CN116275114A - 一种基于激光增材制造的过程监控控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种基于激光增材制造的过程监控控制系统，包括模型存储单元、模型获取单元、模型分析单元、模型处理单元以及控制执行单元，其中模型分析单元确定增材制造的复杂度，根据该复杂度确定各部件的最小表面积以确定将部件的特征位置保留为特征区域或分割为部件，以及分析得出各部件的连接位置和各特征区域以及部件的实际表面积，模型处理单元根据各连接位置将待增材制造的三维模型分割为若干部件，根据各部件的连接位置构建各部件的三维坐标系，并根据部件的各特征区域的面积确定特征区域的增材制造加工方式为激光雕刻或增材制造，提高了对连接位置复杂且精密度高的结构件进行加工制造的精度。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种基于激光增材制造的过程监控控制系统。
背景技术
目前，增材制造也叫3D打印技术，是融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术。相对于传统的、对原材料去除切削、组装的减材制造加工模式不同，增材制造是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有，这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。
中国专利公开号：CN112453428A公开了一种双通道激光增材制造数控系统，该发明包括控制系统、数据采集系统、在线监控系统和HMI单元，其中：所述控制系统采用基于总线的多功能模块设计，包含核心控制单元、轴控制单元、位置反馈单元、数字输入输出控制单元；数据采集系统集成有模拟量采集卡、数字I/O采集卡；在线监控系统包括工控机、CCD高速摄像机、红外成像仪；所述HMI单元与所述控制系统连接，包括液晶屏、全功能键盘和下操作面板，用于实现工艺参数的输入、加工程序的编辑、沉积轴/运动轴位置坐标和报警信息的显示。由此可见，所述一种双通道激光增材制造数控系统虽然提高在增材制造加工过程中对双通道加工工艺结合数据的分析能力，但是仍然存在不能对连接位置复杂且精密度高的结构件进行加工制造的问题。
发明内容
为此，本发明提供一种基于激光增材制造的过程监控控制系统，用于克服现有技术中存在不能对连接位置复杂且精密度高的结构件进行加工制造的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于激光增材制造的过程监控控制系统，包括：
模型存储单元，其用于存储可增材制造的若干待增材制造的三维模型；
模型获取单元，其与所述模型存储单元连接，用于获取所述三维模型数据；
模型分析单元，其与所述模型获取单元连接，用于确定进行增材制造的三维模型完成增材制造的复杂度，根据所述复杂度确定各部件的最小表面积，根据所述最小表面积与所述部件的实际表面积的比对结果确定将所述部件的特征位置保留为特征区域或分割为部件，以及分析得出各所述部件的连接位置、各所述特征区域以及分割为部件的部件实际表面积；
模型处理单元，其分别与所述模型获取单元和模型分析单元连接，用于根据各所述连接位置将所述待增材制造的三维模型分割为若干部件，根据各所述部件的连接位置构建各所述部件的三维坐标系，并根据所述部件的各所述特征区域的面积确定所述特征区域的增材制造加工方式为激光雕刻或增材制造；
控制执行单元，其分别与激光增材装置、激光雕刻装置和所述模型处理单元连接，用于控制完成对所述待增材制造的三维模型的增材制造。
进一步地，各所述部件包括所述待增材制造的三维模型的第一部件、与所述第一部件连接的第二部件以及与所述第二部件连接第三部件，其中，所述第二部件和第三部件的数量为若干个。
进一步地，所述模型处理单元在构建各所述部件的三维坐标系时以所述第一部件的底面中心位置为坐标原点构建所述第一部件的三维坐标系P1，以各所述第二部件与所述第一部件的接触面的中心位置为坐标原点构建所述第二部件的三维坐标系P2，以各所述第二部件的各所述第三部件的接触面的中心位置为坐标原点构建所述第三部件的三维坐标系P3，用以在确定所述特征区域的增材制造加工方式完成时以三维坐标系Pi作为增材制造的坐标系进行增材制造。
进一步地，所述模型分析单元使用以下公式计算所述复杂度F，
其中，C表示单个所述部件的连接位置数量、C1表示所有所述部件的连接位置总数量，S表示单个所述部件的表面积，S1表示所有所述部件的总表面积。
进一步地，所述模型分析单元根据所述复杂度F所处复杂度水平确定增材制造时的各所述部件的最小表面积。
进一步地，所述模型处理单元根据以下公式计算所述部件的各所述特征区域的加工指数E，
其中，Sb表示所述部件的各所述特征区域的表面积，Sb1表示各所述部件的特征区域总表面积，Sc表示所述部件的各所述特征区域的数量，Sc1表示预设总数量。
进一步地，所述模型处理单元根据所述加工指数E所处加工指数水平确定所述部件的各所述特征区域的加工方式，
若加工指数处于第一加工指数水平，所述模型处理单元确定所述特征区域的加工方式为激光雕刻；
若加工指数处于第二加工指数水平，所述模型处理单元确定所述特征区域的加工方式为增材制造；
其中，第一加工指数水平满足E≤E0，第二加工指数水平满足E＞E0，E0为加工指数标准。
进一步地，所述模型分析单元还用于分析获取所述部件的各所述特征区域的厚度，所述模型处理单元确定所述部件的各所述特征区域的加工方式为激光雕刻，根据所述部件的各所述特征区域的厚度H对所述部件的非特征区域对应的三维坐标进行调整，以使各所述特征区域在所述部件加工完成时被遮盖，并以各所述特征区域的最高点作为坐标原点构建各所述特征区域的三维坐标系P4用于作为所述部件的各特征区域的激光雕刻路径。
进一步地，所述模型处理单元在所述待增材制造的三维模型完成增材制造并准备对各所述特征区域进行激光雕刻时，根据所述部件的复杂度F与预设复杂度的对比结果确定所述特征区域的各所述三维坐标的调整方式。
进一步地，本发明实施例基于激光增材制造的过程监控控制系统，还包括：
图像获取单元，其与所述控制执行单元连接，用于获取完成预激光雕刻后的各所述特征区域图像；
模型构建单元，其分别与所述模型获取单元、图像获取单元和模型处理单元连接，用于根据所述图像获取单元获取的各所述特征区域图像建立完成预激光雕刻后的三维模型；
所述模型处理单元根据完成所述预激光雕刻后的三维模型与所述待增材制造的三维模型对比的误差结果对所述特征区域的三维坐标系的各所述三维坐标进行调整，所述控制执行单元根据调整后的各所述三维坐标系作为正式激光雕刻路径对各所述特征区域进行正式激光雕刻。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，模型分析单元确定准备进行增材制造的三维模型完成增材制造的复杂度，根据复杂度确定各部件特征位置的最小表面积，根据各最小表面积确定将部件特征位置保留为特征区域或分割为部件，以及分析得出各部件的连接位置和各特征区域以及部件的实际表面积，模型处理单元根据各连接位置将待增材制造的三维模型分割为若干部件，根据各部件的连接位置构建各部件的三维坐标系，并根据部件的各特征区域的面积确定特征区域的增材制造加工方式为激光雕刻或增材制造，从而提高了对连接位置复杂且精密度高的结构件进行加工制造的精度。
进一步地，所述模型分析单元计算复杂度参量，并根据所述复杂度确定各所述部件的最小表面积，保证了对待增材制造的三维模型进行部件拆分时的合理性，从而降低了拆分后的各部件分别进行增材制造的难度。
进一步地，所述模型处理单元计算所述部件的各所述特征区域的增材制造加工指数，并根据所述模型处理单元计算完成的增材制造加工指数所处水平确定所述部件的各所述特征区域的增材制造加工方式，通过对部件实际表面积较小且数量较为密集的特征区域选择采用激光雕刻的增材制造加工方式，提高了各部件的加工制造精度。
进一步地，所述模型分析单元根据所述部件的各所述特征区域的厚度对所述部件的非特征区域位置对应的三维坐标进行调整，使各特征区域在部件的增材制造完成时被遮盖，并以各特征区域的最高点作为坐标原点构建各所述特征区域的三维坐标系用于作为所述部件的各特征区域的激光雕刻路径，从而进一步提高了各部件的加工制造精度。
进一步地，所述模型处理单元在所述待增材制造的三维模型完成增材制造并准备对各所述特征区域进行激光雕刻时，根据所述部件的复杂度确定所述特征区域的各所述三维坐标的调整系数，从而进一步提高了各部件的加工制造精度。
进一步地，所述模型处理单元根据完成预激光雕刻后的三维模型与所述待增材制造的三维模型对比的误差结果对所述特征区域的三维坐标系的各所述三维坐标进行调整，所述控制执行单元根据调整后的各所述三维坐标系作为正式激光雕刻路径对工件的各特征区域进行正式激光雕刻，提高了各部件的加工制造精度，从而提高了对连接位置复杂且精密度高的结构件进行加工制造的精度。
附图说明
图1为本发明实施例的基于激光增材制造的过程监控控制系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1所示，图1为本发明实施例的基于激光增材制造的过程监控控制系统的结构示意图。
本发明实施例的基于激光增材制造的过程监控控制系统，包括：
模型存储单元，其用于存储可增材制造的若干待增材制造的三维模型；
模型获取单元，其与所述模型存储单元连接，用于获取所述三维模型数据；
模型分析单元，其与所述模型获取单元连接，用于确定进行增材制造的三维模型完成增材制造的复杂度，根据所述复杂度确定各部件的最小表面积，根据所述最小表面积与所述部件的实际表面积的比对结果确定将所述部件特征位置保留为特征区域或分割为部件，以及分析得出各所述部件的连接位置、各所述特征区域以及分割为部件的部件实际表面积；
模型处理单元，其分别与所述模型获取单元和模型分析单元连接，用于根据各所述连接位置将所述待增材制造的三维模型分割为若干部件，根据各所述部件的连接位置构建各所述部件的三维坐标系，并根据所述部件的各所述特征区域的面积确定所述特征区域的增材制造加工方式为激光雕刻或增材制造；
控制执行单元，其分别与激光增材装置、激光雕刻装置和所述模型处理单元连接，用于控制完成对所述待增材制造的三维模型的增材制造；
图像获取单元，其与所述控制执行单元连接，用于获取完成预激光雕刻后的各所述特征区域图像；
模型构建单元，其分别与所述模型获取单元、图像获取单元和模型处理单元连接，用于根据所述图像获取单元获取的各所述特征区域图像建立完成预激光雕刻后的三维模型；
所述模型处理单元根据完成所述预激光雕刻后的三维模型与所述待增材制造的三维模型对比的误差结果对所述特征区域的三维坐标系的各所述三维坐标进行调整，所述控制执行单元根据调整后的各所述三维坐标系作为正式激光雕刻路径对各所述特征区域进行正式激光雕刻。
具体而言，根据所述最小表面积与所述部件的实际表面积的比对结果确定将所述部件的特征位置保留为特征区域或分割为部件包括若实际表面积小于等于最小表面积，则将特征位置保留为特征区域，若实际表面积大于最小表面积，则将所述特征区域分割为部件。
本发明实施例中，特征位置为待增材制造的三维模型的凸起位置。
本发明实施例中，根据各所述部件的连接位置构建各所述部件的三维坐标系包括以各所述部件和各所述部件相邻的部件的接触面作为上述连接位置，构建一个用以增材制造该部件的三维坐标系，以使激光增材装置进行增材制造。
本发明实施例中，所述模型处理单元根据完成所述预激光雕刻后的三维模型与所述待增材制造的三维模型对比的误差结果对所述特征区域的三维坐标系的各所述三维坐标进行调整，具体为对待增材制造的三维模型进行预雕刻（相当于模拟雕刻），将预雕刻后的三维模型和带增材制造的三维模型的三维坐标系中的三维坐标的误差结果，以使根据误差结果对正式激光雕刻时的三维坐标系进行调整。
具体而言，各所述部件包括所述待增材制造的三维模型的第一部件、与所述第一部件连接的第二部件以及与所述第二部件连接第三部件，其中，所述第二部件和第三部件的数量为若干个。
具体而言，所述模型处理单元在构建各所述部件的三维坐标系时以所述第一部件的底面中心位置为坐标原点构建所述第一部件的三维坐标系P1，以各所述第二部件与所述第一部件的接触面的中心位置为坐标原点构建所述第二部件的三维坐标系P2，以各所述第二部件的各所述第三部件的接触面的中心位置为坐标原点构建所述第三部件的三维坐标系P3，用以在确定所述特征区域的增材制造加工方式完成时以三维坐标系Pi作为增材制造的坐标系进行增材制造。
具体而言，所述模型分析单元使用以下公式计算所述复杂度F，
其中，C表示单个所述部件的连接位置数量、C1表示所有所述部件的连接位置总数量，S表示单个所述部件的表面积，S1表示所有所述部件的总表面积。
具体而言，所述模型分析单元根据所述复杂度F所处复杂度水平确定增材制造时的各所述部件的最小表面积，
若复杂度处于第一复杂度水平，所述模型分析单元确定所述最小表面积为第一最小表面积；
若复杂度处于第二复杂度水平，所述模型分析单元确定所述最小表面积为第二最小表面积；
若复杂度处于第三复杂度水平，所述模型分析单元确定所述最小表面积为第三最小表面积；
其中，第一复杂度水平满足F＜F1,第二复杂度水平满足F1≤F＜F2，第三复杂度水平F2≤F，第一最小表面积＜第二最小表面积＜第三最小表面积，F1为第一预设复杂度，F2为第二预设复杂度。
本发明实施例中，第一预设复杂度的取值为0.5，第二预设复杂度的取值为0.8。
具体而言，所述模型处理单元根据以下公式计算所述部件的各所述特征区域的加工指数E，
其中，Sb表示所述部件的各所述特征区域的表面积，Sb1表示各所述部件的特征区域总表面积，Sc表示所述部件的各所述特征区域的数量，Sc1表示预设总数量。
具体而言，所述模型处理单元根据所述加工指数E所处加工指数水平确定所述部件的各所述特征区域的加工方式，
若加工指数处于第一加工指数水平，所述模型处理单元确定所述特征区域的加工方式为激光雕刻；
若加工指数处于第二加工指数水平，所述模型处理单元确定所述特征区域的加工方式为增材制造；
其中，第一加工指数水平满足E≤E0，第二加工指数水平满足E＞E0，E0为加工指数标准。
本发明实施例中，加工指数标准的取值为0.6。
具体而言，所述模型分析单元还用于分析获取所述部件的各所述特征区域的厚度，所述模型处理单元确定所述部件的各所述特征区域的加工方式为激光雕刻，根据所述部件的各所述特征区域的厚度H对所述部件的非特征区域对应的三维坐标进行调整，以使各所述特征区域在所述部件加工完成时被遮盖，并以各所述特征区域的最高点作为坐标原点构建各所述特征区域的三维坐标系P4用于作为所述部件的各特征区域的激光雕刻路径。
本发明实施例中，对于一个待增材制造的三维模型，某些区域（如一个卡通人物或者动物的鼻孔，亦或是对于一个设备的零配件需要进行钻孔）需要预先进行增材制造，然后进行激光雕刻，才能够完成对待增材制造的区域进行加工，因此就需要预先确定该区域的厚度（如鼻孔的壁厚或零配件的外壁的厚度），然后对激光雕刻的三维坐标系进行调整确定，以得到对应的非特征区域（即需要激光雕刻切割掉的部位）的三维坐标系。
具体而言，所述模型处理单元在所述待增材制造的三维模型完成增材制造并准备对各所述特征区域进行激光雕刻时，根据所述部件的复杂度F所处复杂度水平确定所述特征区域的各所述三维坐标的调整方式，
若复杂度处于第一复杂度水平，第一调整方式为所述模型处理单元确定采用Kp1对所述三维坐标进行调整；
若复杂度处于第二复杂度水平，第二调整方式为所述模型处理单元确定采用Kp2对所述三维坐标进行调整；
若复杂度处于第三复杂度水平，第三调整方式为所述模型处理单元确定采用Kp3对所述三维坐标进行调整；
若所述模型处理单元确定采用第j个调整系数Kpj对所述三维坐标进行调整时，将调整后的三维坐标记为P5，设定
，其中j=1，2，3；
其中，Kp1为第一调整系数，Kp2为第二调整系数，Kp3为第三调整系数，1＜Kp1＜Kp2＜Kp3＜1.4。
本发明实施例中，x为各所述特征区域的三维坐标系P4中x轴的坐标值，y为为各所述特征区域的三维坐标系P4中y轴的坐标值，z为各所述特征区域的三维坐标系P4中z轴的坐标值。
优选地，本发明实施例中第一调整系数Kp1的取值为1.15，第二调整系数Kp2的取值为1.25，第三调整系数Kp3的取值为1.3。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于激光增材制造的过程监控控制系统，其特征在于，包括：
模型存储单元，其用于存储可增材制造的若干待增材制造的三维模型；
模型获取单元，其与所述模型存储单元连接，用于获取所述三维模型数据；
模型分析单元，其与所述模型获取单元连接，用于确定进行增材制造的三维模型完成增材制造的复杂度，根据所述复杂度确定各部件的最小表面积，根据所述最小表面积与所述部件的实际表面积的比对结果确定将所述部件的特征位置保留为特征区域或分割为部件，以及分析得出各所述部件的连接位置、各所述特征区域以及分割为部件的实际表面积；
模型处理单元，其分别与所述模型获取单元和模型分析单元连接，用于根据各所述连接位置将所述待增材制造的三维模型分割为若干部件，根据各所述部件的连接位置构建各所述部件的三维坐标系，并根据所述部件的各所述特征区域的面积确定所述特征区域的增材制造加工方式为激光雕刻或增材制造；
控制执行单元，其分别与激光增材装置、激光雕刻装置和所述模型处理单元连接，用于控制完成对所述待增材制造的三维模型的增材制造。
2.根据权利要求1所述的基于激光增材制造的过程监控控制系统，其特征在于，若所述实际表面积小于等于最小表面积，则将特征位置保留为特征区域，若所述实际表面积大于最小表面积，则将所述特征区域分割为部件；
各所述部件包括所述待增材制造的三维模型的第一部件、与所述第一部件连接的第二部件以及与所述第二部件连接第三部件，其中，所述第二部件和第三部件的数量为若干个。
3.根据权利要求2所述的基于激光增材制造的过程监控控制系统，其特征在于，所述模型处理单元在构建各所述部件的三维坐标系时以所述第一部件的底面中心位置为坐标原点构建所述第一部件的三维坐标系P1，以各所述第二部件与所述第一部件的接触面的中心位置为坐标原点构建所述第二部件的三维坐标系P2，以各所述第二部件的各所述第三部件的接触面的中心位置为坐标原点构建所述第三部件的三维坐标系P3，用以在确定所述特征区域的增材制造加工方式完成时以三维坐标系Pi作为增材制造的坐标系进行增材制造。
4.根据权利要求3所述的基于激光增材制造的过程监控控制系统，其特征在于，所述模型分析单元使用以下公式计算所述复杂度F，
其中，C表示单个所述部件的连接位置数量、C1表示所有所述部件的连接位置总数量，S表示单个所述部件的表面积，S1表示所有所述部件的总表面积。
5.根据权利要求4所述的基于激光增材制造的过程监控控制系统，其特征在于，所述模型分析单元根据所述复杂度F所处复杂度水平确定增材制造时的各所述部件的最小表面积。
6.根据权利要求5所述的基于激光增材制造的过程监控控制系统，其特征在于，所述模型处理单元根据以下公式计算所述部件的各所述特征区域的加工指数E，
其中，Sb表示所述部件的各所述特征区域的表面积，Sb1表示各所述部件的特征区域总表面积，Sc表示所述部件的各所述特征区域的数量，Sc1表示预设总数量。
7.根据权利要求6所述的基于激光增材制造的过程监控控制系统，其特征在于，所述模型处理单元根据所述加工指数E所处加工指数水平确定所述部件的各所述特征区域的加工方式，
若加工指数处于第一加工指数水平，所述模型处理单元确定所述特征区域的加工方式为激光雕刻；
若加工指数处于第二加工指数水平，所述模型处理单元确定所述特征区域的加工方式为增材制造；
其中，第一加工指数水平满足E≤E0，第二加工指数水平满足E＞E0，E0为加工指数标准。
8.根据权利要求7所述的基于激光增材制造的过程监控控制系统，其特征在于，所述模型分析单元还用于分析获取所述部件的各所述特征区域的厚度，所述模型处理单元确定所述部件的各所述特征区域的加工方式为激光雕刻，根据所述部件的各所述特征区域的厚度H对所述部件的非特征区域对应的三维坐标进行调整，以使各所述特征区域在所述部件加工完成时被遮盖，并以各所述特征区域的最高点作为坐标原点构建各所述特征区域的三维坐标系P4用于作为所述部件的各特征区域的激光雕刻路径。
9.根据权利要求8所述的基于激光增材制造的过程监控控制系统，其特征在于，所述模型处理单元在所述待增材制造的三维模型完成增材制造并准备对各所述特征区域进行激光雕刻时，根据所述部件的复杂度F与预设复杂度的对比结果确定所述特征区域的各所述三维坐标的调整方式。
10.根据权利要求9所述的基于激光增材制造的过程监控控制系统，其特征在于，还包括：
图像获取单元，其与所述控制执行单元连接，用于获取完成预激光雕刻后的各所述特征区域图像；
模型构建单元，其分别与所述模型获取单元、图像获取单元和模型处理单元连接，用于根据所述图像获取单元获取的各所述特征区域图像建立完成预激光雕刻后的三维模型；
所述模型处理单元根据完成所述预激光雕刻后的三维模型与所述待增材制造的三维模型对比的误差结果对所述特征区域的三维坐标系的各所述三维坐标进行调整，所述控制执行单元根据调整后的各所述三维坐标系作为正式激光雕刻路径对各所述特征区域进行正式激光雕刻。
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