本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域中的增材制造領(lǐng)域。具體來(lái)講是一種用于增材制造設(shè)備的控制系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的金屬3D打印技術(shù)按照送料形式的不同主要有金屬粉末3D打印技術(shù)、金屬送絲3D打印技術(shù)。而金屬粉末3D打印技術(shù)又細(xì)分為送粉式金屬3D打印技術(shù)以及鋪粉式金屬3D打印技術(shù)。相比于送粉式金屬3D打印技術(shù)，鋪粉式金屬3D打印技術(shù)更加成熟，現(xiàn)已小批量用于汽車、航空以及模具行業(yè)的生產(chǎn)制造。鋪粉式金屬3D打印技術(shù)的成熟得益于生產(chǎn)工藝的成熟，由此可見(jiàn)送粉式金屬3D打印技術(shù)未來(lái)的突破口更加傾向于生產(chǎn)工藝的突破。

由于送粉式金屬3D打印技術(shù)生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，零件成型質(zhì)量影響因素眾多，各影響因子聯(lián)合控制比較困難，因此現(xiàn)階段該技術(shù)的生產(chǎn)工藝的控制多停留在開(kāi)環(huán)控制。采用送粉式金屬3D打印技術(shù)成型零件的過(guò)程中，由于成型時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致設(shè)定的工藝參數(shù)隨著環(huán)境以及時(shí)間的變化而變化，由此導(dǎo)致成型零件材料性能偏低、零件表面形貌粗糙等不良現(xiàn)象。綜合分析送粉式金屬3D打印技術(shù)成型過(guò)程，可知采用送粉式金屬3D打印設(shè)備成型零件過(guò)程中熔覆寬度（以下簡(jiǎn)稱“熔寬”,當(dāng)熔池沒(méi)有溢出的情況下，熔寬與熔池尺寸大小相同）的改變將會(huì)導(dǎo)致設(shè)定的搭接率（相鄰掃描道間重疊部分的大小占據(jù)單道掃描時(shí)熔覆寬度大小的比例）的變化，造成成型零件內(nèi)部出現(xiàn)孔隙、道與道間搭接不良等現(xiàn)象。間接造成成型零件力學(xué)性能低下等缺陷。

而現(xiàn)有的技術(shù)解決方法多采用后處理的方式消除零件成型過(guò)程中生產(chǎn)工藝參數(shù)變化帶來(lái)的不良影響。但是采用后處理的方式不僅僅增加企業(yè)的制造成本，同時(shí)使得產(chǎn)品的生產(chǎn)合格率得不到有效保障，因此急需一種方式能夠有效的控制生產(chǎn)工藝參數(shù)在成型過(guò)程中保持在設(shè)定的范圍之內(nèi)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種成型過(guò)程中搭接良好使成型產(chǎn)品具有穩(wěn)定力學(xué)性能的用于送粉式增材制造設(shè)備的控制系統(tǒng)及控制方法。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種用于送粉式增材制造設(shè)備的控制系統(tǒng)，所述增材制造設(shè)備包括送粉機(jī)構(gòu)、激光器以及送粉噴嘴，其特征在于：所述控制系統(tǒng)包括控制器、圖像采集裝置以及圖像處理器，所述圖像采集裝置用于獲取經(jīng)噴嘴出料在所述激光器作用下形成的熔池圖像；所述圖像處理器對(duì)所述圖像采集裝置采集的熔池圖像進(jìn)行處理并得到熔池寬度；所述控制器根據(jù)所述處理器得到的熔池寬度與設(shè)定的熔池寬度進(jìn)行比較，當(dāng)圖像處理器得到的熔池寬度大于設(shè)定的熔池寬度，則減小所述激光器的功率；當(dāng)圖像處理器得到的熔池寬度小于設(shè)定的熔池寬度，則增大所述激光器的功率，當(dāng)激光器的功率調(diào)整到極限功率仍不能滿足設(shè)定熔池寬度，則增加所述送粉機(jī)構(gòu)的送粉量。

所述控制器包括比較模塊、存儲(chǔ)模塊以及控制模塊，所述存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)所述同樣大小的激光光斑下不同搭接率對(duì)應(yīng)的熔池寬度的數(shù)據(jù)（對(duì)應(yīng)公式：λ= D/W,其中，λ為搭接率，D為相同工藝參數(shù)下兩個(gè)掃描道之間重疊部分的尺寸，W為同一工藝參數(shù)下單道熔池寬度），以及同樣大小的激光光斑下不同激光功率以及送粉量對(duì)應(yīng)的熔池尺寸的數(shù)據(jù)；所述比較模塊用于比較所述圖像處理模塊獲取的熔池寬度和存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)的熔池寬度；所述控制器根據(jù)比較模塊的比較結(jié)果和存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)的同樣大小的激光光斑下不同激光功率以及送粉量對(duì)應(yīng)的熔池尺寸的數(shù)據(jù)，控制所述激光器的輸出功率和送粉機(jī)構(gòu)的送粉量。

所述圖像處理器包括慮噪處理模塊以及圖像識(shí)別模塊，所述慮噪處理模塊對(duì)所述圖像采集裝置獲取的熔池圖像進(jìn)行慮噪處理；所述圖像識(shí)別模塊根據(jù)慮噪處理的圖像進(jìn)行識(shí)別得到熔池寬度。

所述圖像采集裝置為攝像模塊。

所述攝像模塊帶有濾鏡保護(hù)，且攝像模塊安裝在送粉噴嘴上并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

所述控制器為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。

一種用于送粉式增材制造設(shè)備的控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、實(shí)時(shí)獲取激光作用在工件上的熔池圖像；

步驟二、對(duì)步驟一獲取的熔池圖像進(jìn)行處理得到實(shí)時(shí)熔池寬度；

步驟三、將步驟二得到的熔池寬度與設(shè)定的熔池寬度進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果首先調(diào)整激光器的輸出功率，如果還沒(méi)滿足設(shè)定熔池寬度，則調(diào)整打印頭的送粉量。

所述步驟三的具體方法為：將步驟二獲取的當(dāng)前熔池寬度與設(shè)定搭接率對(duì)應(yīng)的熔寬寬度求差，當(dāng)差值為負(fù)數(shù)時(shí)，根據(jù)熔池寬度與激光功率及送粉量相關(guān)的數(shù)據(jù)獲取當(dāng)前送粉量下的極限功率；若當(dāng)前激光功率小于極限功率，則增大當(dāng)前激光功率直到當(dāng)前熔池尺寸達(dá)到設(shè)定的搭接率對(duì)應(yīng)的熔池寬度；若激光功率達(dá)到極限功率，則增加送粉量來(lái)增大當(dāng)前的熔池尺寸；當(dāng)差值為正時(shí)，減小當(dāng)前激光功率，直到當(dāng)前熔池寬度達(dá)到設(shè)定的搭接率對(duì)應(yīng)的熔池寬度。

通過(guò)大量工藝實(shí)驗(yàn)，建立送粉式金屬增材制造技術(shù)中不同金屬材料成型過(guò)程中同樣大小的激光光斑下設(shè)置不同搭接率對(duì)應(yīng)的熔池尺寸的數(shù)據(jù)庫(kù)，并擬合成相應(yīng)的曲線(如圖1所示)。

通過(guò)大量工藝實(shí)驗(yàn)，建立送粉式金屬增材制造技術(shù)中不同金屬材料成型過(guò)程中同樣大小的激光光斑下不同激光功率對(duì)應(yīng)的熔池尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)以及相同激光功率下不同送粉量對(duì)應(yīng)的熔覆寬度數(shù)據(jù)庫(kù)，并擬合成相應(yīng)的曲線（如圖2、3所示）。

在送粉式金屬增材制造設(shè)備的送粉噴嘴上安裝帶有濾鏡保護(hù)的攝像模塊，實(shí)時(shí)將采集的視頻通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸給送粉式金屬增材制造設(shè)備配套的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)接受到數(shù)據(jù)后，對(duì)采集的圖像進(jìn)行識(shí)別，計(jì)算出當(dāng)前熔池的尺寸。并將計(jì)算出的熔池尺寸與設(shè)定的搭接率對(duì)應(yīng)的熔池大小進(jìn)行比較。

當(dāng)“計(jì)算出的熔池尺寸”與“設(shè)定的搭接率對(duì)應(yīng)的熔池尺寸”的絕對(duì)差值超出設(shè)定的閾值時(shí)，則通過(guò)優(yōu)先調(diào)節(jié)激光功率的大小、其次調(diào)節(jié)送粉量的方式來(lái)改變當(dāng)前熔池的大小。

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了送粉式金屬增材制造技術(shù)加工過(guò)程中熔池尺寸的閉環(huán)控制，可以有效的避免成型過(guò)程中由于外部因素的影響導(dǎo)致熔池尺寸的變化進(jìn)而引起的搭接率的改變的現(xiàn)象。

附圖說(shuō)明

圖1 為搭接率與熔寬的曲線示意圖。

圖2 為熔池寬度與激光功率的曲線示意圖。

圖3 為熔寬與送粉量的曲線示意圖。

圖4為該控制系統(tǒng)的工作流程圖。

圖5為本發(fā)明控制系統(tǒng)與送粉是金屬3D打印設(shè)備連接示意圖。

其中，1為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2為數(shù)據(jù)線，3為送粉噴嘴，4為攝像模塊，5為反光鏡，6為激光光束，7為成型零件，8為工作臺(tái)，11為圖像處理器，12為存儲(chǔ)模塊，13為比較模塊，14為控制模塊，15為激光器控制系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合圖4、圖5對(duì)具體的實(shí)施過(guò)程做進(jìn)一步的闡述：

圖4所示為該控制系統(tǒng)工作流程圖。本發(fā)明一種用于送粉式增材制造設(shè)備的控制系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于如3D激光打印等增材制造設(shè)備中，圖中包含工業(yè)控制計(jì)算機(jī)1，攝像模塊4，圖像處理器11，存儲(chǔ)模塊12，比較模塊13，激光器控制系統(tǒng)15。圖5所示為該閉環(huán)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖，包含工業(yè)控制計(jì)算機(jī)1，數(shù)據(jù)線2，送粉噴嘴3，攝像模塊4，反光鏡5，激光光束6，成型零件7，工作臺(tái)8。

如圖5所示，在送粉噴嘴3內(nèi)部裝有反光鏡5與攝像模塊4，加工過(guò)程中熔池場(chǎng)景通過(guò)送粉噴嘴3內(nèi)部的反光鏡5將圖像反射至攝像模塊4（如圖5中虛線表示的反射示意圖）。攝像模塊4將采集的熔池圖像通過(guò)數(shù)據(jù)線2傳送至工業(yè)控制計(jì)算機(jī)1。如圖4所示，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)1（控制器）將接受的熔池圖像數(shù)據(jù)交由內(nèi)部的圖像處理器11處理，圖像處理器11對(duì)接受的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行慮噪處理，并進(jìn)行圖像識(shí)別，計(jì)算出當(dāng)前熔池的尺寸，然后將尺寸數(shù)據(jù)返回給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)1。

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)1從存儲(chǔ)模塊12中的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)讀取設(shè)定搭接率對(duì)應(yīng)的熔寬。然后將讀取的熔寬值與計(jì)算出的當(dāng)前熔池的尺寸值一起發(fā)送給比較模塊13。比較模塊13對(duì)接受的兩個(gè)不同的數(shù)字求差，并將差值傳遞給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)1。

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)1將接受的差值發(fā)送給控制模塊14，控制模塊14對(duì)接受的差值進(jìn)行處理。當(dāng)差值為負(fù)數(shù)時(shí)，則可知當(dāng)前熔池的尺寸偏小，則通過(guò)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)1查詢存儲(chǔ)模塊12中存放的熔池尺寸與激光功率及送粉量相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)獲取當(dāng)前送粉量下的極限功率（注：送粉量恒定時(shí)，熔池的尺寸隨著激光功率的增大會(huì)先增大而后逐漸穩(wěn)定，而穩(wěn)定后的激光功率即為極限功率）。若當(dāng)前激光功率小于極限功率，則通過(guò)激光器控制系統(tǒng)15增大當(dāng)前激光功率直到當(dāng)前熔池尺寸達(dá)到設(shè)定的搭接率對(duì)應(yīng)的熔寬的大小。若激光功率達(dá)到極限功率，則通過(guò)激光器控制系統(tǒng)15增加送粉量來(lái)增大當(dāng)前的熔池尺寸。當(dāng)差值為正時(shí)，可知當(dāng)前熔池的尺寸偏大，只需減小當(dāng)前激光功率即可，直到當(dāng)前熔池尺寸達(dá)到設(shè)定的搭接率對(duì)應(yīng)的熔寬的大小。

圖1 為搭接率與熔寬的曲線示意圖，橫坐標(biāo)為W（熔池寬度），縱坐標(biāo)為λ（搭接率），可知隨著熔池寬度的增大，搭接率逐漸變小。圖2 為熔池寬度（W）與激光功率（P）的曲線示意圖。圖2中原點(diǎn)到虛線之間的部分，有激光功率尚不能完全熔覆熔池中的粉末，因此熔寬隨著激光功率的增大而增大；虛線之后，激光功率能夠完全融化熔池中的粉末，且出現(xiàn)功率冗余現(xiàn)象，因此熔寬趨于穩(wěn)定。此時(shí)，取虛線所在位置為極限功率值。

圖3 為熔池寬度（W）與送粉量(Q)的曲線示意圖。當(dāng)激光功率一定時(shí)，圖3中坐標(biāo)原點(diǎn)到第一個(gè)虛線之間由于送入熔池中的粉末能夠完全融入熔池內(nèi)，因此該部分熔寬與熔池寬度一樣保持不變；第一個(gè)虛線與第二個(gè)虛線之間，隨著送粉量的增大，送入的粉末都能被激光輸入的能量融化，而熔池的大小由于激光功率恒定后不會(huì)隨之改變，因此多出的金屬溶液溢出熔池，最終導(dǎo)致熔寬增大；第二個(gè)虛線到X坐標(biāo)軸的正無(wú)窮方向，由于送入的金屬粉末超出了激光輸入能量所能融化的粉末量，因此該部分會(huì)隨著送粉量的加大，熔寬趨于穩(wěn)定。

在采用送粉式金屬3D打印技術(shù)成型過(guò)程中，持續(xù)采集熔池的圖像并對(duì)激光功率與送粉量進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到成型過(guò)程中的閉環(huán)控制。