激光熔覆快速成形層高測量裝置與閉環(huán)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明屬于精密測控技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的領(lǐng)域，涉及激光熔覆和激光快速成 形，尤其涉及一種激光熔覆快速成形層高測量裝置與閉環(huán)控制方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 在激光熔覆技術(shù)中有一種同步送料成形技術(shù)，其原理是采用熔覆頭，調(diào)整高能激 光束光斑聚焦在金屬基體上，送粉管連續(xù)輸送金屬粉末至激光焦點(diǎn)與之耦合。激光將粉末 與焦點(diǎn)區(qū)域的基體表面部分熔化形成熔池。隨著熔覆頭的水平運(yùn)動，熔池在激光束離開后 迅速冷卻凝固，并在基體上形成沿噴頭運(yùn)動軌跡方向、具有一定高度和寬度的熔覆層，或稱 為熔道。如果采用數(shù)控系統(tǒng)按照零件的截面形狀規(guī)劃控制熔覆頭的運(yùn)動，將熔覆層在水平 面搭接，然后在垂直方向往上層層堆積形成3維金屬實(shí)體，這種技術(shù)即為激光快速成形，又 稱激光3D打印技術(shù)。
[0003] 熔覆頭單層的提升量須與該熔覆層的高度一致，以保證激光光斑焦點(diǎn)位置不變。 然而，每層熔覆層的高度由于工藝參數(shù)的不穩(wěn)定而變動，而在一般的激光熔覆堆積中，只能 依靠工藝經(jīng)驗(yàn)將熔覆頭的單層提升量設(shè)置為固定值。這樣每層的提升都會使激光束在加工 表面的焦點(diǎn)位置產(chǎn)生一定的偏移，即離焦量。隨著成形件高度的增加，離焦量的層層累積會 導(dǎo)致成形質(zhì)量下降或者成形失敗，如熔覆層高度，寬度變化，熔覆層表面起伏，結(jié)塊等。因 此，需要一套能夠精確測量熔覆層高度的裝置，可實(shí)時反饋高度信息并控制噴頭的提升量， 以保證離焦量始終在允許范圍內(nèi)，從而提高激光快速成形的精度。
[0004] 現(xiàn)有的層高控制方法，如專利"一種激光熔覆熔池離焦量測量裝置及測量方 法"（【申請?zhí)枴?01410235777.6)和美國專利"System and method for closed-loop control of laser cladding by powder injection"（專利號：US7043330)等，提出米用 CCD/CM0S傳感器獲取熔池位置的方法。通過采集發(fā)亮液態(tài)熔池圖像，使用微處理器計算熔 池形心來獲取熔池的位置，繼而得到離焦量并反饋給上位機(jī)。這種方法有一定的精確性，但 是，這兩種專利在應(yīng)用中，熔池圖像的捕獲會受到材料，激光功率，掃描速度，基體形狀等多 種因素影響。熔池圖像并不穩(wěn)定，易被遮攔。熔池直徑為2-3_，測得的結(jié)果其實(shí)并不是熔 覆層高度，而是熔池形心位置的高度。
[0005] 鑒于已有技術(shù)存在的問題，需要設(shè)計一種測量已成形的固體熔覆層高度，來獲得 單層提升量的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種激光熔覆快速成形層高測量裝置與閉環(huán)控制方法，以實(shí) 現(xiàn)熔覆頭單層提升量的實(shí)時精確控制。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0008] 激光熔覆快速成形層高測量裝置，包括三個激光2D位移傳感器，相互成120°夾 角并環(huán)繞安裝在熔覆頭的周圍，用于測量金屬熔池周圍封閉的激光等邊三角形邊線上的熔 覆層高度；且每個激光2D位移傳感器配有傳感器控制器，用于其上的CMOS圖像信號轉(zhuǎn)化為 高度數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)傳輸給控制單元；
[0009] 控制單元，用于處理三個激光2D位移傳感器采集的數(shù)據(jù)，計算出熔覆層高度值并 反饋給上位機(jī)；
[0010] 顯示器，用于實(shí)時顯示三個激光2D位移傳感器測量的高度數(shù)據(jù)與控制單元處理 后的層高高度數(shù)據(jù)。
[0011] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：三個激光2D位移傳感器均通過傳感器安裝架安裝在 熔覆頭的周圍。
[0012] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：每個激光2D位移傳感器的采樣頻率設(shè)為f = 500Hz~ 1000Hz ;激光等邊三角形在加工件表面邊長為12mm~15mm，在傳感器屬性中設(shè)置每條線段 上每個時間點(diǎn)的掃描點(diǎn)數(shù)為N = 400~800。
[0013] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：控制單元為PLC、DSP芯片或者嵌入式微處理器。
[0014] 上述激光熔覆快速成形層高測量裝置的閉環(huán)控制方法，包括如下步驟：
[0015] 1)在激光成形開始前，調(diào)整熔覆頭離焦量至設(shè)定值，測量三個激光2D位移傳感器 至基體的距離，作為標(biāo)準(zhǔn)距離值輸入控制單元進(jìn)行標(biāo)定；
[0016] 2)在激光成形開始后，將三個激光2D位移傳感器測得的3組高度數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸給 對應(yīng)的傳感器控制器，再通過傳感器控制器傳輸給控制單元，控制單元將3組高度數(shù)據(jù)標(biāo) 記為三個向量A、B及C，通過冒泡排序法或max ()函數(shù)篩選出其中總和最大的相鄰的10個 點(diǎn)，它們的平均值即為當(dāng)前時間點(diǎn)的最高熔覆層的高度；
[0017] 3)將多個時間點(diǎn)測得的，小于標(biāo)準(zhǔn)距離值0. 1~0. 4mm范圍內(nèi)的最高點(diǎn)取平均值， 作為該熔覆層的層高高度值，控制單元將此層高高度值反饋給上位機(jī)，進(jìn)而控制激光熔覆 頭的提升量。
[0018] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：步驟2)中，三個向量A、B及C相互搭接。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0020] 本發(fā)明提供的激光熔覆快速成形層高測量裝置中，激光2D位移傳感器工作頻率 高，測量精度高，響應(yīng)時間短；控制單元運(yùn)算速度快，延遲時間短，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時反饋運(yùn) 算。層高控制程序由控制單元獨(dú)立運(yùn)行，并與上位機(jī)實(shí)時交換數(shù)據(jù)，不占用上位機(jī)的程序線 程?？膳c熔覆堆積同步進(jìn)行，不影響加工進(jìn)度；
[0021] 本發(fā)明提供的激光熔覆快速成形層高測量裝置的閉環(huán)控制方法，與傳統(tǒng)激光熔覆 成形工藝相比，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了激光熔覆熔覆層高度的在線測量與反饋，熔覆頭單層提升量 與實(shí)際堆高一致，可保持離焦量不變，提高激光與粉末的耦合精度，減少熔覆層缺陷，減少 內(nèi)應(yīng)力和裂紋，進(jìn)而得到更高的成形尺寸精度，顯微組織形貌更為均勻。本發(fā)明測量已成形 的熔覆層高度，不測量發(fā)光熔池，不受熔池面積、形狀變化及熔池受遮擋等因素的影響。高 度閉環(huán)測量與控制過程準(zhǔn)確，穩(wěn)定。
【附圖說明】：
[0022] 圖1為本發(fā)明激光熔覆快速成形層高測量裝置的主視圖，其中只畫了第一激光2D 位移傳感器，省略了第二激光2D位移傳感器和第三激光2D位移傳感器。
[0023] 圖2為圖1的俯視圖，三個激光2D位移傳感器分別安裝在熔覆頭上的周向上。
[0024] 圖3為本發(fā)明閉環(huán)控制方法的結(jié)構(gòu)框圖。
[0025] 圖4為成形件剖面熔覆層形貌圖。
[0026] 圖中：1、熔覆頭，2、傳感器安裝架，3、第一激光2D位移傳感器，4、激光束與粉末 流，5、金屬熔池，6、熔覆層，7、測量激光，8、基體，9、第二激光2D位移傳感器，10、第三激光 2D位移傳感器。
【具體實(shí)施方式】：
[0027] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0028] 參見圖1和圖2,本發(fā)明激光熔覆快速成形層高測量裝置，包括三個激光2D位移傳 感器，相互成120°夾角并環(huán)繞安裝在熔覆頭1的周圍，用于測量金屬熔池5周圍封閉的激 光等邊三角形邊線上的熔覆層6高度；且每個激光2D位移傳感器配有傳感器控制器，用于 其上的CMOS圖像信號轉(zhuǎn)化為高度數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)傳輸給控制單元；
[0029] 控制單元，用于處理三個激光2D位移傳感器采集的數(shù)據(jù)，計算出熔覆層高度值并 反饋給上位機(jī)；
[0030] 顯示器，用于實(shí)時顯示三個激光2D位移傳感器測量的高度數(shù)據(jù)與控制單元處理 后的層高高度數(shù)據(jù)，便于用戶觀察與統(tǒng)計。
[0031] 其中，三個激光2D位移傳感器均通過傳感器安裝架2安裝在熔覆頭1的周圍。每 個激光2D位移傳感器的采樣頻率設(shè)為f = 500Hz~1000Hz ;激光等邊三角形在加工件表面 邊長為12mm~15_，在傳感器屬性中設(shè)置每條線段上每個時間點(diǎn)的掃描點(diǎn)數(shù)為N = 400~ 800 〇
[0032] 參見圖3,本發(fā)明激光熔覆快速成形層高測量裝置的閉環(huán)控制方法，包括如下步 驟：
[0033] 1)在激光成形開始前，調(diào)整熔覆頭1離焦量至設(shè)定值，測量三個激光2D位移傳感 器至基體8的距離，作為標(biāo)準(zhǔn)距離值輸入控制單元進(jìn)行標(biāo)定；
[0034] 2)在激光成形開始后，將第一激光2D位移傳感器3、第二激光2D位移傳感器9及 第三激