一种激光送粉自动补偿成形的方法及系统 |
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| 申请号 | CN202410078531.6 | 申请日 | 2024-01-19 | 公开(公告)号 | CN117943554A | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
| 申请人 | 成都飞机工业(集团)有限责任公司; | 发明人 | 荣鹏; 易涛; 成靖; 黄丹; 孟亚南; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及 增材制造 技术领域，特别是涉及一种激光送粉自动补偿成形的方法和系统，方法包括 数据采集 和数据分析处理，根据数据分析结果判断是否需要进行补偿，若需要补偿，再依次完成补偿切 片层 的筛选、切片层轨迹规划以及补偿填充成形；补偿切片层的筛选具体指：根据等高线计算补偿次数n，得到需在当前层以下n个切片层进行处理；再计算相同高度差包含的待补偿的区域面积ΔS，将其与当前沉积层理论面积S进行比较判断，筛选出所有需补偿的切片层；系统包括扫描测量单元、数据分析预处理单元、路径规划与程序输出单元以及执行单元。通过本方法和系统，能解决大功率激光送粉成形过程中热累积造成的局部塌陷，最终导致成形状态失稳的问题。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种激光送粉自动补偿成形的方法，其特征在于：包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种激光送粉自动补偿成形的方法及系统技术领域背景技术[0002] 激光送粉成形技术是增材制造技术之一，具有成形速度快、成形柔性高等特点，在大尺寸复杂零件的整体快速成型上具有明显优势。对于大功率大光斑的激光送粉成形技术而言，在成型截面积较小的零件时，由于单位面积的能量密度较高，在有限的散热面积下零件整体的温度也会较高，这就造成了熔池凝固速度更慢，成形的熔道高度会降低，下一层成形时粉末便成了离焦状态。增材制造是叠层制造，其中一层的成形层高降低了，就会逐渐累积下去，使得离焦量更大，最终成形失稳，无法正常成形。由于散热的不同，同一层的离焦量也不同，外轮廓区域散热快，熔池凝固速度快，熔道高度变化较小，离焦量较小；中部散热慢，凝固慢，熔道高度变化大，离焦量大。一般整个成形层会呈现内凹的趋势。 [0003] 针对以上问题，已有学者是通过熔池监控系统观察熔道宽度的变化情况，通过调节扫描速度、送粉量等方式来确保成形的熔道宽度稳定。但是如果调节扫描速度，容易造成局部区域能量输入过多或过少，造成组织状态不均；如果调节送粉量，容易造成单位体积粉体所受能量较少或较多，易造成气孔、未熔合等缺陷的产生。还有工艺人员直接重新输出程序，人工来对该区域进行打印填充，实现对该区域的离焦量填补。虽然此种方法未对工艺参数进行改变，但在实际操作中，往往是通过个人经验判断填充区域及填充深度，不仅浪费时间，同时过程还不可控。 [0004] 现有技术中，提出了公开号为CN108637251A，公开日为2018年10月12日的中国发明专利文件，该专利文献所公开的技术方案如下：一种用于增材制造的触觉监测与反馈补偿层高控制系统及方法，该系统包括数控机床、激光熔覆头、触觉三维测头、触觉测量探头标定标准球、铣削加工刀具以及基板；基板、触觉测量探头标定标准球均安装在数控机床的工作平面上；触觉三维测头有两种集成方式：①在数控机床主轴上，实现铣削刀具、激光熔覆头、触觉三维测头的自动转换；②在数控机床主轴端，铣削刀具或激光熔覆头与触觉三维测头并列布置。该方法步骤为：1、触觉三维测头的原始校准测量；2、计算触觉三维测头的扫描速度V和采样密度T；3、层高补偿打印。 [0005] 上述技术方案在实际使用过程中，会出现以下问题：上述技术方案采集当前层工件实际高度与工件理论高度的数据值，判断当前层的波动情况，从而判断是否采取铣削或增材模式进行层高补偿，工作量大，补偿精度较低，无法保证零件成形的稳定性和零件尺寸。 发明内容[0006] 为解决上述技术问题，本发明提出了一种激光送粉自动补偿成形的方法及系统，能解决大功率激光送粉成形过程中热累积造成的局部塌陷，最终导致成形状态失稳的问题，能保证零件成形的稳定性和零件尺寸，避免零件缺量。 [0007] 本发明是通过采用下述技术方案实现的：一种激光送粉自动补偿成形的方法，包括以下步骤： 步骤S1. 正常成形，每完成一层的成形后，对当前沉积层X‑Y面进行扫描测量，获得该沉积层X/Y/Z方向的数据值，形成Z向等高线图； 步骤S2. 对步骤S1中获得的数据进行分析，获得最大高度差Δh以及理论层高h； 步骤S3. 对最大高度差Δh和理论层高h进行比较判断：当Δh＜h时，则不进行后续填充补偿步骤，重新进入步骤S1；否则执行后续补偿步骤，进入步骤S4； 步骤S4. 依次完成补偿切片层的筛选、切片层轨迹规划以及补偿填充成形，补偿完成后，再进入步骤S1；补偿切片层的筛选具体指：根据等高线计算补偿次数n，即得到需在当前层以下n个切片层进行处理；再计算相同高度差包含的待补偿的区域面积ΔS，将其与当前沉积层理论面积S进行比较判断，筛选出所有需补偿的切片层。 [0008] 所述步骤S1具体指：在返程时，进行扫描测量。 [0009] 所述步骤S1中的Z向等高线图中，等高线的零点为零件的理论高度所在平面；其中等高线以0.5个理论层高h间隔划分。 [0010] 所述补偿次数n为最大高度差Δh与理论层高h的最小整倍数。 [0011] 当待补偿的区域面积ΔS＜1/5 当前沉积层理论面积S，则该切片层不需要补偿，否则，则该切片层需要进行补偿。 [0013] 所述切片层轨迹规划具体指：调取筛选出来的切片层数据，按照等高线轮廓对对应的切片层进行分割，去除该等高线未包含的区域，即形成对应补偿区域的补偿切片层；对补偿切片层依次进行轨迹规划及工艺参数设置。 [0014] 所述补偿填充成形从最大高度差区域进行填充成形。 [0015] 一种激光送粉自动补偿成形的系统，用于上述激光送粉自动补偿成形的方法中，包括扫描测量单元、数据分析预处理单元、路径规划与程序输出单元以及执行单元；所述扫描测量单元用于对当前层的金属沉积情况进行数据采集；所述数据分析预处理单元用于对扫描测量单元采集到的数据进行分析，获得目标数据；所述路径规划与程序输出单元用于将获得的目标数据结果映射到对应的切片层，并对切片层进行最终的成形路径规划；所述执行单元包括激光送粉成形设备，用于对获得的程序数据包进行调用并执行。 [0016] 与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：1、通过本方法，能有效地识别成形过程中粉末的离焦情况，防止由于热累积影响造成的塌陷、内凹，形状变样等问题的存在，避免了人工干预繁杂、状态未知不可控的问题产生，进一步加强了激光送粉成形过程中的可靠性及稳定性。 [0017] 2、在判断是否需要补偿时，本发明采集当前层熔化堆积的实际层高与理论层高的数据值，从而判断是否采取分区域增材的形式进行层高补偿。本发明仅对堆积的层高进行监控，其采集和处理的数据小。基于激光送粉增材制造对于工件多出的区域具有自补偿的特点，故仅采取增材制造的方式对工件缺失的区域进行动态补偿，其补偿工作量更小、周期更短。 [0018] 3、在判断如何进行补偿时，本发明采用最大高度差Δh与理论层高h进行对比，先进行初筛，然后进行精确判断。若初筛结果为需补偿，通过数据采集绘制的等高线图，分析并计算需补偿的次数及每次的补偿面积，再将每次补偿层的补偿区域面积与当前层整个面积进行占比计算，依据占比情况判断该补偿区域是否需要补偿。通过逐步筛选最终确定出补偿次数、补偿面积，获得精确的补偿区域，实现精准补偿。 [0019] 4、本发明在进行切片层轨迹规划时，意想不到的提出了基于等高线分割切片层的思路，获得具体的补偿切片层轮廓数据。 [0021] 下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：图1为本发明的流程示意图； 图2为本发明拟合出来的等高线分布情况三维示意图； 图3为本发明拟合出来的等高线分布情况二维示意图； 图4为本发明中198和199切片层的补偿区域及切片层理论轮廓示意图； 图5为本发明中199层切片层的补偿切片层合成及轨迹规划示意图 具体实施方式[0022] 实施例1作为本发明基本实施方式，本发明包括一种激光送粉自动补偿成形的方法，包括以下步骤： 步骤S1. 正常成形，每完成一层的成形后，对当前沉积层X‑Y面进行扫描测量，获得该沉积层X/Y/Z方向的数据值，形成Z向等高线图。 [0023] 步骤S2. 对步骤S1中获得的数据进行分析，获得最大高度差Δh以及理论层高h。 [0024] 步骤S3. 对最大高度差Δh和理论层高h进行比较判断：当Δh＜h时，则不进行后续填充补偿步骤，重新进入步骤S1；否则执行后续补偿步骤，进入步骤S4；步骤S4. 依次完成补偿切片层的筛选、切片层轨迹规划以及补偿填充成形；补偿完成后，再进入步骤S1。补偿切片层的筛选具体指：根据等高线计算补偿次数n，即得到需在当前层以下n个切片层进行处理；再计算相同高度差包含的待补偿的区域面积ΔS，将其与当前沉积层理论面积S进行比较判断，筛选出所有需补偿的切片层。 [0025] 实施例2作为本发明一较佳实施方式，本发明包括一种激光送粉自动补偿成形的方法，包括以下步骤： 步骤S1. 正常成形，每完成一层的成形后，对当前沉积层X‑Y面进行扫描测量，获得该沉积层X/Y/Z方向的数据值，形成Z向等高线图。 [0026] 步骤S2. 对步骤S1中获得的数据进行分析，获得最大高度差Δh以及理论层高h。 [0027] 步骤S3. 对最大高度差Δh和理论层高h进行比较判断：当Δh＜h时，则不进行后续填充补偿步骤，重新进入步骤S1；否则执行后续补偿步骤，进入步骤S4。 [0028] 步骤S4. 依次完成补偿切片层的筛选、切片层轨迹规划以及补偿填充成形，补偿完成后，再进入步骤S1。 [0029] 补偿切片层的筛选具体指：根据等高线计算补偿次数n，即得到需在当前层以下n个切片层进行处理；再计算相同高度差包含的待补偿的区域面积ΔS，将其与当前沉积层理论面积S进行比较判断，当待补偿的区域面积ΔS＜1/5 当前沉积层理论面积S，则该切片层不需要补偿，否则，则该切片层需要进行补偿，以次筛选出所有需补偿的切片层。其中，所述补偿次数n为最大高度差Δh与理论层高h的最小整倍数。 [0030] 切片层轨迹规划具体指：调取筛选出来的切片层数据，按照等高线轮廓对对应的切片层进行分割，去除该等高线未包含的区域，即形成对应补偿区域的补偿切片层；对补偿切片层依次进行轨迹规划及工艺参数设置。 [0031] 实施例3作为本发明最佳实施方式，本发明包括一种激光送粉自动补偿成形的系统，所述系统包括扫描测量单元、数据分析预处理单元、路径规划与程序输出单元以及执行单元。 [0032] 所述扫描测量单元包括三维扫描仪、冷却装置、数据传输线和可旋转式安装座。所述扫描测量单元安装在激光熔覆头上，避免存在障碍物，导致存在测量盲区。所述扫描测量单元主要的作用是对当前层的金属沉积情况进行数据采集。 [0033] 所述数据分析预处理单元包括计算机和测量数据处理软件。所述测量数据处理软件具有数据判断、分析拟合、逻辑计算等功能。所述数据分析预处理单元主要的作用是对采集到的数据进行分析，获得用户想要的到的目标数据结果。 [0034] 所述路径规划与程序输出单元包括路径规划软件和模型切片软件。所述模型切片软件具有开放式接口，可供外部软件进行数据调用。所述路径规划与程序输出单元主要作用是将获得的目标数据结果映射到对应的切片层，并对切片层进行最终的成形路径规划。 [0035] 所述执行单元包括激光送粉成形设备，其主要作用是对获得的程序数据包进行调用并执行。 [0036] 一种利用上述系统实现激光送粉自动补偿成形的方法，参照说明书附图1，正常成形，每完成一层的成形后，在返程时，扫描测量单元和数据分析预处理单元开始工作，扫描测量单元快速扫描并进行判断，并输出相关指令，相关指令包括“继续执行”、“需补偿”，可根据系统转换成相应的程序语言。当指令未输出时，激光送粉成形原程序“暂停”。当指令输出时，则按照指令内容进行，其中“继续执行”指令为继续执行原程序，“需补偿”指令为需等待补偿程序插入原程序过后才能继续执行成形。 [0037] 具体的，包括以下步骤：步骤S1. 数据采集。 [0038] 采用扫描测量单元对当前沉积层X‑Y面进行扫描测量，获得该沉积层X/Y/Z方向的数据值，形成Z向等高线图。其中，Z向等高线图中，等高线的零点为零件的理论高度所在的平面上；其中等高线以0.5个理论层高h间隔划分。 [0039] 步骤S2. 数据分析处理。 [0040] 采用数据分析预处理单元对步骤S1中获得的数据进行分析，获得最大高度差Δh以及理论层高h。 [0041] 步骤S3. 对最大高度差Δh和理论层高h进行比较判断：当Δh＜h时，则不进行后续填充补偿步骤，继续执行原程序，输出“继续执行”的指令语言，重新进入步骤S1。否则执行后续补偿步骤，输出“需补偿”的指令语言，进入步骤S4。 [0042] 步骤S4. 依次完成补偿切片层的筛选、切片层轨迹规划以及补偿填充成形。 [0043] 其中，补偿切片层的筛选具体指：首先，采用数据分析预处理单元，根据等高线计算补偿次数n，补偿次数n为最大高度差Δh与理论层高h的最小整倍数，即得到需在当前层以下n个切片层进行处理。其中处理切片层时的顺序由下至上进行。 [0044] 其次，采用数据分析预处理单元计算相同高度差包含的待补偿的区域面积ΔS和沉积层理论面积S，将待补偿的区域面积ΔS和沉积层理论面积S进行比较判断。本发明涉及到的所有面积，均采用像素法进行面积计算。待补偿的区域面积ΔS计算方案具体为：根据采集的数据点按一定的差值形成等高线，等高线围合形成的区域为待补偿区域，再采用像素法进行面积计算。 [0045] 当待补偿的区域面积ΔS＜1/5 当前沉积层理论面积S，则该切片层不需要补偿，否则，则该切片层需要进行补偿。切换至下一整数层，再重复之前的依据进行判断筛选另一层，直至最终筛选出所有需补偿的切片层。 [0046] 其中，切片层轨迹规划具体指：采用利用路径规划与程序输出单元，自动调取筛选出来的切片层数据，按照等高线轮廓对对应的切片层进行分割，去除该等高线未包含的区域，即形成对应补偿区域的补偿切片层。对补偿切片层依次进行轨迹规划及工艺参数设置，最终依次输出补偿程序，形成补偿程序包。将补偿程序包插入到“暂停”指令标记程序段之后。 [0047] 其中，补偿填充成形具体指：采用执行单元执行补偿程序。补偿填充成形从最大高度差区域进行填充成形，工艺参数为正常成形工艺参数，按照补偿程序包依次完成激光送粉成形。待补偿程序执行完成后，开始执行“暂停”指令标记程序段之后的原程序指令。 [0048] 具体的，在确定要进行补偿后，每一层进行补偿时，扫描测量单元不进行数据采集，即不进行离焦量判定。补偿程序执行完成后，本发明的扫描测量单元才进行数据采集，进行补偿判断。 [0049] 实施例4作为本发明又一较佳实施方式，本发明包括一种激光送粉自动补偿成形的方法。 采用激光功率4KW、扫描速度1000mm/min、切片厚度1mm的工艺参数，激光送粉成形300mm× 300mm×300mm的正方体快状性能测试件。成形之前，装夹好基板，对零件模型以1mm的尺寸进行分层切片，共计300层，对每一切片层进行轨迹规划，输出轨迹程序，加载至三坐标数控龙门机床中。将激光熔覆头移动至预设点上，调整熔覆头到工作平面的Z轴位置。由于所使用的熔覆头正常粉焦固定为80mm（粉焦为粉末汇聚点与熔覆头的最小距离），则使用测量工具，使熔覆头离工作平面80mm，即调至粉末汇聚点在工作平面上。 [0050] 熔覆头X/Y/Z轴坐标确定后，设置机床零点。打开扫描测量单元，对工作平面进行扫描测量，即完成对测量单元进行标定。 [0051] 开始成形后，每完成一层的成形后，返程的时候，扫描测量单元和数据分析预处理单元就开始工作，快速扫描并进行判断，输出相关指令。当指令未输出时，激光送粉成形“暂停”。当指令输出时，则按照指令内容进行。 [0052] 由于成形的零件截面积较大，散热较差，零件成形至200mm高时，存在截面中部呈现内凹的状态，扫描测量系单元经过检测后，已得出此处离焦量较大，沉积状态不正常，需对中部进行补偿。采用本发明的方法包括以下步骤：步骤S1. 数据采集。待200层的成形完成后，可360°转动的扫描测量仪对200层进行三维测量。各点Z方向数据相同的进行拟合，形成不交叉的等高线，且等高线以0.5mm为单位进行划分。经分析判断最大高度差为2.1mm，存在4根等高线（0.5/1.0/1.5/2.0），拟合出来的等高线分布情况详说明书附图2和说明书附图3所示。 [0053] 步骤S2. 数据分析处理。 [0054] 采用数据分析预处理单元，对步骤S1中获得的数据进行分析，获得最大高度差Δh=2.1mm、理论层高h=1mm。 [0056] 步骤S4. 依次完成补偿切片层的筛选、切片层轨迹规划及程序输出以及补偿填充成形。 [0057] 补偿切片层的筛选：根据等高线计算需要执行几次补偿填充，经计算最大高度差Δh与理论层高的最小整倍数为2，即得到了需在当前层以下2层进行对切片层的处理，当前层为200层，则需对198、199层进行处理。 [0058] 首先对198层切片层进行处理。198层切片层对应的补偿区域为等高线2.0包含的2 2 区域，经计算补偿区域ΔS2.0=8950mm，198层切片层的理论面积S2.0为90000mm ，ΔS2.0≈1/ 9S2.0，故不进行补偿。切换至下一整数层199层，重复之前的判据。经计算补偿区域ΔS1.0= 2 2 61400mm ，198层切片层的理论面积S1.0为90000mm ，ΔS1.0≈2/3S1.0，故需进行补偿。最终仅进行补偿的切片层为199层。 [0059] 其中，198和199切片层的补偿区域及切片层理论轮廓详说明书附图4所示。 [0060] 切片层轨迹规划及程序输出：利用轨迹规划与程序输出系统，自动调取筛选出来的199切片层数据，按照等高线轮廓对对应的切片层进行分割，去除该等高线未包含的区域，即形成了对应的补偿切片层。对补偿切片层依次进行轨迹规划及工艺参数设置，最终依次输出补偿程序，形成补偿程序包。将补偿包插入到原程序“暂停”程序段之后，先由执行系统执行补偿程序包里的程序段。其中，199层切片层的补偿切片层合成及轨迹规划示意图如说明书附图5所示。 [0061] 补偿填充成形：补偿填充成形从最大高度差区域进行填充成形，工艺参数为正常成形工艺参数4KW、1000mm/min，按照补偿程序包依次完成激光送粉成形。由于本实施例仅需补偿1层，故仅对199层进行补偿成形。执行完成后，开始正常执行“暂停”标记后的原始程序段。此时本发明扫描测量单元重新启动，进行新一轮数据采集。值得注意的是在进行补偿成形时，扫描测量单元均不进行数据采集，即不进行离焦量判定。 [0062] 综上所述，本领域的普通技术人员阅读本发明文件后，根据本发明的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出的其他各种相应的变换方案，均属于本发明所保护的范围。 |
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