高能束增材制造中溫度與變形實時同步測量裝置及方法
【技術領域】
[0001 ]本發明屬于高能束增材制造領域，涉及一種高能束增材制造中溫度與變形實時同步測量裝置，本發明還涉及上述裝置的測量方法。
【背景技術】
[0002]高能束增材制造技術是基于快速原型制造技術原理發展起來的高性能金屬增材制造技術，其原理是:首先在計算機中生成零件的三維CAD模型，然后將模型按一定的厚度切片分層，即將零件的三維形狀信息轉換成一系列二維輪廓信息，隨后在計算機的控制下，采用同步送進粉末或絲材的高能束沉積方法，按照二維輪廓信息逐層堆積，最終形成三維實體零件。其中，高能束包括等激光束、電子束、離子束、電弧等。
[0003]在高能束增材制造技術中，隨著高能束熱源的移動，熔池快速產生和凝固，使熔池及附近區域經受一個不均勻的快冷快熱作用，致使整個成形件的溫度分布隨時間、空間的不同而急劇變化;巨大的溫度梯度引起的基板與成形件的變形應力，會造成一定程度的變形，以上情況嚴重影響了增材制造成形件的性能和精度，因此對高能束增材制造過程中溫度場與應變場的測量與反饋控制研究具有重要的意義。
[0004]公開發表的 “FEM simulat1n of the temperature field during the laserforming of sheet metal，，文獻(Journal of Materials Processing Technology，1998，74)通過有限元模擬研究了激光立體成形過程中的溫度場演化規律，認為基板溫度場分布與激光功率與掃描速度有關。數值模擬技術可以計算出整個成形過程中基板與成形件的溫度場，應力場與應變場。該方法與本發明不矛盾，為科學研究不同途徑。但是由于高能束增材制造過程的復雜性以及很多材料的熱學參量不能準確測量，在模擬計算溫度場與應力應變場方面進行簡化處理，帶來一定誤差。
[0005]公開發表的 “Thermomechanical Modeling of Additive Manufacturing LargeParts，，文南犬(Journal of Manufacturing Science&Engineering，2014，136(6))通過三維掃描技術對成型后基板與成形件的整體進行了掃描，并通過圖像處理技術與成形前掃描圖像進行對比，得到基板與成形件的變形量。公開發表的“激光立體成形過程控制的基礎問題研究”文獻(西北工業大學博士學位論文，2010)以基板為模型制作基板的石膏倒模，最后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。以上實驗方法僅以基板或成形件的最終變形量為測量指標，未能對成形過程中基板的變形規律進行測量。
[0006]公開發表的“激光直接沉積過程中基板變形分析”文獻(塑形工程學報，2007年，12卷，5期)利用熱點偶測量成形過程中成形件溫度，利用自主設計裝置測量成形過程中基板邊緣的翹曲變形。但是該方法僅能測量基板邊緣處翹曲變形，并未能考慮實際加工過程中的成形件的變形，測量位置較為單一，無法獲取成形過程中全面的測量數據，對實際成形工藝指導反饋作用不大。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是提供一種高能束增材制造中溫度與變形實時測量裝置，該裝置解決了現有測量裝置無法實時同步測量高能束增材制造成形過程中溫度與變形的問題。
[0008]本發明的另一目的是提供上述測量裝置的測量方法，能夠實時同步地測量高能束增材制造成形過程中的溫度與變形。
[0009]本發明所采用的技術方案是，一種高能束增材制造中溫度與變形實時同步測量裝置，包括工作平臺及安裝在工作平臺上的變形測量系統和溫度測量系統。
[0010]工作平臺包括工作臺，工作臺表面均勻分布有螺紋孔，工作臺通過緊固螺釘連接有兩個支架，其中一個支架上表面通過緊固螺釘連接有夾持板，夾持板下方夾持有基板；
[0011]變形測量系統包括接觸式位移傳感器和非接觸式光學傳感器，接觸式位移傳感器設置在兩個支架之間的導軌上，導軌上滑動連接有若干傳感器安裝座，傳感器安裝座上設置有若干固定孔，接觸式位移傳感器設置在固定孔內；非接觸式光學傳感器通過傳感器支撐桿安裝在工作臺的螺紋孔內，并位于基板一側；
[0012]溫度監測系統包括熱電偶、高溫熱成像儀、跟蹤式紅外測溫儀和固定式紅外測溫儀。其中，熱電偶分別焊于基板上表面的兩端及中間點處;高溫熱成像儀通過成像儀支撐桿安裝在工作臺的螺紋孔內，并位于基板另一側;跟蹤式紅外測溫儀通過可調節高度和角度的環形安裝座固定，且位于基板正上方；固定式紅外測溫儀通過測溫儀支撐桿分別設置在工作臺的螺紋孔內，且固定式紅外測溫儀基板的兩端及中部一側。
[0013]本發明的特點還在于，
[0014]變形測量系統和溫度測量系統通過數據線與嵌于高能束增材制造系統內部的數據記錄系統相連接。
[0015]接觸式位移傳感器與固定孔通過手擰螺釘固定，接觸式位移傳感器位于基板下方。
[0016]成像儀支撐桿上設置有用于調節高度及角度的成像儀安裝座。
[0017]跟蹤式紅外測溫儀通過手擰螺釘與環形安裝座固定。
[0018]測溫儀支撐桿上設置有用于調節角度的測溫儀安裝座。
[0019]基板上方設置有激光熔覆噴頭，環形安裝座套裝在激光熔覆噴頭上;所述跟蹤式紅外測溫儀位于激光熔覆噴頭一側。
[0020]固定式紅外測溫儀數量不少于3個。
[0021]本發明的另一技術方案是，一種高能束增材制造中溫度與變形實時同步測量方法，具體包括以下步驟:
[0022]步驟1、將待測量成形件置于基板上，開啟高能束加工設備進行加工，同時開啟記錄控制系統；
[0023]步驟2、通過接觸式位移傳感器實時測量基板在成形過程中的翹曲變形量；
[0024]步驟3、通過非接觸式光學傳感器實時測量成形件在成形過程中的變形量；
[0025]步驟4、通過熱電偶實時測量基板在成形過程中的特定點的溫度；
[0026]步驟5、通過固定式紅外測溫儀實時測量成形件在成形過程中特定點的溫度；
[0027]步驟6、通過跟蹤式紅外測溫儀實時測量成形過程中的熔池溫度；
[0028]步驟7、通過高溫熱成像儀實時測量成形件某成形面的溫度分布梯度；
[0029]步驟8、成形結束，待成形件完全冷卻，完成測量。
[0030]本發明另一技術方案的特點還在于，
[0031]接觸式位移傳感器、非接觸式光學傳感器、高溫熱成像儀、固定式紅外測溫儀和跟蹤式紅外測溫儀的實時信號通過記錄控制系統收集處理。
[0032]本發明的有益效果是:
[0033]I)—種高能束增材制造中溫度與變形實時同步測量裝置，通過采取接觸式的高精度位移傳感器、非接觸式光學傳感器實時測量變形的手段，解決了實時測量基板變形的問題;通過采取熱電偶、紅外測溫儀與熱成像相機實時測量溫度的手段，得到成形過程中基板與成形件的特定點、特定面和熔池移動點的溫度演變規律，多角度多方面獲得實時精準測量結果;通過本裝置能夠實時在線同步測量高能束增材制造成形過程中溫度與變形的參數，為成形工藝的反饋控制提供測量數據，確保成形件的性能與精度。