[發明專利]一種激光熔覆增材成形在線監測裝置及前瞻-反饋控制方法

有效

• 申請號: 201811466640.6
• 申請日: 2018-12-03
• 公開（公告）號: CN109483888B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 薛飛;羅鵬;趙萬華;盧秉恒
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B29C64/393
• 分類號: B29C64/393;B29C64/153;B33Y50/02
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

1.一種激光熔覆增材成形前瞻-反饋控制方法，其特征在于，該方法基于一種激光熔覆增材成形在線監測裝置，其包括熔覆成形單元、監測單元和控制系統單元；熔覆成形單元包括激光器、熔覆頭和工作臺，監測單元包括測溫儀、圖像攝取單元和連接架，控制系統單元包括程序預讀單元、前瞻控制單元、圖像處理單元和反饋控制單元；其中，

測溫儀固定在熔覆頭上用于實時采集熔池中心溫度，測溫儀中心與熔覆頭激光光斑中心保持同軸，并將采集的溫度數據傳送給反饋控制單元；圖像攝取單元通過連接架以旁軸的方式固定在熔覆頭旁邊用于實時攝取熔池圖像；

控制系統單元將前瞻控制單元、程序預讀單元、圖像處理單元和反饋控制單元集成于一體，同時，對工作臺各運動軸發送運動指令，對激光器發送功率指令；

程序預讀單元對輸入的數控程序進行程序預讀和插補運算，計算出預讀程序段中每一個插補周期的各軸進給速度及熔覆頭實際掃描線速度；

前瞻控制單元根據程序預讀所得的各插補周期的熔覆頭實際掃描線速度和工藝預設掃描線速度，計算兩者差值大小并對各插補周期的激光功率指令進行調整；

測溫儀實時采集熔池中心溫度，并傳送給反饋控制單元；

圖像處理單元對圖像攝取單元采集的圖像進行像素化處理，獲得熔池的形貌輪廓和熔池特征尺寸，并傳送給反饋控制單元；

反饋控制單元根據獲取的熔池中心溫度和熔池特征尺寸對后續加工過程中指定插補周期的激光功率指令進行調整；

該控制方法通過對激光熔覆增材成形掃描線速度的前瞻控制、對激光熔覆增材成形熔池中心溫度的反饋控制和對激光熔覆增材成形熔池特征尺寸的反饋控制來調整激光功率；

對激光熔覆增材成形掃描線速度的前瞻控制，具體采用以下步驟實現掃描線速度前瞻控制：

1)確定工藝預設掃描線速f₀和激光功率P₀，按掃描路徑編制G代碼數控程序，根據工藝預設掃描線速度f₀對每一程序段設定當量進給速度F，將數控程序載入控制系統；

2)程序預讀單元對數控程序進行預讀和插補運算，當程序預讀單元對第m個程序段進行預讀時，對t_i插補周期，插補運算所得到的X、Y、Z、A、C五個進給軸的進給速度分別為v_xi，v_yi，v_zi，v_ai，v_ci，當量進給速度F為：F＝(v2 xi+v2 yi+v2 zi+v2 ai+v2 ci)^1/2；

3)根據程序預讀單元給出的各軸進給速度，計算出該插補周期熔覆頭實際掃描線速度f_i，其中，熔覆頭實際掃描線速度值f_i為：f_i＝(v2 xi+v2 yi+v2 zi)^1/2；

4)對比該插補周期熔覆頭實際掃描線速度f_i和工藝預設掃描線速度f₀，當兩者差值的絕對值|fi-f₀|超過允許范圍Δf時，用激光功率前瞻補償量±ΔP_i對t_i插補周期的激光功率指令進行調整。

2.根據權利要求1所述的一種激光熔覆增材成形前瞻-反饋控制方法，其特征在于，對激光熔覆增材成形熔池中心溫度的反饋控制，將熔池中心點的溫度作為測量對象，采用測溫儀和反饋控制單元對熔池中心溫度進行閉環反饋控制，調節激光功率使熔池溫度盡可能地穩定在一個數值上，包括以下步驟：

1)根據工藝試驗確定熔池中心預設溫度T₀和允許變化范圍ΔT；

2)采用測溫儀實時監測熔池中心溫度，t_j插補周期的熔池中心溫度為T_j；

3)將熔池中心溫度數據傳送給反饋控制單元，t_j插補周期的熔池中心溫度T_j與預設溫度T₀進行比較，當兩者差值的絕對值|T_j–T₀|超過允許變化范圍ΔT時，控制后續加工過程中的激光功率，用激光功率溫度反饋補償量±ΔPT j+Δj對t_j+Δj插補周期的激光功率指令進行調整。