[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

本發明公開了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，該在線監測裝置包括熔覆成形單元、監測單元和控制系統單元。其中，熔覆成形單元包括激光器、熔覆頭和工作臺，監測裝置包括測溫儀、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、反饋控制單元。在該控制方法中，測溫儀和圖像攝取單元固定在激光熔覆設備上隨熔覆頭一起運動，對比程序預讀過程中插補周期計算出的各軸進給速度及熔覆頭實際掃描線速度，根據兩者差值大小對激光功率做前瞻控制；通過監測像素處理圖像攝取單元連續攝取激光堆積過程中熔池的圖像后獲得的熔池特征尺寸和測溫儀采集的熔池中心溫度，對激光功率做閉環反饋控制。

技術領域

本發明屬于先進制造技術和精密測控技術領域，涉及激光熔覆和激光增材制造，尤其涉及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。

背景技術

激光熔覆增材成形技術，其幾何特征為三維組裝堆積，物理特性為局部區域延伸的快速熔凝過程。在對實體的CAD模型進行分層處理后，材料在激光光斑快速掃描輻照下，遵循程序指定的路徑按序逐點形成一個個小的熔池，小熔池先后快速熔化、凝固，連接組成一條條固化單道，最終形成零件。

為保證成形的均勻性和質量，在熔覆成形過程中熔覆噴頭輸出的激光功率須與其他工藝參數保持同步匹配性。工藝參數不匹配會導致欠熔或過熔等缺陷產生，進而影響熔覆層成形高度，最終導致成形質量差甚至成形失敗。因此激光熔覆增材成形過程中工藝參數的匹配性尤為重要。

對于三軸激光熔覆增材系統，程序的當量速度與熔覆頭實際掃描線速度相等，因此在熔覆增材過程中能保持工藝參數與掃描速度匹配。但對于五軸及五軸以上激光熔覆增材系統，由于增加了回轉軸和擺動軸，程序的當量速度與熔覆頭的實際掃描線速度存在差異，且在插補運算過程中實際掃描線速度會在一定程度內存在變化，若不對激光功率進行修正，掃描線速度與激光功率難以維持匹配。

經過現有技術的文獻檢索發現，現有方法尚無法解決數控系統實際掃描線速度與激光功率的在線匹配問題。

發明內容

本發明為解決上述工藝參數的在線不匹配問題，采用前瞻和在線監測方法對激光功率進行反饋控制，提出了一種激光熔覆增材成形在線監測裝置和前瞻-反饋控制方法，通過分別在加工之前和加工中調整激光功率以實現熔覆過程中工藝參數的合理匹配。

本發明采用如下技術方案來實現的：

一種激光熔覆增材成形在線監測裝置，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。