光2D位移傳感器10測(cè)得的3組測(cè)高度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給對(duì)應(yīng)的傳感器控制器，再通 過(guò)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(gè)向量A、B及C，通過(guò) 冒泡排序法或max〇函數(shù)篩選出其中總和最大的相鄰的10個(gè)點(diǎn)，它們的平均值即為當(dāng)前時(shí) 間點(diǎn)的最高熔覆層6的高度；其中，三個(gè)向量A、B及C相互搭接；
[0035] 3)將多個(gè)時(shí)間點(diǎn)測(cè)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6的層高高度，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1的提升量。
[0036] 為了對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步的了解，現(xiàn)對(duì)其測(cè)量原理做一說(shuō)明。
[0037] 激光2D位移傳感器采用扇形擴(kuò)散的激光光學(xué)和感光系統(tǒng)，基于光學(xué)三角測(cè)量原 理，在任意時(shí)間點(diǎn)，它可以輻射一條激光線段到物體上，通過(guò)CMOS感光元件接收漫反射投 影獲得這條線段上所有點(diǎn)的高度。將三個(gè)激光2D位移傳感器環(huán)繞安裝在熔覆頭1周圍，相 互成120°夾角，它們發(fā)出的3條測(cè)量激光7線段就可以組成一個(gè)激光等邊三角形，將激光 束與粉末流4耦合形成的金屬熔池5包圍，形成一個(gè)封閉的區(qū)域。這樣，無(wú)論熔覆頭1往哪 個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，金屬熔池5凝固后形成的熔覆層6都會(huì)被其中至少1條測(cè)量激光7線段掃描 到。由于成形件不斷向上生長(zhǎng)，新熔覆層6總會(huì)處在最高點(diǎn)。通過(guò)處理三個(gè)激光2D位移傳 感器的高度測(cè)量數(shù)據(jù)，找出其中的最大值，就可以得到新熔覆層6的高度。
[0038] 為了更準(zhǔn)確地跟蹤成形熔覆層，激光等邊三角形各邊須靠近熔覆層。一般熔池的 最大直徑為4_，將激光等邊三角形的邊長(zhǎng)設(shè)置為12_~15_，將熔池包圍在內(nèi)。需要將 第一激光2D位移傳感器3、第二激光2D位移傳感器9和第三激光2D位移傳感器10傾斜安 裝在熔覆頭1上，三個(gè)激光2D位移傳感器跟隨熔覆頭1運(yùn)動(dòng)。如圖1所示，第一激光2D位 移傳感器3發(fā)射的測(cè)距激光7與水平面的夾角為α。若第一激光2D位移傳感器3測(cè)得激 光發(fā)射頭到熔覆層6的距離為s，那么該熔覆層6相對(duì)發(fā)射頭的高度則為：h = s Min ( α )。 通過(guò)計(jì)算即可得到該高度h對(duì)應(yīng)的熔覆層高度值A(chǔ)k。
[0039] 圖3為閉環(huán)控制方法的結(jié)構(gòu)框圖。其中，三個(gè)傳感器控制器分別接收三個(gè)激光2D 位移傳感器的CMOS圖像信息，將它們轉(zhuǎn)化成1維高度數(shù)據(jù)。這些高度數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸 給控制單元。該控制單元可以是PLC，也可以是DSP芯片，嵌入式微處理器等。
[0040] 標(biāo)記第一激光2D位移傳感器3、第二激光2D位移傳感器9和第三激光2D位移傳感 器10每次提取的1維高度數(shù)據(jù)分別為三個(gè)向量A、B和C，它們分別為A = [A1, A2，…，、… ，A8J，B = [B1, B2，…，Bk，…，B8J，C = [C1, C2，…，Ck，…，C8J。從任意一點(diǎn)開(kāi)始的相鄰 10 個(gè)點(diǎn)的總和，可標(biāo)記為AAk= sum(Ak，Ak+1, ???,Ak+g)。通過(guò)冒泡排序法或max()函數(shù)找出其中 總和最大的相鄰10個(gè)點(diǎn)，例如BB22= max(AAk, BBk, CCk), k = 1~800。取這10個(gè)點(diǎn)的平 均值F= BB22ZIO作為本次測(cè)量的層高高度。因三個(gè)向量A、B和C相互成環(huán)形搭接，這10 個(gè)點(diǎn)也可能處在2個(gè)向量的交界部分。例如AA798為A 798-B7, CC795為C 795-~等。
[0041] 程序每隔時(shí)間間隔T采樣1次高度向量數(shù)據(jù)A、B和C，并計(jì)算平均值I，由于熔覆 層單層生長(zhǎng)高度范圍一般在0.1 mm~0. 4mm范圍內(nèi)，因此，測(cè)得的A也必須小于標(biāo)準(zhǔn)距離值 0.1 mm~0.4mm。在一層堆積完成后，將所有符合要求的F再計(jì)算一次平均值，得出該層的 層高平均值/7。將該層的層高平均值互通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給上位機(jī)。上位機(jī)再發(fā)送指令給運(yùn) 動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如CNC數(shù)控機(jī)床或6軸機(jī)器人，來(lái)控制熔覆頭1的單層提升量。
[0042] 實(shí)施例：激光熔覆成形堆積一個(gè)彎曲薄壁件。
[0043] 設(shè)定激光功率為600W，熔覆頭掃描速度為6mm/s，送粉器載氣流量為3L/min，送粉 速率為7. 5g/min，保護(hù)氣壓強(qiáng)為I. 5bar。調(diào)整熔覆頭離焦量為-3_，使光斑直徑為2. 5_。 掃描方向只有一個(gè)，采用本發(fā)明激光熔覆快速成形層高測(cè)量裝置與閉環(huán)控制方法，將激光 等邊三角形的一條邊與掃描方向垂直。設(shè)置傳感器采樣頻率為1000Hz，激光等邊三角形邊 長(zhǎng)為12mm。測(cè)量的最高點(diǎn)區(qū)域的10個(gè)點(diǎn)在C向量中部，處在C 35tl-C42tl之間。通過(guò)閉環(huán)控制 方法將離焦量穩(wěn)定在-3mm左右。得到的成形件表面光滑，且寬度、厚度自下而上保持穩(wěn)定。 [0044] 圖4為成形件的剖面熔覆層形貌圖。從附圖中可以看出，熔覆層分布均勻、對(duì)稱， 量得各熔覆層的實(shí)際高度在〇. 24mm~0. 32mm之間，與本發(fā)明激光熔覆快速成形層高測(cè)量 裝置測(cè)得的堆高一致。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 激光熔覆快速成形層高測(cè)量裝置，其特征在于：包括三個(gè)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(cè)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(gè)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(hào)轉(zhuǎn)化為高度數(shù)據(jù)，并通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給控制單元； 控制單元，用于處理三個(gè)激光2D位移傳感器采集的數(shù)據(jù)，計(jì)算出熔覆層（6)高度值并 反饋給上位機(jī)； 顯示器，用于實(shí)時(shí)顯示三個(gè)激光2D位移傳感器測(cè)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)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熔覆快速成形層高測(cè)量裝置，其特征在于：三個(gè)激光2D 位移傳感器均通過(guò)傳感器安裝架（2)安裝在熔覆頭（1)的周圍。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熔覆快速成形層高測(cè)量裝置，其特征在于：每個(gè)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(zhǎng)為 12mm~15臟，在傳感器屬性中設(shè)置每條線段上每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的掃描點(diǎn)數(shù)為N = 400~800。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熔覆快速成形層高測(cè)量裝置，其特征在于：控制單元為 PLC、DSP芯片或者嵌入式微處理器。
5. 權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的激光熔覆快速成形層高測(cè)量裝置的閉環(huán)控制方法， 其特征在于，包括如下步驟： 1) 在激光成形開(kāi)始前，調(diào)整熔覆頭（1)離焦量至設(shè)定值，測(cè)量三個(gè)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； 2) 在激光成形開(kāi)始后，將三個(gè)激光2D位移傳感器測(cè)得的3組高度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給對(duì)應(yīng) 的傳感器控制器，再通過(guò)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(gè)向量A、B及C，通過(guò)冒泡排序法或max〇函數(shù)篩選出其中總和最大的相鄰的10個(gè)點(diǎn)， 它們的平均值即為當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的最高熔覆層（6)的高度； 3) 將多個(gè)時(shí)間點(diǎn)測(cè)得的，小于標(biāo)準(zhǔn)距離值0. 1~0. 4_范圍內(nèi)的最高點(diǎn)取平均值，作為 該熔覆層（6)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⑴的提升量。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光熔覆快速成形層高測(cè)量裝置的閉環(huán)控制方法，其特征在 于，步驟2)中，三個(gè)向量A、B及C相互搭接。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種激光熔覆快速成形層高測(cè)量裝置與閉環(huán)控制方法，該測(cè)量裝置包括三個(gè)激光2D位移傳感器、控制單元、上位機(jī)以及顯示器；該閉環(huán)控制方法中，三個(gè)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(cè)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(gè)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(hào)轉(zhuǎn)化為高度數(shù)據(jù)，并通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給控制單元；控制單元，用于處理三個(gè)激光2D位移傳感器采集的數(shù)據(jù)，計(jì)算出熔覆層高度值并反饋給上位機(jī)；顯示器，用于實(shí)時(shí)顯示三個(gè)激光2D位移傳感器測(cè)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)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了熔覆頭單層提升量的實(shí)時(shí)精確控制。
【IPC分類】G01B11-06
【公開(kāi)號(hào)】CN104807410
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510176039
【發(fā)明人】王伊卿, 石拓, 盧秉恒, 魏正英, 王吉潔
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月29日
【申請(qǐng)日】2015年4月14日