隨著材料一層一層的 堆積，成形過程即為多個成形周期的重復，每一個成形過程中，高溫液態熔池都以一定的掃 描速度經過被測點上方，所以在整個成形過程中，被測點上方的高溫熔池周期性的重復掃 過，使得被測點及其周圍的溫度處于大小時刻變化的波動狀態下，溫度場又決定了應力場， 因此引發熱應力不均勻分布，最終導致成形件變形的波動現象。其次，在成形結束時，圖中 所示的變心曲線并沒有變為直線，這說明成形停止后的一段時間內仍舊存在變形，這是因 為成形結束的那一刻，成形件內部及表面溫度不會瞬間降為零，而是要有一個散熱過程，對 于不同形狀的成形件散熱過程不盡相同，有些部位散熱快，溫度下降速度快，另一些部位散 熱慢，溫度下降的也慢，由此導致不同部位溫度的不均勻，產生的熱應力便會使成形件產生 變形，但根據理論分析與測量的結果，可以看到由此引發的變形相比于成形過程中的變形 并不是很大，但相對于尺寸要求較高的成形件來說，這個變形仍是至關重要的。
[0059] 原則上可以對任何金屬成形件進行測量，不受成形件材料和尺寸的限制。
[0060] 根據所述的激光測距儀的測量原理，該裝置是基于光三角法進行測量的，即通過 其內置的激光器發射一束激光并照射在被測成形件表面，激光束光斑大小為1 . 〇mm X 3.7mm，激光光斑經成形件表面漫反射后由測距儀在另一方向接收。一方面由于激光光斑 小，測距儀安裝位置具有任意性，可根據測量條件采取水平、豎直或與水平面成任意角度進 行安裝，基本能滿足對任何金屬成形件的測量；另一方面由于本發明中成形件是材料層層 堆疊起來的，故其表面粗糙度相比于激光波長658nm要大得多，滿足漫反射的要求，不會出 現因成形件表面形成鏡面反射而接收不到信號的情況，所以可以對任何金屬成形件進行測 量，不受成形件材料和尺寸的限制。
【主權項】
1. 一種增材制造過程中成形件變形的實時測量方法，其特征在于，包括如下步驟， 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Ξ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； 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，W測量點位置標定板所在平面為 XZ平面，W測量光束方向為Y軸建立Ξ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； 步驟Ξ，在基板上開始成形零件，當成形到測量點位置W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； 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； 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。2. 根據權利要求1所述的一種增材制造過程中成形件變形的實時測量方法，其特征在 于，步驟二中，W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Ξ維坐標系;原點為增材制造的起始點。3. 根據權利要求1所述的一種增材制造過程中成形件變形的實時測量方法，其特征在 于，步驟四中，根據Z軸單層抬升量ΔΖ和測點Z軸坐標值間關系，得到零件堆積層數η為 η二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 ΔΖ 和監控。4. 根據權利要求1所述的一種增材制造過程中成形件變形的實時測量方法，其特征在 于，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;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屯、點的距離；θι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;χ/為光點在成像面上的位移。5. 根據權利要求1所述的一種增材制造過程中成形件變形的實時測量方法，其特征在 于，步驟四中，W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。6. 根據權利要求1所述的一種增材制造過程中成形件變形的實時測量方法，其特征在 于，當增材制造采用W高能束烙化同步送進的材料并按設定的路徑層層堆疊形成Ξ維實體 時，步驟Ξ中，當成形到測量點位置W上且激光測距儀能夠接收到自身測量光束信號且不 受零件成形位置處發光干擾時，開始測距。7. -種增材制造過程中成形件變形的實時測量裝置，用于如權利要求1-6中任意一項 所述的測量方法上，其特征在于，包括設置在工作臺（6)上的Ξ維移動平臺（10)，設置在Ξ 維移動平臺（10)上的激光測距儀(9)，連接在激光測距儀(9)輸出端的上位機（18)，W及垂 直放置在基板(7)上的測量點位置標定板(8);基板(7)設置在工作臺（6)上，且位于激光測 距儀(9)的測量量程內。8. 根據權利要求7所述的一種增材制造過程中成形件變形的實時測量裝置，其特征在 于，還包括設置在制造成形件所用加工頭（12)上的遮光裝置（17);遮光裝置（17)設置在加 工頭（12)和激光測距儀(9)之間，用于屏蔽零件成形位置處的發光干擾。9. 根據權利要求8所述的一種增材制造過程中成形件變形的實時測量裝置，其特征在 于，遮光裝置(17)下端超出零件成形點3-5mm。10. 根據權利要求7所述的一種增材制造過程中成形件變形的實時測量裝置，其特征在 于，所述的激光測距儀(9)包括半導體激光器（1)和線性圖像傳感器(5)，W及設置在入射激 光束(2)光路上的入射透鏡和設置在接收光束光路上的接收透鏡;線性圖像傳感器(5)的輸 出端連接上位機(18)。
【專利摘要】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，所述方法包括如下步驟，步驟一，測量裝置初始化；步驟二，測量點位置的確定；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；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；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。
【IPC分類】G01B11/16
【公開號】CN105571505
【申請號】CN201510954796
【發明人】譚華, 侯偉, 林鑫, 陳靜, 黃衛東
【申請人】西北工業大學
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2015年12月17日