[发明专利]一种增材制造过程中成形件变形的实时测量方法及装置

说明书

本发明提供一种增材制造过程中成形件变形的实时测量方法及装置，所述方法包括如下步骤，步骤一，测量装置初始化；步骤二，测量点位置的确定；步骤三，在基板上开始成形零件，当成形到测量点位置以上且激光测距仪能够接收到自身测量光束信号时，开始测距，直至零件成形完毕且温度降低到室温后停止测量；步骤四，根据相邻时刻的测距数据得到成形过程中零件上测量点位置处的实时位移，根据位移与时间的关系得到零件增材制造过程中测量点位置处的实时变形曲线；步骤五，采用多台激光测距仪，对每台激光测距仪同时进行步骤一到四，对成形件上多个点同时进行变形测量，即可获得增材制造成形件中每台激光测距仪所对应位置处的实时变形曲线。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体为一种增材制造过程中成形件变形的实时测量方法及装置。

背景技术

目前，增材制造技术作为制造业一个新兴的领域，得到了长足发展。其基本原理为：首先在计算机中生成成形件的三维CAD模型，然后运用分层切片软件对成形件模型按一定的厚度分层切片，即将成形件的三维形状信息转换为一系列二位轮廓信息，然后采用特定热源如高能束加热融化材料，在数控系统的控制下，将材料按照一定的填充路径逐点堆满给定的二维形状，重复这一过程逐层堆积形成成形件的三维实体。基于增材制造技术本身的特点，其离散加堆叠的技术理念，以及快速近净自由成形的优势，使其备受航空航天领域技术人员和广大学者的亲睐。众所周知，大部分航空航天类零件都具有复杂的外表面和内腔结构以满足轻量化的需求，这无疑对传统制造业带来巨大的冲击与挑战，而增材制造技术凭借其内在的优势在这些方面要明显优于传统制造技术。然而，实践证明，使用增材制造方法成形零件时，如飞机发动机涡轮叶片、飞机结构件、飞机起落架等，随着能量输入的增加和材料的不断堆叠，会使零件整体呈现出非均匀温度场和应力场，导致零件发生不同程度的变形，一方面，成形过程中的变形行为对于后续的成形过程将产生影响，另一方面，成形过程中的变形行为对于最终成形件的尺寸精度也具有决定性作用。一些尺寸精度要求较高的零件，甚至会因为变形导致零件报废。然而到目前为止，针对增材制造中成形件变形的实时测量仍没有具体的方法。有研究者通过数值模拟的方法研究成形件的变形(王凯.激光立体成形过程的应力与变形数值模拟分析.西北工业大学硕士学位论文，2012)，即通过对成形件的应力分布和应变进行分析，模拟成形件的变形规律，并且该研究测量的对象是无约束条件下增材制造的基板变形。一方面，这与实际增材制造基板约束条件有很大区别；另一方面，缺乏直接实时测量成形件变形的实验验证。另有研究报道用石膏倒模方法测量基板的变形(于君.激光立体成形过程控制的基础问题研究.西北工业大学博士学位论文，2010)，即以基板为模型制作基板的石膏倒模，用螺旋测微仪测量石膏倒模两端和中心的高度差来评估基板的翘曲变形程度，该方法的缺点其一是手动测量，测量精度不高，误差大；其二也只是事后测量基板的变形，没有对成形零件的实时变形进行测量，事后测量只能得到变形的最终结果，而不能揭示成形过程中变形进行的详细过程。而在焊接技术领域，有研究者在进行两根钢管的对接焊接时(Zhang Jianxun,Liu Chuan and Niu Jing.Thewelding deformations of stainless steel pipes with thick wall by narrow gapgas tungsten arc welding.Proceedings of the 18th International Conference onNuclear Engineering,May 17-21,2010,Xi’an,China)，采用线性可变位移传感器测量焊接过程中的变形，其精度为零点几毫米，相比于手动测量精度明显提高，但该方法为接触式测量，需要提前将传感器加装在成形件上，而在增材制造过程中，成形件最开始只是一个三维计算机模型，靠高能束熔化材料使材料在基板上一层一层堆叠出来，增材制造过程中接触式测量很不方便，而且高能束加工区域附近的恶劣条件使传感器无法近距离接触，从而使接触测量方法在增材制造领域的应用受到限制。总体来说，在目前的增材制造领域中，对零件变形的测量都是在成形结束后进行的，尚不存在变形实时测量的方法，这样就会丢失零件在成形过程中的变形规律。

发明内容