[发明专利]一种用于同轴送粉激光熔融成形设备的层高控制系统及方法

说明书

一种用于同轴送粉激光熔融成形设备的层高控制系统和方法，包括工作台和同轴送粉机构，同轴送粉机构具有同轴激光喷头，所述系统包括工业控制计算机、视觉检测单元和同轴送粉激光熔融成形中央控制器，视觉检测单元和同轴送粉激光熔融成形中央控制器分别与工业控制计算机双向通信连接，视觉检测单元用于检测工作台上的激光熔池图像信息，将该图像信息传送给工业控制计算机进行分析，同轴送粉激光熔融成型中央控制器分别通信连接有激光控制单元、送粉控制单元、数控系统和冷却控制单元。本发明消除快速成形设备层高之间的误差，达到提升快速成形设备产品质量的目的。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，特别是涉及一种适用于同轴送粉激光熔融快速成形设备的层高控制系统及控制方法。

背景技术

同轴送粉激光熔融快速设备保留了传统 3D 打印可实现柔性设计和制造、减少产品研发制造的成本以及周期、可一次成形复杂结构零件等一系列优势。同时，与其它金属零件 3D打印技术相比，激光熔融快速成形设备所成形零件的尺寸更大，成形速度更快，粉末利用率更高。但是由于各种原因导致的误差使激光喷头每层提升高度 ΔZ与单层堆积高度之间产生的微小偏差将对零件的成形产生显著的影响。当ΔZ小于单层堆积高度 Δh时，熔覆下一层时离焦量比上一层小，光斑也会变小，因此下一层的高度和宽度变小，而再下一层的高度和宽度会更小，以后逐步累积，出现上细下粗形状。当ΔZ大于单层堆积高度Δh时，熔覆下一层时离焦量变大，光斑也会变大。此时当激光能量密度足够大时（大功率、低速度、粉量较小），熔覆宽度将与光斑保持一致。这样后一层的宽度将大于前一层，同时由于粉末送入点的变化使堆积高度减小，这样将使再下一层的离焦量进一步增大，从而继续加大熔覆宽度，减小堆积高度，形成上粗下细的形状；当激光能量密度不够大时（功率较低、高速度、大粉量），熔覆宽度小于光斑宽度，同时堆积高度也会减小。而且激光能量密度的不断减小最终会导致熔覆宽度的不断减小，从而形成上细下粗的形状。同时，由于同轴送粉激光熔融快速成形质量控制的复杂性，在成形每层熔覆层时其表面质量不均一，极易出现波浪状起伏，因此在进行下一层熔敷时，激光光斑会随着前一层熔覆层的高度起伏而出现光斑半径的变化，从而造成表面波浪状起伏的累积加剧，最终导致零件加工失败。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于同轴送粉激光熔融成形设备的层高控制系统和方法，能够控制同轴送粉激光熔融快速成形设备加工过程中层高控制，消除快速成形设备层高之间的误差，达到提升快速成形设备产品质量。

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种用于同轴送粉激光熔融成形设备的层高控制系统，包括工作台和同轴送粉机构，同轴送粉机构具有同轴激光喷头，所述系统包括工业控制计算机、视觉检测单元和同轴送粉激光熔融成形中央控制器，视觉检测单元和同轴送粉激光熔融成形中央控制器分别与工业控制计算机双向通信连接；

视觉检测单元用于检测工作台上的激光熔池图像信息，将该图像信息传送给工业控制计算机进行分析；

同轴送粉激光熔融成型中央控制器分别通信连接有：

激光控制单元，用于控制成形过程中的激光功率大小；

送粉控制单元，用于根据加工工艺与材料控制送粉量；

数控系统，与同轴送粉机构和工作台连接，用于控制工作台及同轴激光喷头设备的移动；

冷却控制单元，用于在成形过程中控制成形产品的冷却速度。

所述同轴送粉激光熔融成型中央控制器还通信连接有反馈控制器，用于监控的设备工作状态，并将工作状态发送至同轴送粉激光熔融成型中央控制器。

所述视觉检测单元采用高速黑白CCD相机。

所述高速黑白CCD相机装设在工作台侧上方或正上方，与同轴激光喷头安装位置平行随激光喷头同时运动。