激光熔覆快速成形層高測量裝置與閉環控制方法
【技術領域】：
[0001] 本發明屬于精密測控技術與先進制造技術的領域，涉及激光熔覆和激光快速成 形，尤其涉及一種激光熔覆快速成形層高測量裝置與閉環控制方法。
【背景技術】：
[0002] 在激光熔覆技術中有一種同步送料成形技術，其原理是采用熔覆頭，調整高能激 光束光斑聚焦在金屬基體上，送粉管連續輸送金屬粉末至激光焦點與之耦合。激光將粉末 與焦點區域的基體表面部分熔化形成熔池。隨著熔覆頭的水平運動，熔池在激光束離開后 迅速冷卻凝固，并在基體上形成沿噴頭運動軌跡方向、具有一定高度和寬度的熔覆層，或稱 為熔道。如果采用數控系統按照零件的截面形狀規劃控制熔覆頭的運動，將熔覆層在水平 面搭接，然后在垂直方向往上層層堆積形成3維金屬實體，這種技術即為激光快速成形，又 稱激光3D打印技術。
[0003] 熔覆頭單層的提升量須與該熔覆層的高度一致，以保證激光光斑焦點位置不變。 然而，每層熔覆層的高度由于工藝參數的不穩定而變動，而在一般的激光熔覆堆積中，只能 依靠工藝經驗將熔覆頭的單層提升量設置為固定值。這樣每層的提升都會使激光束在加工 表面的焦點位置產生一定的偏移，即離焦量。隨著成形件高度的增加，離焦量的層層累積會 導致成形質量下降或者成形失敗，如熔覆層高度，寬度變化，熔覆層表面起伏，結塊等。因 此，需要一套能夠精確測量熔覆層高度的裝置，可實時反饋高度信息并控制噴頭的提升量， 以保證離焦量始終在允許范圍內，從而提高激光快速成形的精度。
[0004] 現有的層高控制方法，如專利"一種激光熔覆熔池離焦量測量裝置及測量方 法"（【申請號】201410235777.6)和美國專利"System and method for closed-loop control of laser cladding by powder injection"（專利號：US7043330)等，提出米用 CCD/CM0S傳感器獲取熔池位置的方法。通過采集發亮液態熔池圖像，使用微處理器計算熔 池形心來獲取熔池的位置，繼而得到離焦量并反饋給上位機。這種方法有一定的精確性，但 是，這兩種專利在應用中，熔池圖像的捕獲會受到材料，激光功率，掃描速度，基體形狀等多 種因素影響。熔池圖像并不穩定，易被遮攔。熔池直徑為2-3_，測得的結果其實并不是熔 覆層高度，而是熔池形心位置的高度。
[0005] 鑒于已有技術存在的問題，需要設計一種測量已成形的固體熔覆層高度，來獲得 單層提升量的方法。
【發明內容】
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[0006] 本發明的目的是提供一種激光熔覆快速成形層高測量裝置與閉環控制方法，以實 現熔覆頭單層提升量的實時精確控制。
[0007] 為實現上述目的，本發明采用如下的技術方案予以實現：
[0008] 激光熔覆快速成形層高測量裝置，包括三個激光2D位移傳感器，相互成120°夾 角并環繞安裝在熔覆頭的周圍，用于測量金屬熔池周圍封閉的激光等邊三角形邊線上的熔 覆層高度；且每個激光2D位移傳感器配有傳感器控制器，用于其上的CMOS圖像信號轉化為 高度數據，并通過以太網傳輸給控制單元；
[0009] 控制單元，用于處理三個激光2D位移傳感器采集的數據，計算出熔覆層高度值并 反饋給上位機；
[0010] 顯示器，用于實時顯示三個激光2D位移傳感器測量的高度數據與控制單元處理 后的層高高度數據。
[0011] 本發明進一步的改進在于：三個激光2D位移傳感器均通過傳感器安裝架安裝在 熔覆頭的周圍。
[0012] 本發明進一步的改進在于：每個激光2D位移傳感器的采樣頻率設為f = 500Hz~ 1000Hz ;激光等邊三角形在加工件表面邊長為12mm~15mm，在傳感器屬性中設置每條線段 上每個時間點的掃描點數為N = 400~800。
[0013] 本發明進一步的改進在于：控制單元為PLC、DSP芯片或者嵌入式微處理器。
[0014] 上述激光熔覆快速成形層高測量裝置的閉環控制方法，包括如下步驟：
[0015] 1)在激光成形開始前，調整熔覆頭離焦量至設定值，測量三個激光2D位移傳感器 至基體的距離，作為標準距離值輸入控制單元進行標定；
[0016] 2)在激光成形開始后，將三個激光2D位移傳感器測得的3組高度數據實時傳輸給 對應的傳感器控制器，再通過傳感器控制器傳輸給控制單元，控制單元將3組高度數據標 記為三個向量A、B及C，通過冒泡排序法或max ()函數篩選出其中總和最大的相鄰的10個 點，它們的平均值即為當前時間點的最高熔覆層的高度；
[0017] 3)將多個時間點測得的，小于標準距離值0. 1~0. 4mm范圍內的最高點取平均值， 作為該熔覆層的層高高度值，控制單元將此層高高度值反饋給上位機，進而控制激光熔覆 頭的提升量。
[0018] 本發明進一步的改進在于：步驟2)中，三個向量A、B及C相互搭接。
[0019] 與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：
[0020] 本發明提供的激光熔覆快速成形層高測量裝置中，激光2D位移傳感器工作頻率 高，測量精度高，響應時間短；控制單元運算速度快，延遲時間短，可進行數據的實時反饋運 算。層高控制程序由控制單元獨立運行，并與上位機實時交換數據，不占用上位機的程序線 程。可與熔覆堆積同步進行，不影響加工進度；
[0021] 本發明提供的激光熔覆快速成形層高測量裝置的閉環控制方法，與傳統激光熔覆 成形工藝相比，本發明實現了激光熔覆熔覆層高度的在線測量與反饋，熔覆頭單層提升量 與實際堆高一致，可保持離焦量不變，提高激光與粉末的耦合精度，減少熔覆層缺陷，減少 內應力和裂紋，進而得到更高的成形尺寸精度，顯微組織形貌更為均勻。本發明測量已成形 的熔覆層高度，不測量發光熔池，不受熔池面積、形狀變化及熔池受遮擋等因素的影響。高 度閉環測量與控制過程準確，穩定。
【附圖說明】：
[0022] 圖1為本發明激光熔覆快速成形層高測量裝置的主視圖，其中只畫了第一激光2D 位移傳感器，省略了第二激光2D位移傳感器和第三激光2D位移傳感器。
[0023] 圖2為圖1的俯視圖，三個激光2D位移傳感器分別安裝在熔覆頭上的周向上。
[0024] 圖3為本發明閉環控制方法的結構框圖。
[0025] 圖4為成形件剖面熔覆層形貌圖。
[0026] 圖中：1、熔覆頭，2、傳感器安裝架，3、第一激光2D位移傳感器，4、激光束與粉末 流，5、金屬熔池，6、熔覆層，7、測量激光，8、基體，9、第二激光2D位移傳感器，10、第三激光 2D位移傳感器。
【具體實施方式】：
[0027] 下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。
[0028] 參見圖1和圖2,本發明激光熔覆快速成形層高測量裝置，包括三個激光2D位移傳 感器，相互成120°夾角并環繞安裝在熔覆頭1的周圍，用于測量金屬熔池5周圍封閉的激 光等邊三角形邊線上的熔覆層6高度；且每個激光2D位移傳感器配有傳感器控制器，用于 其上的CMOS圖像信號轉化為高度數據，并通過以太網傳輸給控制單元；
[0029] 控制單元，用于處理三個激光2D位移傳感器采集的數據，計算出熔覆層高度值并 反饋給上位機；
[0030] 顯示器，用于實時顯示三個激光2D位移傳感器測量的高度數據與控制單元處理 后的層高高度數據，便于用戶觀察與統計。
[0031] 其中，三個激光2D位移傳感器均通過傳感器安裝架2安裝在熔覆頭1的周圍。每 個激光2D位移傳感器的采樣頻率設為f = 500Hz~1000Hz ;激光等邊三角形在加工件表面 邊長為12mm~15_，在傳感器屬性中設置每條線段上每個時間點的掃描點數為N = 400~ 800 〇
[0032] 參見圖3,本發明激光熔覆快速成形層高測量裝置的閉環控制方法，包括如下步 驟：
[0033] 1)在激光成形開始前，調整熔覆頭1離焦量至設定值，測量三個激光2D位移傳感 器至基體8的距離，作為標準距離值輸入控制單元進行標定；
[0034] 2)在激光成形開始后，將第一激光2D位移傳感器3、第二激光2D位移傳感器9及 第三激