快速成形鋪粉粉量光電式檢測方法與流程

本發明屬于快速成形技術領域，具體涉及一種快速成形鋪粉粉量光電式檢測方法。

背景技術：
自動鋪粉高能束選區熔化技術是新近發展起來的金屬零件直接3D打印技術，其原理是利用計算機對三維CAD模型分層并進行截面信息處理，然后將截面數據輸入3D打印機內，3D打印機根據截面數據逐層鋪送金屬粉末并利用高能束對粉末層選定區域進行熔化，所有截面逐層熔化疊加成形后獲得設計結構形狀的三維實體零件。鋪粉過程是自動鋪粉高能束選區熔化技術中的關鍵過程，粉末層的厚度及均勻性對成形工藝和整個零件的成形效果有著重大影響。在成形過程中，實際鋪粉粉量必須與零件模型計算機剖分得到的粉層層厚相一致，鋪粉粉量對粉層層厚有決定性影響。但由于鋪粉粉量很難進行直接精確檢測，目前常用的刮板/片式鋪粉方法中，采用鋪粉機構在鋪粉平臺上鋪粉，鋪粉機構中安裝有鋪粉刮片，通過控制成形平臺降落來控制鋪粉層厚，沒有快速成形鋪粉粉量檢測裝置，無法實時精確檢測鋪粉粉量，更無法根據實際需粉量實時進行補償調整，從而影響了高能束選區熔化工藝的優化調整。如果鋪粉粉量過小出現鋪粉區域鋪粉不全，會造成零件成形尺寸的誤差，嚴重時會造成零件成形失敗，而鋪粉粉量過大造成粉末浪費，嚴重時會造成零件成形因缺粉而成形終止，嚴重影響了高能束選區熔化工藝的穩定性，成形零件常常因此存在缺陷或報廢。為了解決以上問題，有人采用稱重方法檢測鋪粉粉量，但由于每次鋪粉粉量較小，難于精確測量，同時稱重機構結構復雜，成本高、可靠性差；也有人采用定量送粉方法確定鋪粉粉量，但由于缺乏柔性，很難根據實際情況對粉量實時進行補償調整，如果鋪粉量較少,鋪粉區域鋪粉不全，會造成零件成形尺寸的誤差，嚴重時會造成零件成形失敗，如果為了保證鋪粉層厚，使用2～4倍需粉量進行鋪粉，又會造成粉末嚴重浪費。

技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種結構簡單、設計新穎合理、實現方便且成本低、檢測靈敏度高、檢測精度高、可靠性高的快速成形鋪粉粉量光電式檢測系統。為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種快速成形鋪粉粉量光電式檢測系統，其特征在于：包括粉末流動檢測機構、控制器和與控制器相接的計算機，所述粉末流動檢測機構包括固定支架以及固定連接在固定支架上的上落粉管、下落粉管和光電傳感器，所述上落粉管和下落粉管之間連接有可透光管，所述光電傳感器的發射端和接收端分別位于可透光管的兩側，所述控制器的輸入端接有計時器，所述光電傳感器的信號輸出端與計時器的信號輸入端相接。上述的快速成形鋪粉粉量光電式檢測系統，其特征在于所述：所述上落粉管和下落粉管均通過螺母豎直固定連接在固定支架上，所述光電傳感器水平固定連接在固定支架上。上述的快速成形鋪粉粉量光電式檢測系統，其特征在于：所述固定支架的頂部設置有供上落粉管穿過的上固定孔，所述上落粉管穿過上固定孔并通過分別位于上固定孔頂部和上固定孔底部的兩個螺母豎直固定連接在固定支架上；所述固定支架的底部設置有供下落粉管穿過的下固定孔，所述下落粉管穿過下固定孔并通過分別位于下固定孔頂部和下固定孔底部的兩個螺母豎直固定連接在固定支架上。上述的快速成形鋪粉粉量光電式檢測系統，其特征在于：所述固定支架的側面設置有供光電傳感器的信號輸出端穿出的側面固定孔，所述固定支架的側面位于側面固定孔的下部設置有向側面內部凸出的水平凸臺，所述光電傳感器的信號輸出端穿出側面固定孔并通過與水平凸臺固定連接的方式水平固定連接在固定支架上。上述的快速成形鋪粉粉量光電式檢測系統，其特征在于：所述可透光管卡接在上落粉管和下落粉管之間。上述的快速成形鋪粉粉量光電式檢測系統，其特征在于：所述可透光管為透明玻璃管。本發明還提供了一種方法步驟簡單，能夠實現當前鋪粉粉量的實時定量檢測，能夠使得鋪粉粉量可視化、可修正化，便于達到所要的鋪粉粉量，能夠提高零件成形精度及質量的快速成形鋪粉粉量光電式檢測方法，其特征在于該方法包括以下步驟：步驟一、在鋪粉平臺上開一個直徑與上落粉管的管徑相配合的管孔，將上落粉管固定在管孔處，并使上落粉管的上管口高出鋪粉平臺的上表面0mm～2mm；步驟二、開始鋪粉，當鋪粉刮片經過上落粉管的上管口時，高出上落粉管的上管口的粉末依次經過上落粉管、可透光管和下落粉管流出，光電傳感器對粉末流過可透光管的信號進行實時檢測并將檢測到的信號實時輸出給計時器，計時器在光電傳感器開始輸出檢測信號時開始計時，并在光電傳感器輸出給其的檢測信號消失時停止計時，從而計時得到粉末流過可透光管的時間t，并將其計時得到的粉末流過可透光管的時間t傳輸給控制器；步驟三、控制器將其接收到的粉末流過可透光管的時間t代入預先構建并存儲在其中的鋪粉粉量y與粉末流過可透光管的時間t的關系式模型y＝a0+a1e-t+a2te-t中，計算得到鋪粉粉量y并傳輸給計算機進行顯示；其中，預先構建鋪粉粉量y與粉末流過可透光管的時間t的關系式模型y＝a0+a1e-t+a2te-t的具體過程為：步驟301、在鋪粉平臺上開一個直徑與上落粉管的管徑相配合的管孔，將上落粉管固定在管孔處，并使上落粉管的上管口高出鋪粉平臺的上表面0mm～2mm；步驟302、鋪n次粉，鋪第i次粉時，當鋪粉刮片經過上落粉管的上管口時，高出上落粉管的上管口的粉末依次經過上落粉管、可透光管和下落粉管流出，光電傳感器對粉末流過可透光管的信號進行實時檢測并將檢測到的信號實時輸出給計時器，計時器在光電傳感器開始輸出檢測信號時開始計時，并在光電傳感器輸出給其的檢測信號消失時停止計時，從而計時得到鋪第i次粉時粉末流過可透光管的時間Ti，并將其計時得到的粉末流過可透光管的時間Ti傳輸給控制器，控制器再將其接收到的粉末流過可透光管的時間Ti傳輸給計算機，計算機記錄鋪n次粉其接收到的粉末流過可透光管的時間T1、T2、…、Tn；且在鋪完第i次粉后，稱量第i次鋪粉的粉末重量值Wi并記錄，將記錄的鋪n次粉的n個粉末重量值W1、W2、…、Wn輸入計算機，計算機記錄鋪n次粉的n個粉末重量值W1、W2、…、Wn；其中，n的取值為不小于3的自然數，i的取值為1～n的自然數；步驟303、計算機將鋪n次粉粉末流過可透光管的時間T1、T2、…、Tn構建為粉末流過可透光管的時間t的數據集t＝[T1、T2、…、Tn]并存儲，且將鋪n次粉的n個粉末重量值W1、W2、…、Wn構建為鋪粉粉量y的數據集y＝[W1、W2…、Wn]并存儲；步驟304、計算機構建鋪粉粉量y與粉末流過可透光管的時間t的關系式模型y＝a0+a1e-t+a2te-t，并將粉末流過可透光管的時間t的數據集t＝[T1、T2、…、Tn]和鋪粉粉量y的數據集y＝[W1、W2…、Wn]代入鋪粉粉量y與粉末流過可透光管的時間t的關系式模型y＝a0+a1e-t+a2te-t中，得到矩陣方程步驟305、計算機采用線性參數回歸的方法求解得到矩陣方程的系數a0、a1和a2，就得到了系數a0、a1和a2已知的鋪粉粉量y與粉末流過可透光管的時間t的關系式模型y＝a0+a1e-t+a2te-t；其中，e為自然常數。上述的方法，其特征在于：步驟302中采用電子稱稱量第i次鋪粉的粉末重量值Wi。上述的方法，其特征在于：步驟303中所述計算機將粉末流過可透光管的時間t的數據集t＝[T1、T2、…、Tn]和鋪粉粉量y的數據集y＝[W1、W2…、Wn]以兩列數據的格式存儲在了EXCEL文件中。上述的方法，其特征在于：步驟304和步驟305計算機均在MATLAB軟件中完成，步驟305中所述計算機采用線性參數回歸的方法求解得到矩陣方程的系數a0、a1和a2，具體是采用了MATLAB中的反斜線操作符求解得到矩陣方程的系數a0、a1和a2。本發明與現有技術相比具有以下優點：1、本發明快速成形鋪粉粉量光電式檢測系統的結構簡單，設計新穎合理，實現方便且成本低。2、本發明快速成形鋪粉粉量光電式檢測系統通過光電傳感器來檢測粉末流過可透光管的時間，具有檢測靈敏度高、檢測精度高、響應速度快、無滯后現象、可靠性高、不受外界其他光源的影響等優點。3、本發明快速成形鋪粉粉量光電式檢測方法的方法步驟簡單，實時性好，能夠實現當前鋪粉粉量的實時定量檢測。4、本發明采用光電傳感器檢測粉末流過可透光管的時間，并據此計算出鋪粉粉量，能夠實時定量檢測鋪粉粉量，使得鋪粉粉量可視化，鋪粉粉量可修正化，便于達到所要的鋪粉粉量。5、本發明能夠用于快速成形的高能束選區熔化技術中，能夠解決現有鋪粉系統無法得知當前鋪粉粉量，造成鋪粉區域鋪粉不全及粉末浪費等問題，能夠提高零件成形精度及質量，實用性強，使用效果好，便于推廣使用。綜上所述，本發明的實現方便，能夠實現當前鋪粉粉量的實時定量檢測，能夠使得鋪粉粉量可視化、可修正化，便于達到所要的鋪粉粉量，能夠提高零件成形精度及質量，實用性強，便于推廣使用。下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。附圖說明圖1為本發明快速成形鋪粉粉量光電式檢測系統的結構示意圖。圖2為本發明粉末流動檢測機構的使用狀態示意圖。附圖標記說明:1—固定支架；2—上落粉管；3—下落粉管；4—光電傳感器；5—可透光管；6—控制器；7—計時器；8—計算機；9—螺母；10—上固定孔；11—下固定孔；12—側面固定孔；13—水平凸臺；14—鋪粉平臺；15—粉末。具體實施方式如圖1所示，本發明的快速成形鋪粉粉量光電式檢測系統，包括粉末流動檢測機構、控制器6和與控制器6相接的計算機8，所述粉末流動檢測機構包括固定支架1以及固定連接在固定支架1上的上落粉管2、下落粉管3和光電傳感器4，所述上落粉管2和下落粉管3之間連接有可透光管5，所述光電傳感器4的發射端和接收端分別位于可透光管5的兩側，所述控制器6的輸入端接有計時器7，所述光電傳感器4的信號輸出端與計時器7的信號輸入端相接。如圖1所示，本實施例中，所述上落粉管2和下落粉管3均通過螺母9豎直固定連接在固定支架1上，所述光電傳感器4水平固定連接在固定支架1上。如圖1所示，本實施例中，所述固定支架1的頂部設置有供上落粉管2穿過的上固定孔10，所述上落粉管2穿過上固定孔10并通過分別位于上固定孔10頂部和上固定孔10底部的兩個螺母9豎直固定連接在固定支架1上；所述固定支架1的底部設置有供下落粉管3穿過的下固定孔11，所述下落粉管3穿過下固定孔11并通過分別位于下固定孔11頂部和下固定孔11底部的兩個螺母9豎直固定連接在固定支架1上。如圖1所示，本實施例中，所述固定支架1的側面設置有供光電傳感器4的信號輸出端穿出的側面固定孔12，所述固定支架1的側面位于側面固定孔12的下部設置有向側面內部凸出的水平凸臺13，所述光電傳感器4的信號輸出端穿出側面固定孔12并通過與水平凸臺13固定連接的方式水平固定連接在固定支架1上。本實施例中，所述可透光管5卡接在上落粉管2和下落粉管3之間。所述可透光管5為透明玻璃管。具體實施時，控制器6為PLC模塊或單片機。本發明的快速成形鋪粉粉量光電式檢測方法，包括以下步驟：步驟一、如圖2所示，在鋪粉平臺14上開一個直徑與上落粉管2的管徑相配合的管孔，將上落粉管2固定在管孔處，并使上落粉管2的上管口高出鋪粉平臺14的上表面0mm～2mm；步驟二、開始鋪粉，當鋪粉刮片經過上落粉管2的上管口時，高出上落粉管2的上管口的粉末15依次經過上落粉管2、可透光管5和下落粉管3流出，光電傳感器4對粉末15流過可透光管5的信號進行實時檢測并將檢測到的信號實時輸出給計時器7，計時器7在光電傳感器4開始輸出檢測信號時開始計時，并在光電傳感器4輸出給其的檢測信號消失時停止計時，從而計時得到粉末15流過可透光管5的時間t，并將其計時得到的粉末15流過可透光管5的時間t傳輸給控制器6；由于粉末15流過可透光管5時遮蔽了可透光管5的光傳播路徑，因此光電傳感器4會有一個檢測信號，而當粉末15流完時，光電傳感器4的檢測信號將消失；步驟三、控制器6將其接收到的粉末15流過可透光管5的時間t代入預先構建并存儲在其中的鋪粉粉量y與粉末15流過可透光管5的時間t的關系式模型y＝a0+a1e-t+a2te-t中，計算得到鋪粉粉量y并傳輸給計算機8進行顯示；其中，預先構建鋪粉粉量y與粉末15流過可透光管5的時間t的關系式模型y＝a0+a1e-t+a2te-t的具體過程為：步驟301、在鋪粉平臺14上開一個直徑與上落粉管2的管徑相配合的管孔，將上落粉管2固定在管孔處，并使上落粉管2的上管口高出鋪粉平臺14的上表面0mm～2mm；步驟302、鋪n次粉，鋪第i次粉時，當鋪粉刮片經過上落粉管2的上管口時，高出上落粉管2的上管口的粉末15依次經過上落粉管2、可透光管5和下落粉管3流出，光電傳感器4對粉末15流過可透光管5的信號進行實時檢測并將檢測到的信號實時輸出給計時器7，計時器7在光電傳感器4開始輸出檢測信號時開始計時，并在光電傳感器4輸出給其的檢測信號消失時停止計時，從而計時得到鋪第i次粉時粉末15流過可透光管5的時間Ti，并將其計時得到的粉末15流過可透光管5的時間Ti傳輸給控制器6，控制器6再將其接收到的粉末15流過可透光管5的時間Ti傳輸給計算機8，計算機8記錄鋪n次粉其接收到的粉末15流過可透光管5的時間T1、T2、…、Tn；且在鋪完第i次粉后，稱量第i次鋪粉的粉末重量值Wi并記錄，將記錄的鋪n次粉的n個粉末重量值W1、W2、…、Wn輸入計算機8，計算機8記錄鋪n次粉的n個粉末重量值W1、W2、…、Wn；其中，n的取值為不小于3的自然數，i的取值為1～n的自然數；本實施例中，步驟302中采用電子稱稱量第i次鋪粉的粉末重量值Wi。步驟303、計算機8將鋪n次粉粉末15流過可透光管5的時間T1、T2、…、Tn構建為粉末15流過可透光管5的時間t的數據集t＝[T1、T2、…、Tn]并存儲，且將鋪n次粉的n個粉末重量值W1、W2、…、Wn構建為鋪粉粉量y的數據集y＝[W1、W2…、Wn]并存儲；本實施例中，步驟303中所述計算機8將粉末15流過可透光管5的時間t的數據集t＝[T1、T2、…、Tn]和鋪粉粉量y的數據集y＝[W1、W2…、Wn]以兩列數據的格式存儲在了EXCEL文件中。為了獲得準確的鋪粉粉量y與粉末15流過可透光管5的時間t的關系式模型y＝a0+a1e-t+a2te-t，理論上n的取值越大越好，因此粉末15流過可透光管5的時間t的數據集t＝[T1、T2、…、Tn]和鋪粉粉量y的數據集y＝[W1、W2…、Wn]的數據量較大，將其存儲在EXCEL文件中，一方面便于數據的管理，另一方面方便了在MATLAB軟件中利用xlsread命令方便地讀取EXCEL文件中的數據。步驟304、計算機8構建鋪粉粉量y與粉末15流過可透光管5的時間t的關系式模型y＝a0+a1e-t+a2te-t，并將粉末15流過可透光管5的時間t的數據集t＝[T1、T2、…、Tn]和鋪粉粉量y的數據集y＝[W1、W2…、Wn]代入鋪粉粉量y與粉末15流過可透光管5的時間t的關系式模型y＝a0+a1e-t+a2te-t中，得到矩陣方程其中，系數a0、a1和a2為待確定的未知系數；由于鋪粉刮片是在整個鋪粉平臺14上均勻鋪設粉末15的，當鋪粉粉量增加或減少時，上落粉管2的上管口附近的粉末15高度就會增加或減少，這樣流進上落粉管2的上管口的粉末15就會增加或減少，相應流經可透光管5的粉末15就會增加或減少，而上落粉管2、可透光管5和下落粉管3的管徑是不變的，粉末15的流動性是不變的，因此粉末15流過可透光管5的時間t就會增加或減少，本發明正是基于這一原理構建的鋪粉粉量y與粉末15流過可透光管5的時間t的關系式模型y＝a0+a1e-t+a2te-t，通過檢測粉末15流過可透光管5的時間t來反映鋪粉粉量，而且通過光電傳感器4來檢測粉末15流過可透光管5的時間t，具有檢測靈敏度高、檢測精度高、響應速度快、無滯后現象、可靠性高、不受外界其他光源的影響等優點。步驟305、計算機8采用線性參數回歸的方法求解得到矩陣方程的系數a0、a1和a2，就得到了系數a0、a1和a2已知的鋪粉粉量y與粉末15流過可透光管5的時間t的關系式模型y＝a0+a1e-t+a2te-t；其中，e為自然常數。本實施例中，步驟304和步驟305計算機8均在MATLAB軟件中完成，步驟305中所述計算機8采用線性參數回歸的方法求解得到矩陣方程的系數a0、a1和a2，具體是采用了MATLAB中的反斜線操作符求解得到矩陣方程的系數a0、a1和a2，具體的程序代碼為X＝[ones(size(t))exp(-t)t.*exp(-t)]；a＝X\y；其中，程序代碼X＝[ones(size(t))exp(-t)t.*exp(-t)]的含義為將矩陣表示為X，程序代碼a＝X\y的含義為采用MATLAB中的反斜線操作符求解系數a0、a1和a2；另外，在實時獲得當前鋪粉粉量后，就能夠將當前鋪粉粉量與預設鋪粉粉量相比對，獲得當前鋪粉粉量與預設鋪粉粉量的差Δy，而由于鋪粉機構的取粉量多少決定了鋪粉粉量，鋪粉機構的取粉位置又決定了取粉量，因此，根據當前鋪粉粉量與預設鋪粉粉量的差Δy就能夠反推得到多或者少的取粉量，就可以通過改變取粉機構的取粉位置的方式來改變取粉量，從而實時調整鋪粉粉量。以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明作任何限制，凡是根據本發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬于本發明技術方案的保護范圍內。