激光熔覆快速成形层高测量装置与闭环控制方法

摘要

本发明公开了一种激光熔覆快速成形层高测量装置与闭环控制方法，该测量装置包括三个激光2D位移传感器、控制单元、上位机以及显示器；该闭环控制方法中，三个激光2D位移传感器相互成120°夹角并环绕安装在熔覆头的周围，用于测量金属熔池周围封闭的激光等边三角形边线上的熔覆层高度；且每个激光2D位移传感器配有传感器控制器，用于其上的CMOS图像信号转化为高度数据，并通过以太网传输给控制单元；控制单元，用于处理三个激光2D位移传感器采集的数据，计算出熔覆层高度值并反馈给上位机；显示器，用于实时显示三个激光2D位移传感器测量的高度数据与控制单元处理后的层高高度数据。本发明实现了熔覆头单层提升量的实时精确控制。

权利要求

1.激光熔覆快速成形层高测量装置，其特征在于：包括三个激光2D位移传感器，相互成

120°夹角并环绕安装在熔覆头(1)的周围，用于测量金属熔池(5)周围封闭的激光等边三角形边线上的熔覆层(6)高度；且每个激光2D位移传感器配有传感器控制器，用于其上的CMOS图像信号转化为高度数据，并通过以太网传输给控制单元；

控制单元，用于处理三个激光2D位移传感器采集的数据，计算出熔覆层(6)高度值并反馈给上位机；

显示器，用于实时显示三个激光2D位移传感器测量的高度数据与控制单元处理后的层高高度数据；

其中，三个激光2D位移传感器均通过传感器安装架(2)安装在熔覆头(1)的周围；

每个激光2D位移传感器的采样频率设为f＝500Hz～1000Hz；激光等边三角形在加工件表面边长为12mm～15mm，在传感器属性中设置每条线段上每个时间点的扫描点数为N＝400～800。

2.根据权利要求1所述的激光熔覆快速成形层高测量装置，其特征在于：控制单元为PLC、DSP芯片或者嵌入式微处理器。

3.权利要求1或2所述的激光熔覆快速成形层高测量装置的闭环控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在激光成形开始前，调整熔覆头(1)离焦量至设定值，测量三个激光2D位移传感器至基体(8)的距离，作为标准距离值输入控制单元进行标定；

2)在激光成形开始后，将三个激光2D位移传感器测得的3组高度数据实时传输给对应的传感器控制器，再通过传感器控制器传输给控制单元，控制单元将3组高度数据标记为三个向量A、B及C，通过冒泡排序法或max()函数筛选出其中总和最大的相邻的10个点，它们的平均值即为当前时间点的最高熔覆层(6)的高度；

3)将多个时间点测得的，小于标准距离值0.1～0.4mm范围内的最高点取平均值，作为该熔覆层(6)的层高高度值，控制单元将此层高高度值反馈给上位机，进而控制激光熔覆头(1)的提升量。

4.根据权利要求3所述的激光熔覆快速成形层高测量装置的闭环控制方法，其特征在于，步骤2)中，三个向量A、B及C相互搭接。

说明书

激光熔覆快速成形层高测量装置与闭环控制方法

技术领域：

[0001] 本发明属于精密测控技术与先进制造技术的领域，涉及激光熔覆和激光快速成形，尤其涉及一种激光熔覆快速成形层高测量装置与闭环控制方法。背景技术：

[0002] 在激光熔覆技术中有一种同步送料成形技术，其原理是采用熔覆头，调整高能激光束光斑聚焦在金属基体上，送粉管连续输送金属粉末至激光焦点与之耦合。激光将粉末与焦点区域的基体表面部分熔化形成熔池。随着熔覆头的水平运动，熔池在激光束离开后迅速冷却凝固，并在基体上形成沿喷头运动轨迹方向、具有一定高度和宽度的熔覆层，或称为熔道。如果采用数控系统按照零件的截面形状规划控制熔覆头的运动，将熔覆层在水平面搭接，然后在垂直方向往上层层堆积形成3维金属实体，这种技术即为激光快速成形，又称激光3D打印技术。

[0003] 熔覆头单层的提升量须与该熔覆层的高度一致，以保证激光光斑焦点位置不变。然而，每层熔覆层的高度由于工艺参数的不稳定而变动，而在一般的激光熔覆堆积中，只能依靠工艺经验将熔覆头的单层提升量设置为固定值。这样每层的提升都会使激光束在加工表面的焦点位置产生一定的偏移，即离焦量。随着成形件高度的增加，离焦量的层层累积会导致成形质量下降或者成形失败，如熔覆层高度，宽度变化，熔覆层表面起伏，结块等。因此，需要一套能够精确测量熔覆层高度的装置，可实时反馈高度信息并控制喷头的提升量，以保证离焦量始终在允许范围内，从而提高激光快速成形的精度。

[0004] 现有的层高控制方法，如专利“一种激光熔覆熔池离焦量测量装置及测量方法”(申请号：201410235777.6)和美国专利“System and method for closed-loop control of laser cladding by powder injection”(专利号：US7043330)等,提出采用CCD/CMOS传感器获取熔池位置的方法。通过采集发亮液态熔池图像，使用微处理器计算熔池形心来获取熔池的位置，继而得到离焦量并反馈给上位机。这种方法有一定的精确性，但是，这两种专利在应用中，熔池图像的捕获会受到材料，激光功率，扫描速度，基体形状等多种因素影响。熔池图像并不稳定，易被遮拦。熔池直径为2-3mm，测得的结果其实并不是熔覆层高度，而是熔池形心位置的高度。

[0005] 鉴于已有技术存在的问题，需要设计一种测量已成形的固体熔覆层高度，来获得单层提升量的方法。发明内容：

[0006] 本发明的目的是提供一种激光熔覆快速成形层高测量装置与闭环控制方法，以实现熔覆头单层提升量的实时精确控制。

[0007] 为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：

[0008] 激光熔覆快速成形层高测量装置，包括三个激光2D位移传感器，相互成120°夹角并环绕安装在熔覆头的周围，用于测量金属熔池周围封闭的激光等边三角形边线上的熔覆层高度；且每个激光2D位移传感器配有传感器控制器，用于其上的CMOS图像信号转化为高度数据，并通过以太网传输给控制单元；

[0009] 控制单元，用于处理三个激光2D位移传感器采集的数据，计算出熔覆层高度值并反馈给上位机；

[0010] 显示器，用于实时显示三个激光2D位移传感器测量的高度数据与控制单元处理后的层高高度数据。

[0011] 本发明进一步的改进在于：三个激光2D位移传感器均通过传感器安装架安装在熔覆头的周围。

[0012] 本发明进一步的改进在于：每个激光2D位移传感器的采样频率设为f＝500Hz～1000Hz；激光等边三角形在加工件表面边长为12mm～15mm，在传感器属性中设置每条线段上每个时间点的扫描点数为N＝400～800。

[0013] 本发明进一步的改进在于：控制单元为PLC、DSP芯片或者嵌入式微处理器。

[0014] 上述激光熔覆快速成形层高测量装置的闭环控制方法，包括如下步骤：

[0015] 1)在激光成形开始前，调整熔覆头离焦量至设定值，测量三个激光2D位移传感器至基体的距离，作为标准距离值输入控制单元进行标定；

[0016] 2)在激光成形开始后，将三个激光2D位移传感器测得的3组高度数据实时传输给对应的传感器控制器，再通过传感器控制器传输给控制单元，控制单元将3组高度数据标记为三个向量A、B及C，通过冒泡排序法或max()函数筛选出其中总和最大的相邻的10个点，它们的平均值即为当前时间点的最高熔覆层的高度；

[0017] 3)将多个时间点测得的，小于标准距离值0.1～0.4mm范围内的最高点取平均值，作为该熔覆层的层高高度值，控制单元将此层高高度值反馈给上位机，进而控制激光熔覆头的提升量。

[0018] 本发明进一步的改进在于：步骤2)中，三个向量A、B及C相互搭接。

[0019] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

[0020] 本发明提供的激光熔覆快速成形层高测量装置中，激光2D位移传感器工作频率高，测量精度高，响应时间短；控制单元运算速度快，延迟时间短，可进行数据的实时反馈运算。层高控制程序由控制单元独立运行，并与上位机实时交换数据，不占用上位机的程序线程。可与熔覆堆积同步进行，不影响加工进度；

[0021] 本发明提供的激光熔覆快速成形层高测量装置的闭环控制方法，与传统激光熔覆成形工艺相比，本发明实现了激光熔覆熔覆层高度的在线测量与反馈，熔覆头单层提升量与实际堆高一致，可保持离焦量不变，提高激光与粉末的耦合精度，减少熔覆层缺陷，减少内应力和裂纹，进而得到更高的成形尺寸精度，显微组织形貌更为均匀。本发明测量已成形的熔覆层高度，不测量发光熔池，不受熔池面积、形状变化及熔池受遮挡等因素的影响。高度闭环测量与控制过程准确，稳定。附图说明：

[0022] 图1为本发明激光熔覆快速成形层高测量装置的主视图，其中只画了第一激光2D位移传感器，省略了第二激光2D位移传感器和第三激光2D位移传感器。

[0023] 图2为图1的俯视图，三个激光2D位移传感器分别安装在熔覆头上的周向上。

[0024] 图3为本发明闭环控制方法的结构框图。

[0025] 图4为成形件剖面熔覆层形貌图。

[0026] 图中：1、熔覆头，2、传感器安装架，3、第一激光2D位移传感器，4、激光束与粉末流，5、金属熔池，6、熔覆层，7、测量激光，8、基体，9、第二激光2D位移传感器，10、第三激光2D位移传感器。
具体实施方式：

[0027] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

[0028] 参见图1和图2，本发明激光熔覆快速成形层高测量装置，包括三个激光2D位移传感器，相互成120°夹角并环绕安装在熔覆头1的周围，用于测量金属熔池5周围封闭的激光等边三角形边线上的熔覆层6高度；且每个激光2D位移传感器配有传感器控制器，用于其上的CMOS图像信号转化为高度数据，并通过以太网传输给控制单元；

[0029] 控制单元，用于处理三个激光2D位移传感器采集的数据，计算出熔覆层高度值并反馈给上位机；

[0030] 显示器，用于实时显示三个激光2D位移传感器测量的高度数据与控制单元处理后的层高高度数据，便于用户观察与统计。

[0031] 其中，三个激光2D位移传感器均通过传感器安装架2安装在熔覆头1的周围。每个激光2D位移传感器的采样频率设为f＝500Hz～1000Hz；激光等边三角形在加工件表面边长为12mm～15mm，在传感器属性中设置每条线段上每个时间点的扫描点数为N＝400～800。

[0032] 参见图3，本发明激光熔覆快速成形层高测量装置的闭环控制方法，包括如下步骤：

[0033] 1)在激光成形开始前，调整熔覆头1离焦量至设定值，测量三个激光2D位移传感器至基体8的距离，作为标准距离值输入控制单元进行标定；

[0034] 2)在激光成形开始后，将第一激光2D位移传感器3、第二激光2D位移传感器9及第三激光2D位移传感器10测得的3组测高度数据实时传输给对应的传感器控制器，再通过传感器控制器传输给控制单元，控制单元将3组高度数据标记为三个向量A、B及C，通过冒泡排序法或max()函数筛选出其中总和最大的相邻的10个点，它们的平均值即为当前时间点的最高熔覆层6的高度；其中，三个向量A、B及C相互搭接；

[0035] 3)将多个时间点测得的，小于标准距离值0.1～0.4mm范围内的最高点取平均值，作为该熔覆层6的层高高度，控制单元将此层高高度值反馈给上位机，进而控制激光熔覆头1的提升量。

[0036] 为了对本发明进一步的了解，现对其测量原理做一说明。

[0037] 激光2D位移传感器采用扇形扩散的激光光学和感光系统，基于光学三角测量原理，在任意时间点，它可以辐射一条激光线段到物体上，通过CMOS感光元件接收漫反射投影获得这条线段上所有点的高度。将三个激光2D位移传感器环绕安装在熔覆头1周围，相互成120°夹角，它们发出的3条测量激光7线段就可以组成一个激光等边三角形，将激光束与粉末流4耦合形成的金属熔池5包围，形成一个封闭的区域。这样，无论熔覆头1往哪个方向运动，金属熔池5凝固后形成的熔覆层6都会被其中至少1条测量激光7线段扫描到。由于成形件不断向上生长，新熔覆层6总会处在最高点。通过处理三个激光2D位移传感器的高度测量数据，找出其中的最大值，就可以得到新熔覆层6的高度。

[0038] 为了更准确地跟踪成形熔覆层，激光等边三角形各边须靠近熔覆层。一般熔池的最大直径为4mm，将激光等边三角形的边长设置为12mm～15mm，将熔池包围在内。需要将第一激光2D位移传感器3、第二激光2D位移传感器9和第三激光2D位移传感器10倾斜安装在熔覆头1上，三个激光2D位移传感器跟随熔覆头1运动。如图1所示，第一激光2D位移传感器3发射的测距激光7与水平面的夹角为α。若第一激光2D位移传感器3测得激光发射头到熔覆层6的距离为s，那么该熔覆层6相对发射头的高度则为：h＝s·sin(α)。通过计算即可得到该高度h对应的熔覆层高度值Ak。

[0039] 图3为闭环控制方法的结构框图。其中，三个传感器控制器分别接收三个激光2D位移传感器的CMOS图像信息，将它们转化成1维高度数据。这些高度数据通过以太网传输给控制单元。该控制单元可以是PLC，也可以是DSP芯片，嵌入式微处理器等。

[0040] 标记第一激光2D位移传感器3、第二激光2D位移传感器9和第三激光2D位移传感器10每次提取的1维高度数据分别为三个向量A、B和C，它们分别为A＝[A1,A2,…,Ak,…,A800]，B＝[B1,B2,…,Bk,…,B800]，C＝[C1,C2,…,Ck,…,C800]。从任意一点开始的相邻10个点的总和，可标记为AAk＝sum(Ak,Ak+1,…,Ak+9)。通过冒泡排序法或max()函数找出其中总和最大的相邻10个点，例如BB22＝max(AAk,BBk,CCk),k＝1～800。取这10个点的平均值作为本次测量的层高高度。因三个向量A、B和C相互成环形搭接，这10个点也
可能处在2个向量的交界部分。例如AA798为A798-B7，CC795为C795-A4等。

[0041] 程序每隔时间间隔T采样1次高度向量数据A、B和C，并计算平均值 由于熔覆层单层生长高度范围一般在0.1mm～0.4mm范围内，因此，测得的 也必须小于标准距离值0.1mm～0.4mm。在一层堆积完成后，将所有符合要求的 再计算一次平均值，得出该层的层高平均值 将该层的层高平均值 通过以太网传输给上位机。上位机再发送指令给运动执行机构，如CNC数控机床或6轴机器人，来控制熔覆头1的单层提升量。

[0042] 实施例：激光熔覆成形堆积一个弯曲薄壁件。

[0043] 设定激光功率为600W，熔覆头扫描速度为6mm/s，送粉器载气流量为3L/min，送粉速率为7.5g/min，保护气压强为1.5bar。调整熔覆头离焦量为-3mm，使光斑直径为2.5mm。扫描方向只有一个，采用本发明激光熔覆快速成形层高测量装置与闭环控制方法，将激光等边三角形的一条边与扫描方向垂直。设置传感器采样频率为1000Hz，激光等边三角形边长为12mm。测量的最高点区域的10个点在C向量中部，处在C350-C420之间。通过闭环控制方法将离焦量稳定在-3mm左右。得到的成形件表面光滑，且宽度、厚度自下而上保持稳定。

[0044] 图4为成形件的剖面熔覆层形貌图。从附图中可以看出，熔覆层分布均匀、对称，量得各熔覆层的实际高度在0.24mm～0.32mm之间，与本发明激光熔覆快速成形层高测量装置测得的堆高一致。