[发明专利]一种具有层高控制功能的增材制造设备及层高控制方法

权利要求书

1.一种具有层高控制功能的增材制造设备，其特征在于：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；

所述基板、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；

所述激光熔覆头、触觉三维测头以及铣削加工刀具具有相同的转换接口，数控机床的加工主轴上设有与所述转换接口相适配的安装接口，激光熔覆头、触觉三维测头以及铣削加工刀具可通过数控机床的自动换刀装置在数控机床的加工主轴上实现自动切换。

2.根据权利要求1所述的具有层高控制功能的增材制造设备，其特征在于：所述触觉三维测头包括薄膜温度传感器、红宝石测头、测杆以及测座；薄膜温度传感器位于红宝石测头的表面，测杆一端与红宝石测头连接，另一端安装测座，测座与数控机床的加工主轴上的安装接口相适配。

3.一种具有层高控制功能的增材制造设备，其特征在于：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；所述基板、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；

所述激光熔覆头、铣削加工刀具具有相同的转换接口，数控机床的加工主轴上设有与所述转换接口相适配的安装接口；激光熔覆头、铣削加工刀具可通过数控机床的自动换刀装置在数控机床的加工主轴上实现自动切换；触觉三维测头与数控机床中的加工主轴并排安装。

4.根据权利要求3所述的具有层高控制功能的增材制造设备，其特征在于：所述触觉三维测头包括薄膜温度传感器、红宝石测头、测杆以及测座；薄膜温度传感器位于红宝石测头的表面，测杆一端与红宝石测头连接，另一端通过测座安装在与数控机床的加工主轴并排的位置上。

5.一种基于权利要求1或3所述的具有层高控制功能的增材制造设备的层高控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采用触觉三维测头在触觉测量探头标定标准球上进行原始校准测量，使测量系统补偿工作环境状况因素，再对基板进行初次标定测量，并设定为初始高度值H₀；

2)调用激光熔覆头开始增材制造加工过程，打印A层，此时理论层高高度记为H_j；其中，j表示第A层第j道路径；

3)调用触觉三维测头，沿当前层增材制造路径，对当前工件表面温度W进行测量；根据返回温度W，计算触觉三维测头的扫描速度V和采样密度T；

所述扫描速度V的具体计算方法是：

V＝F(W)；根据二次函数关系F＝E*W²+K*W+H进行计算，其中，E表示温度W的二次系数，K表示温度W的一次系数，H表示该二次函数关系调整补偿量；

所述采样密度T的具体计算方法是：

T＝G(W)；根据二次函数关系G＝M*W²+N*W+P进行计算，W表示被监测工件表面温度，其中，M表示温度W的二次系数，N表示温度W的一次系数，P表示该二次函数关系调整补偿量；

4)触觉三维测头采用扫描速度V和采样密度T测量出当前工件的实际层高结果，记录为数据组{h_j(i)}，并将{h_j(i)}与理论层高高度H_j做差，其结果记为误差{Δh_j(i)}；其中，i和j都是自然数；

Δh_j(i)＝h_j(i)-H_j

5)计算数据组{Δh_j(i)}的方差

6)设定方差阈值B作为判断是否进行层高补偿的条件，进行层高补偿判断；

情况A：当时，表示当前层高波动较大，需要采用激光熔覆头进行增材模式或采用铣削加工刀具进行切削模式的层高补偿；

所述情况A中增材模式或切削模式的选择原则是：

对数据组{Δh_j(i)}统计分析判断，将Δh_j(i)>0的数量记为N，Δh_j(i)≤0的数量记为M；

当N>M时，采用铣削加工的方法，调用当前层修正后的路径进行层高补偿控制；

当N≤M时，采用增材制造的方法，调用当前层修正后的路径进行层高补偿控制；

情况B：当时，表示当前层高波动较小，不进行层高误差补偿；

情况C：当时，表示当前层高波动不大，进入层高控制待补偿状态，调用铣削加工刀具和当前层路径，设置进给量D，对工件进行铣削加工层高控制补偿；其中，D表示调用铣削加工刀具，进行打印层数修正时的进给量，D的取值为该被测量层的理论高度值与前一层理论层高的差值。