一种基于温度均匀性的激光选区熔化实时路径规划方法转让专利
申请号 : CN202011124084.1
文献号 : CN112427655B
文献日 : 2021-12-03
发明人 : 张李超 , 胡祺 , 史玉升 , 陈楠
申请人 : 华中科技大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于温度均匀性的激光选区熔化实时路径规划方法,其特征在于,该方法包括下列步骤:
S1对于激光选区熔化成形中的单个待成形切片层,将该待成形切片层内划分为多个区域,选取初始成形区域;
S2对于下一个待成形区域的确定,按照下列方式进行:对于当前所有未成形区域,测量每个未成形区域的温度以及与上一个已经成形区域之间的距离,以此获得每个未成形区域的温度特征和距离值,利用该每个未成形区域的温度特征值和距离值构建温度均匀因子的关系式,并以此计算每个未成形区域的温度均匀因子,根据计算获得的温度均匀因子,选取该温度均匀因子值最小的区域作为局部最优解,即当前最适宜打印区域,该当前最适宜打印区域作为下一个待成形区域并调用激光扫描模块加工成形;
所述温度均匀因子的关系式按照下列进行:其中,U是温度均匀因子,是未成形区域内温度均值,a1、a2和a3均是权值,σ是未成形区域内的温度方差,d是未成形区域与上一个已经成形区域的距离,x和y分别是未成形区域内中心点的横坐标和纵坐标,xpre和ypre分别是上一个已经成形区域中心点的横坐标和纵坐标,i是当前未成形区域温度测量点的编号,n是当前未成形区域内温度测量点的总数量;
S3重复步骤S2,直至完成单个待成形切片层内所有区域的成型,进而实现成型路径的实时规划。
2.如权利要求1所述的一种基于温度均匀性的激光选区熔化实时路径规划方法,其特征在于,在步骤S1中,所述初始成形区域优选为所有区域中温度最低的区域。
3.如权利要求1所述的一种基于温度均匀性的激光选区熔化实时路径规划方法,其特征在于,在步骤S2中,所述测量每个未成形区域的温度时是通过采集未成形区域内多个温度测量点的温度,然后利用每个温度测量点的温度计算计算温度均值和温度方差,该温度方差和温度均值即为未成形区域的温度特征值。
4.如权利要求3所述的一种基于温度均匀性的激光选区熔化实时路径规划方法,其特征在于,所述x、y、xpre和ypre均是在成形设备坐标系中的坐标。
5.如权利要求1所述的一种基于温度均匀性的激光选区熔化实时路径规划方法,其特征在于,所述x、y、xpre和ypre按照下列方式获得:首先,采用相机拍摄待成形切片层,以此获得在图像坐标系中每个区域中心点的图像坐标;然后,对成形设备进行标定,以此获得成形设备与图像坐标系之间的转换关系;最后,利用该转换关系,将每个区域中心点的图像坐标转换为在成形设备坐标系中的坐标。
6.如权利要求1所述的一种基于温度均匀性的激光选区熔化实时路径规划方法,其特征在于,所述a1的取值范围为10~100,a2的取值范围为0.5~1,a3的取值范围为‑0.5~‑1。
说明书 :
一种基于温度均匀性的激光选区熔化实时路径规划方法
技术领域
背景技术
光束作用区域只有光斑大小的金属粉末,在高度定向的热输入和快速热源的作用下,粉末
床局部经历快速的熔化和凝固过程,在光斑区域产生较大的温度梯度和瞬态热应力。如果
在成形过程中不能有效控制热量输入,引导并控制局部热应力的累积和残余应力的形成,
最后会导致零件微观组织性能下降,进而造成零件翘曲变形、开裂,形成微气孔、微裂纹等
冶金缺陷。而高能量激光束在粉末床上的行走路径会直接影响到高温金属熔池的能场与流
场,从而影响扫描区域的温度分布与应力分布。因此在激光扫描过程中实时调节各区域温
度,均匀成形层温度场,是提高零件成形质量、抑制缺陷的有效策略。
描,考虑到使用随机策略或其他有效规划方法来均匀温度场分布从而提高成形质量,但是
在成形全周期过程中实时温度场分布会由多种环境因素交叉影响,无法准确预测真实的加
工场景,比如不同粉末材料散热性能不同;不同零件结构存在差异,尤其是大型复杂结构零
件切片后相较简单零件其截面轮廓环几何形状变化较大;加工环境、设备情况不同,有加工
前预热情况、机器散热性能、甚至加工时气流的大小等情况的差异。因此,为应对上述复杂
的加工环境,需要针对实时的温度场变化对激光行走路径做出及时规划,完成过程监控到
实际制造的实时响应,同时还需要根据成形层温度变化规律设计出扫描路径的规划准则,
实现智能化加工,更直接更有效地调控成形层时间和空间上的温度分布,进而均匀成形层
温度场,改善局部应力集中问题。
分区域扫描的区域划分方法可有效解决该问题;然而,也有相关文献提出不同的动态路径
规划技术或分区路径规划:Concept Laser公司提出一种分区随机曝光策略,在一定程度上
可以解决热量积聚问题,但其随机性较大;强旭辉等提出一种基于象限引导的伪随机分区
路径策略,可均衡温度场分布;AliAhrari等人提出了一种基于多目标优化方法的细胞扫描
策略,可减小零件残余应力和变形量。上述分区扫描路径规划一般是综合考虑热影响区的
作用、成形腔的散热效果、算法复杂度等影响因素,在一定程度上可减小制件的局部热量积
聚和残余应力,但由于扫描路径在成形前就设置好了,相对与打印过程是静态的,不能在成
形过程中实时调整,难以应对不同设备工况及零件结构差异等情况;如申请号
CN102962452B的专利“基于红外测温图像的金属激光沉积制造扫描路径规划方法”中,通过
采用红外热像仪直接测量激光沉积制造层面温度,并基于层面温度分布实现分区扫描路径
规划,减小温度梯度和局部热应力集中,提高制造质量,该专利实际上是在每层打印后获得
该层的温度分布图来规划下一层的工艺参数及扫描顺序,未能及时调整当前层打印策略,
其温度信息具有滞后性,其次,该专利是在每层基于各分区温度,按先低后高的原则,优化
分区扫描顺序,未能考虑每一块子区域打印后温度分布的变化规律,从而对扫描策略带来
影响,故,本领域亟需一种能根据加工中单个切片层内不同区域温度变化来进行路径实时
规划的成形方法。
发明内容
温度场规划路径,即根据所有未成形区域的温度均匀因子确定下一个待成形区域,该方法
实现对成形路径的实时规划,同时也避免单独根据温度或距离确定下一个待成形区域带来
的热应力集中问题,成形精度高。
区域的温度特征和距离值,利用该每个未成形区域的温度特征值和距离值构建温度均匀因
子的关系式,并以此计算每个未成形区域的温度均匀因子,根据计算获得的温度均匀因子
选取其中一个未成形区域作为下一个待成形区域;
度方差,该温度方差和温度均值即为未成形区域的温度特征值。
区域内中心点的横坐标和纵坐标,xpre和ypre分别是上一个已经成形区域中心点的横坐标和
纵坐标,i是当前未成形区域温度测量点的编号,n是当前未成形区域内温度测量点的总数
量。
最后,利用该转换关系,将每个区域中心点的图像坐标转换为在成形设备坐标系中的坐标,
保证选取区域的正常打印。
益效果:
合考虑二者,避免单独根据其中某一个影响因子确定带来的局部热量积聚和残余应力,成
形精度高;
置处的温度不一致带来的计算误差,进而导致温度因子计算误差大,提高计算精度;
粉末堆积带来温度梯度高、散热难等工艺问题;
安全性。
附图说明
具体实施方式
不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
一热影响区较远的区域优先打印,见式(四);
域内的温度方差,d是未成形区域与上一个已经成形区域的距离,x和y分别是未成形区域内
中心点的横坐标和纵坐标,xpre和ypre分别是上一个已经成形区域中心点的横坐标和纵坐
标,i是当前未成形区域温度测量点的编号,n是当前未成形区域内温度测量点的总数量。a1
=10~100,a2=0.5~1,a3=‑0.5~‑1(a1、a2和a3根据实验经验进行相应修改)。
个坐标系的映射矩阵M根据opencv标定算法得出,见式(五):
置为1,不能根据温度变化调控,会导致实际温度值和热像仪检测的温度值存在一定偏差,
因此需要测量不同温度下的粉末发射率,对实际温度值也进行校准标定。为了简化计算过
程,将粉末温度与发射率的关系看做线性关系,并在温度采集过程中修正温度测量值,确保
数据的准确性.
性,如图2所示。
子区域的温度均匀因子,具体计算为:
及与前一打印分块的距离d,根据式(二)求出均匀因子值并排序,存储均匀因子值最小的分
块编号,清空数据集V。
在本发明的保护范围之内。