求1所述的一种多激光拼接扫描路径规划方法，其特征在于，根据各激光器所在位置和各激光器的参数将待成形区域划分为独立扫描区和多激光器重合拼接区。
3.根据权利要求1所述的一种多激光拼接扫描路径规划方法，其特征在于，多激光器重合拼接区包括由两个激光器共同负责的双激光器重合拼接区和由两个以上激光器共同负责的两个以上激光器重合拼接区；
将两个以上激光器重合拼接区的层内扫描指定给两个以上激光器中的两个激光器负责，且被指定的两个激光器的组合为负责已有双激光重合拼接区的激光器的组合，并将所述两个以上激光器重合拼接区合并到所述已有双激光重合拼接区。
4.根据权利要求1所述的一种多激光拼接扫描路径规划方法，其特征在于，记多激光器重合拼接区的长度为L，宽度为W，细分扫描单元的标准长度为l，标准宽度为w，根据多激光器重合拼接区的尺寸和细分扫描单元的标准尺寸确定细分扫描单元在多激光器重合拼接区的填充规则为：
若L/l为整数，则L方向采用L/l个标准尺寸的细分扫描单元填充；
若L/l不为整数，记n1为L/l的整数部分，n2为L/l的剩余部分，则L方向采用n1-1个标准尺寸的细分扫描单元以及一个长度为l+n2的细分扫描单元填充；
若W/w为整数，则W方向采用W/w个标准尺寸的细分扫描单元填充；
若W/w不为整数，记m1为W/w的整数部分，m2为W/w的剩余部分，则W方向采用m1-1个标准尺寸的细分扫描单元以及一个宽度为w+m2的细分扫描单元填充。
5.根据权利要求1或4所述的一种多激光拼接扫描路径规划方法，其特征在于，细分扫描单元的标准长度和标准宽度均≥5mm。
6.根据权利要求3所述的一种多激光拼接扫描路径规划方法，其特征在于，确定各多激光器重合拼接区中各激光器的层内先后扫描顺序的具体方法为：将负责多激光重合拼接区两个激光器中的一个定义为先行激光器，另一个定义为后至激光器；先行激光器按先多激光器重合拼接区后独立扫描区的扫描顺序扫描，后至激光器按先独立扫描区后多激光器重合拼接区的扫描顺序扫描。
7.根据权利要求6所述的一种多激光拼接扫描路径规划方法，其特征在于，若一个激光器在一个多激光重合拼接区被指定为先行激光器，则该激光器在它参与的其它多激光重合拼接区自动成为后至激光器。
8.根据权利要求1所述的一种多激光拼接扫描路径规划方法，其特征在于，以排列组合的算法从细分扫描单元中生成层内重熔单元，具体方法为：每一多激光器重合拼接区宽度W方向所在列上，只有一个层内重熔单元；每一多激光器重合拼接区长度L方向所在行上，相邻重熔单元间以边或对角的形式相连，且以任一重熔单元与其他重熔单元以边相连时的最大连接数为2。
9.根据权利要求1所述的一种多激光拼接扫描路径规划方法，其特征在于，以排列组合的算法从细分扫描单元中生成层间重熔单元，具体方法为：分层厚度H所在方向，相邻重熔单元间以边或对角的形式相连，且任一重熔单元与其他重熔单元以边相连时的最大连接数为2。
10.一种多激光拼接扫描方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的多激光拼接扫描路径规划方法对将待成形区域进行扫描。
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