快速成形鋪粉粉量自動(dòng)調(diào)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于快速成形技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種快速成形鋪粉粉量自動(dòng)調(diào)節(jié)閉環(huán)控 制系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自動(dòng)鋪粉高能束選區(qū)熔化技術(shù)是新近發(fā)展起來的金屬零件直接3D打印技術(shù)，其 原理是利用計(jì)算機(jī)對(duì)三維CAD模型分層并進(jìn)行截面信息處理，然后將截面數(shù)據(jù)輸入3D打 印機(jī)內(nèi)，3D打印機(jī)根據(jù)截面數(shù)據(jù)逐層鋪送金屬粉末并利用高能束對(duì)粉末層選定區(qū)域進(jìn)行熔 化，所有截面逐層熔化疊加成形后獲得設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形狀的三維實(shí)體零件。鋪粉過程是自動(dòng)鋪 粉高能束選區(qū)熔化技術(shù)中的關(guān)鍵過程，粉末層的厚度及均勻性對(duì)成形工藝和整個(gè)零件的成 形效果有著重大影響。在成形過程中，實(shí)際鋪粉層厚必須與零件模型計(jì)算機(jī)剖分得到的粉 層層厚相一致，鋪粉粉量對(duì)粉層層厚有決定性影響。但由于鋪粉粉量很難進(jìn)行直接精確檢 測，目前常用的刮板/片式鋪粉方法中，采用鋪粉機(jī)構(gòu)在鋪粉平臺(tái)上鋪粉，鋪粉機(jī)構(gòu)中安裝 有鋪粉刮片，通過控制成形平臺(tái)降落來控制鋪粉層厚，沒有快速成形鋪粉粉量檢測裝置，無 法實(shí)時(shí)精確檢測鋪粉粉量，更無法根據(jù)實(shí)際需粉量實(shí)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)整，從而影響了高能束 選區(qū)熔化工藝的優(yōu)化調(diào)整。如果鋪粉粉量過小出現(xiàn)鋪粉區(qū)域鋪粉不全，會(huì)造成零件成形尺 寸的誤差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成零件成形失敗，而鋪粉粉量過大造成粉末浪費(fèi)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成零件 成形因缺粉而成形終止，嚴(yán)重影響了高能束選區(qū)熔化工藝的穩(wěn)定性，成形零件常常因此存 在缺陷或報(bào)廢。目前，普遍采用的定量送粉的方式是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，很難根據(jù)實(shí)際情況 對(duì)粉量實(shí)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)整，無法保證實(shí)際單層鋪粉層厚，而采用2~4倍實(shí)際需粉量的過粉 量法，粉末浪費(fèi)嚴(yán)重，對(duì)真實(shí)粉層粉量仍然不可控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡 單、設(shè)計(jì)新穎合理、實(shí)現(xiàn)方便且成本低、鋪粉粉量控制精度高、可靠性高的快速成形鋪粉粉 量自動(dòng)調(diào)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)。
[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種快速成形鋪粉粉量自動(dòng)調(diào) 節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于：包括鋪粉時(shí)間檢測機(jī)構(gòu)、鋪粉控制器和與鋪粉控制器相接 的計(jì)算機(jī)，以及用于帶動(dòng)鋪粉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)、用于驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器和用 于標(biāo)記鋪粉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的零位置的零點(diǎn)行程開關(guān)，所述伺服驅(qū)動(dòng)器與鋪粉控制器的輸出端相 接，所述伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器相接，所述零點(diǎn)行程開關(guān)安裝在鋪粉平臺(tái)上且與鋪粉控制 器的輸入端相接；所述鋪粉時(shí)間檢測機(jī)構(gòu)包括固定支架以及固定連接在固定支架上的上落 粉管、下落粉管和光電傳感器，所述上落粉管和下落粉管之間連接有可透光管，所述光電傳 感器的發(fā)射端和接收端分別位于可透光管的兩側(cè)，所述鋪粉控制器的輸入端接有計(jì)時(shí)器， 所述光電傳感器的信號(hào)輸出端與計(jì)時(shí)器的信號(hào)輸入端相接。
[0005] 上述的快速成形鋪粉粉量自動(dòng)調(diào)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于：所述上落粉管和 下落粉管均通過螺母豎直固定連接在固定支架上，所述光電傳感器水平固定連接在固定支 架上。
[0006] 上述的快速成形鋪粉粉量自動(dòng)調(diào)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于：所述固定支架的 頂部設(shè)置有供上落粉管穿過的上固定孔，所述上落粉管穿過上固定孔并通過分別位于上固 定孔頂部和上固定孔底部的兩個(gè)螺母豎直固定連接在固定支架上；所述固定支架的底部設(shè) 置有供下落粉管穿過的下固定孔，所述下落粉管穿過下固定孔并通過分別位于下固定孔頂 部和下固定孔底部的兩個(gè)螺母豎直固定連接在固定支架上。
[0007] 上述的快速成形鋪粉粉量自動(dòng)調(diào)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于：所述固定支架的 側(cè)面設(shè)置有供光電傳感器的信號(hào)輸出端穿出的側(cè)面固定孔，所述固定支架的側(cè)面位于側(cè)面 固定孔的下部設(shè)置有向側(cè)面內(nèi)部凸出的水平凸臺(tái)，所述光電傳感器的信號(hào)輸出端穿出側(cè)面 固定孔并通過與水平凸臺(tái)固定連接的方式水平固定連接在固定支架上。
[0008] 上述的快速成形鋪粉粉量自動(dòng)調(diào)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于：所述可透光管卡 接在上落粉管和下落粉管之間，所述可透光管為透明玻璃管。
[0009] 上述的快速成形鋪粉粉量自動(dòng)調(diào)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于：所述鋪粉平臺(tái)上 安裝有用于對(duì)鋪粉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到鋪粉平臺(tái)的左邊沿位置進(jìn)行限位的左限位開關(guān)和用于對(duì)鋪 粉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到鋪粉平臺(tái)的右邊沿位置進(jìn)行限位的右限位開關(guān)，所述左限位開關(guān)和右限位開 關(guān)均與鋪粉控制器的輸入端相接。
[0010] 本發(fā)明還提供了一種方法步驟簡單，能夠?qū)崟r(shí)定量檢測鋪粉粉量，并對(duì)鋪粉粉量 誤差作出實(shí)時(shí)補(bǔ)償，實(shí)時(shí)調(diào)整取粉位置，改變?nèi)》哿?，?shí)現(xiàn)鋪粉粉量的高精度控制，能夠提 高零件成形精度及質(zhì)量的快速成形鋪粉粉量自動(dòng)調(diào)節(jié)閉環(huán)控制方法，其特征在于該方法包 括以下步驟：
[0011] 步驟一、在鋪粉平臺(tái)上開一個(gè)直徑與上落粉管的管徑相配合的管孔，將上落粉管 固定在管孔處，并使上落粉管的上管口高出鋪粉平臺(tái)的上表面Omm~2mm;
[0012] 步驟二、上電后，鋪粉控制器通過伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，伺服電機(jī)帶動(dòng)鋪 粉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，尋找零點(diǎn)行程開關(guān)，當(dāng)零點(diǎn)行程開關(guān)檢測到鋪粉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到零點(diǎn)行程開關(guān)的 位置處時(shí)，輸出檢測信號(hào)給鋪粉控制器，鋪粉控制器將零點(diǎn)行程開關(guān)的位置傳輸給計(jì)算機(jī)， 計(jì)算機(jī)對(duì)零點(diǎn)行程開關(guān)的位置進(jìn)行標(biāo)記并將該位置數(shù)據(jù)記為零位置；
[0013] 步驟三、當(dāng)要進(jìn)行鋪粉時(shí)，在計(jì)算機(jī)上輸入初始取粉位置Clto，計(jì)算機(jī)將初始取粉 位置Cl to傳輸給鋪粉控制器，首先，鋪粉控制器通過伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)鋪粉機(jī)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)到初始取粉位置Clto處取粉，然后，鋪粉控制器通過伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)鋪粉 機(jī)構(gòu)鋪粉，當(dāng)安裝在鋪粉機(jī)構(gòu)上的鋪粉刮片經(jīng)過上落粉管的上管口時(shí)，高出上落粉管的上 管口的粉末依次經(jīng)過上落粉管、可透光管和下落粉管流出，光電傳感器對(duì)粉末流過可透光 管的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測并將檢測到的信號(hào)實(shí)時(shí)輸出給計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)器在光電傳感器開始輸 出檢測信號(hào)時(shí)開始計(jì)時(shí)，并在光電傳感器輸出給其的檢測信號(hào)消失時(shí)停止計(jì)時(shí)，從而計(jì)時(shí) 得到粉末流過可透光管的時(shí)間t，并將其計(jì)時(shí)得到的粉末流過可透光管的時(shí)間t傳輸給鋪 粉控制器；其中，(1初的單位為mm ;
[0014] 步驟四、鋪粉控制器將其接收到的粉末流過可透光管的時(shí)間t代入預(yù)先構(gòu)建并存 儲(chǔ)在其中的鋪粉粉量y與粉末流過可透光管的時(shí)間t的關(guān)系式模型y = afapi+ajel中， 計(jì)算得到鋪粉粉量y;
[0015] 其中，預(yù)先構(gòu)建鋪粉粉量y與粉末流過可透光管的時(shí)間t的關(guān)系式模型y = ao+ap t+a2te七的具體過程為：
[0016] 步驟401、在鋪粉平臺(tái)上開一個(gè)直徑與上落粉管的管徑相配合的管孔，將上落粉管 固定在管孔處，并使上落粉管的上管口高出鋪粉平臺(tái)的上表面Omm~2mm;
[0017] 步驟402、鋪η次粉，鋪第i次粉時(shí)，當(dāng)鋪粉刮片經(jīng)過上落粉管的上管口時(shí)，高出 上落粉管的上管口的粉末依次經(jīng)過上落粉管、可透光管和下落粉管流出，光電傳感器對(duì)粉 末流過可透光管的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測并將檢測到的信號(hào)實(shí)時(shí)輸出給計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)器在光電 傳感器開始輸出檢測信號(hào)時(shí)開始計(jì)時(shí)，并在光電傳感器輸出給其的檢測信號(hào)消失時(shí)停止計(jì) 時(shí)，從而計(jì)時(shí)得到鋪第i次粉時(shí)粉末流過可透光管的時(shí)間T i,并將其計(jì)時(shí)得到的粉末流過可 透光管的時(shí)間Ti傳輸給鋪粉控制器，鋪粉控制器再將其接收到的粉末流過可透光管的時(shí)間 Ti傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)記錄鋪η次粉其接收到的粉末流過可透光管的時(shí)間T ^T2、…、Tn; 且在鋪完第i次粉后，稱量第i次鋪粉的粉末重量值Wi并記錄，將記錄的鋪η次粉的η個(gè) 粉末重量值A(chǔ)、W 2、…、Wn輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)記錄鋪η次粉的η個(gè)粉末重量值W i、W2、…、 Wn;其中，η的取值為不小于3的自然數(shù)，i的取值為1~η的自然數(shù)；
[0018] 步驟403、計(jì)算機(jī)將鋪η次粉粉末流過可透光管的時(shí)間1\、T2、…、T n構(gòu)建為粉末 流過可透光管的時(shí)間t的數(shù)據(jù)集t= [1\、T2、…、Tn]并存儲(chǔ)，且將鋪η次粉的η個(gè)粉末重 量值A(chǔ)、W2、…、W 1^建為鋪粉粉量y的數(shù)據(jù)集y = [Wn W2…、Wn]并存儲(chǔ)；
[0019] 步驟404、計(jì)算機(jī)構(gòu)建鋪粉粉量y與粉末流過可透光管的時(shí)間t的關(guān)系式模型y = &(ι+&1^+&2?θΛ并將粉末流過可透光管的時(shí)間t的數(shù)據(jù)集t = [1\、T2、…、Tn]和鋪粉粉量 y的數(shù)據(jù)集y = [WnW2…、Wn]代入鋪粉粉量y與粉末流過可透光管的時(shí)間t的關(guān)系式模型 y = ad+a^t+aAei中，得到矩陣方程
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種快速成形鋪粉粉量自動(dòng)調(diào)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于：包括鋪粉時(shí)間檢測機(jī) 構(gòu)、鋪粉控制器（6)和與鋪粉控制器（6)相接的計(jì)算機(jī)（8)，以及用于帶動(dòng)鋪粉機(jī)構(gòu)（21)運(yùn) 動(dòng)的伺服電機(jī)（16)、用于驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)（16)的伺服驅(qū)動(dòng)器（17)和用于標(biāo)記鋪粉機(jī)構(gòu)（21) 運(yùn)動(dòng)的零位置的零點(diǎn)行程開關(guān)（18)，所述伺服驅(qū)動(dòng)器（17)與鋪粉控制器（6)的輸出端相 接，所述伺服電機(jī)（16)與伺服驅(qū)動(dòng)器（17)相接，所述零點(diǎn)行程開關(guān)（18)安裝在鋪粉平臺(tái) (14)上且與鋪粉控制器（6)的輸入端相接；所述鋪粉時(shí)間檢測機(jī)構(gòu)包括固定支架（1)以及 固定連接在固定支架（1)上的上落粉管（2)、下落粉管（3)和光電傳感器（4)，所述上落粉 管（2)和下落粉管（3)之間連接有可透光管（5)，所述光電傳感器（4)的發(fā)射端和接收端分 別位于可透光管（5)的兩側(cè)，所述鋪粉控制器（6)的輸入端接有計(jì)時(shí)器（7)，所述光電傳感 器⑷的信號(hào)輸出端與計(jì)時(shí)器（7)的信號(hào)輸入端相接。
2. 按照權(quán)利要求1所述的快速成形鋪粉粉量自動(dòng)調(diào)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)，