CN208164311U - 一种精量配比送粉系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种精量配比送粉系统，属于增材制造和激光制造同步送粉器领域。该系统由控制计算机、控制机柜、送粉器、粉量检测模块、粉量控制模块和精量配比控制模块组成。其中:送粉器存储盛装粉末，并将粉末输送到激光加工区域；粉量检测模块实时获取送粉器送出的精确粉量，并将粉量数据发送给精量配比控制模块；粉量控制模块实时控制送粉器输出的粉量，接收精量配比控制模块的控制信息，对出粉量实时调整。精量配比控制模块对送粉量和送粉配比量进行实时、动态控制，达到精量配比控制。本实用新型支持多种材料的混合送粉，保证各种材料的精量配比控制，有效的提高了送粉的精度、连续性、稳定性和可控性。

Description

一种精量配比送粉系统

技术领域

本发明涉及同步送粉器技术领域。特别涉及激光熔覆中多种粉末精量配比控制的送粉系统。

背景技术

送粉器是激光熔覆加工设备、3D打印设备中的核心元件之一，它按照加工工艺向待加工区域输送设定好的粉末。送粉器性能的好坏直接影响加工零件的质量，即使非常微小的送粉偏差也会导致零件在几何形状、厚度、表面光滑度等方面发生重大改变,所以在高精度的加工中送粉系统的设计就显得尤为重要。尤其随着梯度功能材料研发、微结构功能产品制造，精密修复等应用的日益增多,对送粉系统提出了配比可调、精量可控、能适用于多种材料混合送粉的多元化、精量化供给要求。

国内外相继研发了基于不同原理的送粉器。B.Grunenwald和St.Nowotny设计的转盘式送粉器，是用刮板将转盘上的粉末推到凹槽内，再用载流气体将粉末输送走。L.Li和W.M.Steen设计的螺旋式送粉器，是把螺杆置于料斗的底部，通过螺纹把粉末送到混合器，再用气体将粉末输送出去。Atsusaka和Motohiro Urakaw设计的毛细管式送粉器，是通过毛细管的振动来输送粉末，但是送粉率不可控制。Amit Suri和Masayuki Horio所试验的送粉器，一路气体对粉末进行沸腾使之落入下部管道，另一路气体运输降下的颗粒，通过两路气流能够更好地控制送粉量。在国内，陈德善等研制了一种GL型辊轮式送粉器，它是一种机械定量式送粉器，可以使粉末按着“先定量堆积而后输出”的基本程序进行输送；闫江松等研制了一种容积式送粉器；田凤杰等设计的同轴送粉系统，能够输送功能梯度材料，在粉末充分混合后运用刮吸式送粉机构将粉末输送；冯立伟等研究的双料斗载气式送粉器，可实现单料斗运粉或双料斗同时送粉，且可实现2种粉末的混合输送。

上述送粉器对粉末输送的调节主要是通过对电机转速的调节来实现，对电机转速的调节是通过固定的拟合公式计算得到，并且大多数没有反馈系统。由于在实际粉末输送过程中很容易受到气压的波动、粉末的团聚以及粉末的干燥程度和材料自身复合特性等的影响，在开环控制中很难做到精确控制送粉率，当受到自身或者外界干扰时，粉末的输出不稳定。并且这些送粉器都是事先设定好送粉量，而后以固定的粉量值进行送粉操作。在送粉过程中粉量值不可调整，不具有动态性，不可根据情况实时变更，使得加工的连续性受到限制。

本发明针上述问题，设计了一种可用于多种材料混合送粉，且材料组成及配比连续可调的，具有信息反馈能力的高精度送粉系统。将送粉器工作时的连续性、稳定性和可控性提高到一个更科学，更先进的水平。

发明内容

本发明的目的是为了解决多种材料混合送粉中材料组成及配比精量控制和连续可调的问题，而提出的一种精量配比送粉系统。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种精量配比送粉系统，包括控制计算机、控制机柜、送粉器、粉量检测模块、粉量控制模块和精量配比控制模块，所述的送粉器由多个独立的结构相同的单路送粉器构成，用于存储盛装需要输送的粉末，并将粉末输送到激光加工区域；

所述的粉量检测模块安装于所述的送粉器上，与所述的精量配比控制模块连接，用于实时获取送粉器送出的精确粉量，并将得到的粉量数据发送给所述的精量配比控制模块进行处理；

所述的粉量控制模块安装于所述的送粉器上，与所述的精量配比控制模块连接，用于实时控制送粉器输出的粉量，接收精量配比控制模块的控制信息，对送粉器的出粉量进行实时调整；

所述的精量配比控制模块用于送粉量和送粉配比量的实时、动态控制，实时接收粉量检测模块的粉量检测数据，根据配送方案，向粉量控制模块发送控制信息对送粉量进行动态调整，达到精量配比控制。

所述的单路送粉器采用刮吸式或者刮板式结构，所述刮板式结构的单路送粉器结构相同，分别固定于支撑轴6上，主要由粉斗7、转盘14、刮板16组成，工作时粉末从粉斗7经过漏粉孔靠自身的重力流至转盘14，在转盘14上方固定一个与转盘14表面紧密接触的刮板16，当转盘14转动时，不断将粉末刮下至接粉斗7。

所述的粉量控制模块采用质量采集与检测方式进行粉量调节，其由多个重量传感器15和位置传感器18组成，每个重量传感器15呈扇形，放置于转盘14上，多个传感器15构成圆形，覆盖整个转盘14，所述位置传感器18放置于每两个重量传感器15的接口位置，定位传感器19安装于转盘14上方固定连杆的末端，具有确定重量传感器15位置的作用，重量传感器15和位置传感器18通过数据线与安装在控制机柜2的数据采集卡相连接，通过控制机柜2控制重量传感器15进行数据采集，当重量传感器位于粉斗7下方时，粉末正从粉斗7落下，此时不进行重量采集；待重量传感器15转离粉斗7时，再进行重量采集。

所述的粉量控制模块包含转盘转速控制器和转盘高度控制器，所述转盘转速控制器安装于转盘14底部，用于控制转盘14的转速，所述转盘转速控制器通过转盘高度控制器安装在固定轴17上，所述转盘高度控制器带动转盘14升降，用于控制转盘14与粉斗7之间的距离。

所述转盘转速控制器由转动电机12、转动轴承13和固定轴17组成，所述转动电机12经由减速器与固定法兰固联，所述减速器的输出轴经由转动轴承13与送粉器转盘14的固定轴17相连。

所述转盘高度控制器由高度控制电机4、减速器9、导轨滑块组件11、滑动平台5、支撑轴6、滚珠丝杠组件和载物板10组成，所述导轨滑块组件11、限位器和滚珠丝杠组件通过底板安装在支撑轴6上，所述高度控制电机4与减速器9相连接，并通过固定法兰固定在底板上，所述减速器9通过联轴器与滚珠丝杠组件的丝杠进行固联，所述载物板10通过滑动平台5固定到导轨滑块组件上，并将滚珠丝杠组件的螺母与滑动平台5固联。

所述的精量配比控制模块具有多路检测数据输入接口20、多路粉量控制接口21和粉量及配比量控制接口22，所述多路检测数据输入接口20同时与多个所述的粉量检测模块相连接，用于实时、同步获取各个粉量检测模块的检测数据，所述多路粉量控制接口21同时与多个所述的粉量控制模块相连接，用于对各个粉量控制模块进行动态、同步控制，所述粉量及配比量控制接口22与控制计算机1相连接，用于接收控制计算机1发送的粉量或配比量变更数据，并比较变更值和当前值，而后通过控制接口将当前值向变更值调整。

还包括多路混粉装置8，所述多路混粉装置8设有多个粉末输入口和一个粉末输出口，所述粉末输入口接收单路送粉器的输出粉末。

按上述任一项所述的送粉系统的出粉量及配比量动态控制方法，其特征在于：

1)建立出粉控制方案，方案中包括了各个通道送粉器在不同时间段内的送粉量要求，方案可包含多种配比方案，配比方案的选择可根据时间触发或者控制信号触发，配比方案的建立可根据各个通道的配比设定，采用自动计算的方式生成；

2)根据方案设定的出粉量，通过公式计算或者查表操作获得转台高度和转台转动速度的预估初始值，并将此数据传输给粉量控制模块，控制送粉器开始送粉；

3)使用粉量检测模块实时获取、记录当前各路送粉器的精确出粉量，并采用同步算法对各通道的数据进行同步处理；

4)从出粉控制方案中获取当前时刻，各路送粉器的额定出粉量；

5)将当前出粉量与方案中要求的出粉量进行比对，并计算出各路送粉器当前实际出粉量与方案要求的偏差量；

6)根据偏差量的大小，通过调整转台高度和转台转动速度，对出粉量进行修正，修正量的计算首先利用反馈值和期望值的误差分析送粉器的工作状态，然后对高度和转速的修正值进行综合优化计算，完成基于反馈的快速逼近。

所述的送粉系统的出粉量及配比量动态控制方法中，所述的出粉量按以下步骤进行检测：

1)将转盘划分为多个扇区，处于同一扇区的重量传感器15和位置传感器18进行编号配对；

2)转盘14转动，带动附着在其上的位置传感器18和重量传感器15随之转动；

3)当某个位置传感器18进入送粉器的下粉区时，定位传感器19向控制机柜2发送测量阻塞信号；

4)控制机柜2收到某个位置传感器18发送的测量阻塞信号后，停止对与位置传感器配18配对的重量传感器15的数据采集，暂停向精量配比控制模块发送粉量信息；

5)当某个位置传感器18离开送粉器的下粉区时，定位传感器19向控制机柜92发送恢复测量信号；

6)控制机柜2收到某个位置传感器18发送的恢复测量信号后，对与位置传感器18配对的重量传感器15的进行数据采集，并向精量配比控制模块发送粉量信息；

7)精量配比控制模块根据粉量检测模块发送的粉量信息，以及转盘14的同步转速，计算出当前的精确出粉量。

本发明的有益效果：

本发明对比已有技术具有以下创新点：

1、精确检测出粉量数据作为控制的反馈信息，并将反馈系统与送粉器进行了高度集成。

2、对多路送粉器的数据进行同步采集和控制，实现了多路送粉器的协同作业，保证了多路送粉情况下的配比可控。

3、送粉量和配比量能够在加工过程中进行动态调节，实现了实时调节，连续可控。，支持材料组份和配比可变的加工模式。

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1、能够克服气压波动、粉末干燥程度和材料自身复合特性等自身或者外界干扰时，实现精量送粉控制。

2、能够支持多种材料的混合送粉，并且能够保证各种材料的精量配比控制。

3、可在加工设置多种配比方案，使其包含各个通道送粉器在不同时间段内的送粉量要求。配比方案的选择可根据时间触发或者控制信号触发。

附图说明

图1是系统整体结构示意图；

图2是送粉系统结构示意图；

图3是系统数据流示意图；

图4是出粉量精确检测方法示意图；

图5是出粉量及配比量动态控制方法示意图；

图中：1、控制计算机；2、控制机柜；3、隔震台；4、高度控制电机；5、滑动平台；6、支撑轴；7、粉斗；8、混粉装置；9、减速器；10、载物台；11、滑块；12、转动电机；13、转动轴承；14、转盘；15、重量传感器；16、刮板；17、固定轴；18、位置传感器；19、定位传感器；20、多路检测数据输入接口；21、多路粉量控制接口；22、粉量及配比量控制接口。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例,并参照附图,对本发明的具体内容进一步详细说明。

本发明的基本思想是利用协同模式下的精量采集与反馈控制，实现送粉器的精量送粉以及配比可调可控的混合送粉。

图1是一个四路精量配比控制的送粉系统的整体结构示意图，从图中可以看到，该系统由支撑轴6、送粉器、粉量检测模块、粉量控制模块、精量配比控制模块和混粉装置8五部分组成。

其中送粉器有四个，分别固定于四根支撑轴6上，用来承装四种不同的加工材料。具有相同的结构设计。采用转盘刮板式结构，主要由粉斗7、转盘14、刮板16组成，工作时粉末从粉斗经过漏粉孔靠自身的重力流至转盘14，在转盘14上方固定一个与转盘表面紧密接触的刮板16，当转盘转动时，不断将粉末刮下至接粉斗。

每个送粉器有一个粉量控制模块与之匹配一个，粉量控制模块与送粉器的转盘14相集成，包括转盘转速控制器和转盘高度控制器。转盘14通过转动轴承13与转速控制器的固定轴17相连接，转速控制器固定在高度控制器的直角载物台10上，高度控制器固定在支撑轴上6，位于粉斗7的下方。

转盘转速控制器由转动电机12、减速器、转动轴承13、固定法兰组成。转动电机12经由减速器与固定法兰用内六角螺钉固联，减速器的输出轴经由转动轴承13与送粉器转盘14的固定轴17相连。

转盘高度控制器由底板、导轨滑块组件、滚珠丝杠组件、限位器、伺服电机、减速器、联轴器、固定法兰、直角载物板组成。底板固定在支撑轴上。导轨滑块组件、限位器和滚珠丝杠组件通过内六角圆柱头螺钉安装到底板上。伺服电机与减速器相连接，并通过固定法兰固定在底板上。通过联轴器将减速器的轴与将丝杠组件的丝杠进行固联。直角载物板固定到导轨滑块组件上，并将滚珠丝杠的丝杠螺母与直角载物板固联。转盘高度的变化是依靠丝杠导轨机构完成的，伺服电机输出的旋转运动通过联轴器传递给丝杠，丝杠旋转带动螺母移动，螺母与载物板固连，最终将电机的转动转化为载物板的移动。

在送粉过程中若需要增加送粉量，向转速控制器发送增速指令，增加转盘转速到某一固定值，从而达到增加送粉量的目的。反之通过减慢转盘转速来减少送粉量。通过调节转盘所在的高度，增加出粉口与转盘的距离，可以增大送粉量的上限值。在加工过程中对转盘转速和高度的调节是实时进行的。

每个送粉器还有一个粉量检测模块与之匹配，粉量检测模块也是与送粉器紧密集成的。送粉检测模块包括了四个接近式位置传感器、四个重量传感器、四个载荷板。圆形的转盘被等分为四个扇形区域，四个重量传感器分别放置于四个扇形区域的中心位置。四个载荷板与扇形区域大小相同，分别放置于四个扇形区域，置于四个传感器之上。四个接近式位置传感器的移动端被固定在转盘的边缘，扇形与扇形交接的位置；位置传感器的固定端则被固定在转盘上方固定连接杆末端。重量传感器和位置传感器通过数据线与安装在控制柜上的数据采集卡相连接，控制柜实时采集重量传感器和位置传感器的数据进行协同处理。

在送粉过程中，首先将四个位置传感器的移动端与四个重量传感器相配对，配对规则是将某个重量传感器与转盘转动方向上离它最近的位置传感器移动端进行配对。配对完成之后，当某个位置传感器的移动端转动到接近位置传感器固定端时，该位置传感器通过数据线向控制柜发送位置到达信号，控制柜在接收到此信号之后，屏蔽该位置传感器配对的重量传感器的采集数据，当下一个位置到达信号到来时，再恢复重量传感器的数据采集，从而实现出粉量的精确获取。控制柜在获取到重量传感器的数据后，将数据发送给精量配比控制模块。

精量配比控制模块是系统的核心部件，该模块与粉量检测模块和粉量控制模块都有连接。模块对出粉量及配比量动态控制方法进行了实现。模块从粉量检测模块获取检测数据，向粉量控制模块发送控制指令。同时该模块还包含了系统的用户接口，操作员可以通过该模块进行送粉方案的录入、送粉方案的查看、送粉过程中系统状态监控以及对送粉过程的实时控制。

模块由通信子模块、协同控制子模块和UI子模块三部分组成。

通信子模块包括了以太网通信接口、USB通信接口以及串口通信接口。以太网通信接口用于与粉量检测模块进行数据通信，该接口提供了对TCP/IP协议的支持。USB通信接口用于连接优盘，用户可以通过该接口将优盘中已经编制好的送粉方案进行导入。串口通信接口用于与粉量控制模块进行数据通信，该接口提供了对ModBus协议的支持。

协同控制子模块包括了粉量误差计算单元、控制量优化单元、协同控制单元和同步控制单元四个部分。

粉量误差计算单元根据送粉方案中要求的送粉量和从粉量检测模块获取的检测送粉量进行计算得出当前送粉量与预期送粉量之间的差值。差值的计算以时间片Δt为计算基准。首先根据当前送粉方案的执行进度，从方案中获取预设的送粉量指标，并根据时间片Δt进行转换计算得到送粉预期值。而后再提取Δt时间周期内粉量检测模块发送的称重数据，同样进行转换计算得到检测送粉量。最后计算预期送粉量和检测送粉量的差值作为粉量误差。

控制量优化单元根据粉量误差通过优化分析和计算获得对粉量控制模块的控制量要求，实现从出粉量到控制量的转换工作。在转换过程中利用遗传算法进行多目标的优化选择，找到转速控制器和高度控制器控制量的最优组合，达到快速逼近的效果。

协同控制单元能够同时处理粉量检测模块和粉量控制模块的相关数据信息，并且作为两者之间的联系中枢，负责二者之间的协调工作。通过综合利用从两个模块获得的数据，采用统一的控制方式，使得两个模块能够共同协作从而实现粉量及配比的精确控制。

同步控制单元实现了对多个控制器模块的同步控制功能。

UI子模块包括了送粉方案编辑器、方案显示器、人工控制接口和系统状态显示器四个部分。

送粉方案编辑器提供了送粉方案的输入接口，在送粉方案中可以对各个通道送粉器在不同时间段内的送粉量进行设定。方案中可包含多种配比模式，在加工过程中，可以在这些配比模式中进行动态切换，配比模式的切换可设定为根据时间触发或者控制信号触发。配比模式中各个通道的具体数据，可根据各个通道的配比设定，采用自动计算的方式生成。送粉方案编辑器还支持方案保存和导入功能，设定好的方案可存入移动存储介质中，也可以从移动存储介质中导入设定好的方案。

方案呈现器提供了送粉方案的图形化显示，能够通过图表的方式对送粉方案中的配比情况进行直观的展示。同时还能对方案的执行进度进行呈现。

人工控制接口为操作员提供了对加工过程的干预控制功能，包括开始加工、停止加工、暂停加工、恢复加工、进入下一配比模式。

状态显示器提供了对送粉系统当前运行状态的实时监控及运行数据统计量的功能。实时状态包括各个送粉器的送粉量、转盘的转速、转盘的高度、粉量输出配比；统计数据包括各个送粉器粉量输出累计量、加工时长、剩余粉量。

以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种精量配比送粉系统，包括控制计算机、控制机柜、送粉器、粉量检测模块、粉量控制模块和精量配比控制模块，其特征在于，

所述的送粉器由多个独立的结构相同的单路送粉器构成，用于存储盛装需要输送的粉末，并将粉末输送到激光加工区域；

所述的粉量检测模块安装于所述的送粉器上，与所述的精量配比控制模块连接，用于实时获取送粉器送出的精确粉量，并将得到的粉量数据发送给所述的精量配比控制模块进行处理；

所述的粉量控制模块安装于所述的送粉器上，与所述的精量配比控制模块连接，用于实时控制送粉器输出的粉量，接收精量配比控制模块的控制信息，对送粉器的出粉量进行实时调整；

所述的精量配比控制模块用于送粉量和送粉配比量的实时、动态控制，实时接收粉量检测模块的粉量检测数据，根据配送方案，向粉量控制模块发送控制信息对送粉量进行动态调整，达到精量配比控制。

2.根据权利要求1所述的精量配比送粉系统，其特征在于，所述的单路送粉器采用刮吸式或者刮板式结构，所述刮板式结构的单路送粉器结构相同，分别固定于支撑轴(6)上，主要由粉斗(7)、转盘(14)、刮板(16)组成，工作时粉末从粉斗(7)经过漏粉孔靠自身的重力流至转盘(14)，在转盘(14)上方固定一个与转盘(14)表面紧密接触的刮板(16)，当转盘(14)转动时，不断将粉末刮下至粉斗(7)。

3.根据权利要求1所述的精量配比送粉系统，其特征在于，所述的粉量控制模块采用质量采集与检测方式进行粉量调节，其由多个重量传感器(15)和位置传感器(18)组成，每个重量传感器(15)呈扇形，放置于转盘(14)上，多个重量传感器(15)构成圆形，覆盖整个转盘(14)，所述位置传感器(18)放置于每两个重量传感器(15)的接口位置，定位传感器(19)安装于转盘(14)上方固定连杆的末端，具有确定重量传感器(15)位置的作用，重量传感器(15)和位置传感器(18)通过数据线与安装在控制机柜(2)的数据采集卡相连接，通过控制机柜(2)控制重量传感器(15)进行数据采集，当重量传感器位于粉斗(7)下方时，粉末正从粉斗(7)落下，此时不进行重量采集；待重量传感器(15)转离粉斗(7)时，再进行重量采集。

4.根据权利要求1所述的精量配比送粉系统，其特征在于，所述的粉量控制模块包含转盘转速控制器和转盘高度控制器，所述转盘转速控制器安装于转盘(14)底部，用于控制转盘(14)的转速，所述转盘转速控制器通过转盘高度控制器安装在固定轴(17)上，所述转盘高度控制器带动转盘(14)升降，用于控制转盘(14)与粉斗(7)之间的距离。

5.根据权利要求4所述的精量配比送粉系统，其特征在于，所述转盘转速控制器由转动电机(12)、转动轴承(13)和固定轴(17)组成，所述转动电机(12)经由减速器与固定法兰固联，所述减速器的输出轴经由转动轴承(13)与送粉器转盘(14)的固定轴(17)相连。

6.根据权利要求4所述的精量配比送粉系统，其特征在于，所述转盘高度控制器由高度控制电机(4)、减速器(9)、导轨滑块组件(11)、滑动平台(5)、支撑轴(6)、滚珠丝杠组件和载物板(10)组成，所述导轨滑块组件(11)、限位器和滚珠丝杠组件通过底板安装在支撑轴(6)上，所述高度控制电机(4)与减速器(9)相连接，并通过固定法兰固定在底板上，所述减速器(9)通过联轴器与滚珠丝杠组件的丝杠进行固联，所述载物板(10)通过滑动平台(5)固定到导轨滑块组件上，并将滚珠丝杠组件的螺母与滑动平台(5)固联。

7.根据权利要求1所述的精量配比送粉系统，其特征在于，所述的精量配比控制模块具有多路检测数据输入接口(20)、多路粉量控制接口(21)和粉量及配比量控制接口(22)，所述多路检测数据输入接口(20)同时与多个所述的粉量检测模块相连接，用于实时、同步获取各个粉量检测模块的检测数据，所述多路粉量控制接口(21)同时与多个所述的粉量控制模块相连接，用于对各个粉量控制模块进行动态、同步控制，所述粉量及配比量控制接口(22)与控制计算机(1)相连接，用于接收控制计算机(1)发送的粉量或配比量变更数据，并比较变更值和当前值，而后通过控制接口将当前值向变更值调整。

8.根据权利要求1所述的精量配比送粉系统，其特征在于，还包括多路混粉装置(8)，所述多路混粉装置(8)设有多个粉末输入口和一个粉末输出口，所述粉末输入口接收单路送粉器的输出粉末。