一種增材制造過程中成形件變形的實時測量方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及增材制造技術領域，具體為一種增材制造過程中成形件變形的實時測 量方法及裝置。
【背景技術】
[0002] 目前，增材制造技術作為制造業一個新興的領域，得到了長足發展。其基本原理 為:首先在計算機中生成成形件的三維CAD模型，然后運用分層切片軟件對成形件模型按一 定的厚度分層切片，即將成形件的三維形狀信息轉換為一系列二位輪廓信息，然后采用特 定熱源如高能束加熱融化材料，在數控系統的控制下，將材料按照一定的填充路徑逐點堆 滿給定的二維形狀，重復這一過程逐層堆積形成成形件的三維實體。基于增材制造技術本 身的特點，其離散加堆疊的技術理念，以及快速近凈自由成形的優勢，使其備受航空航天領 域技術人員和廣大學者的親睞。眾所周知，大部分航空航天類零件都具有復雜的外表面和 內腔結構以滿足輕量化的需求，這無疑對傳統制造業帶來巨大的沖擊與挑戰，而增材制造 技術憑借其內在的優勢在這些方面要明顯優于傳統制造技術。然而，實踐證明，使用增材制 造方法成形零件時，如飛機發動機渦輪葉片、飛機結構件、飛機起落架等，隨著能量輸入的 增加和材料的不斷堆疊，會使零件整體呈現出非均勻溫度場和應力場，導致零件發生不同 程度的變形，一方面，成形過程中的變形行為對于后續的成形過程將產生影響，另一方面， 成形過程中的變形行為對于最終成形件的尺寸精度也具有決定性作用。一些尺寸精度要求 較高的零件，甚至會因為變形導致零件報廢。然而到目前為止，針對增材制造中成形件變形 的實時測量仍沒有具體的方法。有研究者通過數值模擬的方法研究成形件的變形(王凱.激 光立體成形過程的應力與變形數值模擬分析.西北工業大學碩士學位論文，2012)，即通過 對成形件的應力分布和應變進行分析，模擬成形件的變形規律，并且該研究測量的對象是 無約束條件下增材制造的基板變形。一方面，這與實際增材制造基板約束條件有很大區別； 另一方面，缺乏直接實時測量成形件變形的實驗驗證。另有研究報道用石膏倒模方法測量 基板的變形（于君.激光立體成形過程控制的基礎問題研究.西北工業大學博士學位論文， 2010)，即以基板為模型制作基板的石膏倒模，用螺旋測微儀測量石膏倒模兩端和中心的高 度差來評估基板的翹曲變形程度，該方法的缺點其一是手動測量，測量精度不高，誤差大； 其二也只是事后測量基板的變形，沒有對成形零件的實時變形進行測量，事后測量只能得 到變形的最終結果，而不能揭示成形過程中變形進行的詳細過程。而在焊接技術領域，有研 究者在進行兩根鋼管的對接焊接時（Zhang Jianxun,Liu Chuan and Niu Jing.The welding deformations of stainless steel pipes with thick wall by narrow gap gas tungsten arc welding.Proceedings of the 18th International Conference on Nuclear Engineering，May 17-21，2010,Xi'an，China)，采用線性可變位移傳感器測量焊接 過程中的變形，其精度為零點幾毫米，相比于手動測量精度明顯提高，但該方法為接觸式測 量，需要提前將傳感器加裝在成形件上，而在增材制造過程中，成形件最開始只是一個三維 計算機模型，靠高能束熔化材料使材料在基板上一層一層堆疊出來，增材制造過程中接觸 式測量很不方便，而且高能束加工區域附近的惡劣條件使傳感器無法近距離接觸，從而使 接觸測量方法在增材制造領域的應用受到限制。總體來說，在目前的增材制造領域中，對零 件變形的測量都是在成形結束后進行的，尚不存在變形實時測量的方法，這樣就會丟失零 件在成形過程中的變形規律。
【發明內容】
[0003] 針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種增材制造過程中成形件變形的實時 測量方法及裝置，能夠對零件成形中的變形進行非接觸實時測量，由于測距儀的量程長，精 度高，測量范圍很廣，大到宏觀變形為幾百毫米的大成形件，小到微觀變形只有幾十微米 的小成形件。依據測得的實時位移數據可知成形件某一位置的變形情況是否滿足尺寸精度 的要求，若不滿足，則需優化工藝參數和成形路徑，保證成形精度。
[0004] 本發明是通過以下技術方案來實現：
[0005] 本發明一種增材制造過程中成形件變形的實時測量方法，包括如下步驟，
[0006] 步驟一，測量裝置初始化;在控制增材制造過程的計算機中載入三維零件圖并進 行分層切片，隨后選擇成形的掃描路徑;在工作臺上設置成形零件所用的基板和激光測距 儀；
[0007] 步驟二，測量點位置的確定;在基板上垂直放置一塊測量點位置標定板，測量點位 置標定板與激光測距儀發射到測量點位置標定板的光束垂直，以測量點位置標定板所在平 面為XZ平面，以測量光束方向為Y軸建立三維坐標系，在測量點位置標定板上選取測量點位 置，將測量光束的光斑與測量點位置重合后固定激光測距儀和基板位置；
[0008] 步驟三，在基板上開始成形零件，當成形到測量點位置以上且激光測距儀能夠接 收到自身測量光束信號時，開始測距，直至零件成形完畢且溫度降低到室溫后停止測量；
[0009] 步驟四，根據相鄰時刻的測距數據得到成形過程中零件上測量點位置處的實時位 移，根據位移與時間的關系得到零件增材制造過程中測量點位置處的實時變形曲線；
[0010] 步驟五，采用多臺激光測距儀，對每臺激光測距儀同時進行步驟一到四，對成形件 上多個點同時進行變形測量，即可獲得增材制造成形件中每臺激光測距儀所對應位置處的 實時變形曲線。
[0011]優選的，步驟二中，以測量點位置標定板的底邊為X軸，一個側邊為Z軸，測量光束 方向為Y軸，底邊和側邊的交點為原點，建立三維坐標系;原點為增材制造的起始點。
[0012] 優選的，步驟四中，根據Z軸單層抬升量Δ z和測點Z軸坐標值間關系，得到零件堆
;根據零件的成形高度得到當前的堆積層數，用于對零件成形時每層變形 量的測量和監控。
[0013] 優選的，步驟四中，通過如下公式根據測距數據得到零件測量點位置處的變形量 X；
[0015]式中：a為激光測量光束光軸和激光測距儀中接收透鏡光軸的交點到接收透鏡前 主面的距離;b為接收透鏡后主面到成像面中心點的距離；0:為激光測量光束光軸與接收透 鏡光軸之間的夾角；θ2為圖像傳感器與接收透鏡之間的夾角;X'為光點在成像面上的位移。
[0016] 優選的，步驟四中，以初始時刻測得的距離值為零件測量點位置處不發生變形的 初始值。
[0017] 優選的，當增材制造采用以高能束熔化同步送進的材料并按設定的路徑層層堆疊 形成三維實體時，步驟三中，當成形到測量點位置以上且激光測距儀能