[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

说明书

本发明涉及一种具有层高控制功能的增材制造设备及层高控制方法。本发明的技术方案不仅降低工艺实验难度，同时提高了增减材制造过程中的加工精度和测量精度，该设备包括数控机床、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。

技术领域

本发明属于增材制造加工技术研究领域，具体涉及一种具有层高控制功能的增材制造设备及层高控制方法。

背景技术

目前增材制造技术在机械加工行业已有所应用，但仅依靠增材制造工艺打印工件，其表面质量和尺寸精度一般较差，因此将增材制造和铣削加工结合的增减材混合加工成为了行业内的研究热点。然而，在增减材交叉切换过程中，工件打印层高是否符合要求，什么情况下继续进行增材打印，什么情况下调用铣削刀具进行尺寸修正，以及补偿量的多少等情况还没有明确的解决方式。

1、中国专利CN204224703U公开了一种用于激光熔覆的三维测量装置，在可移动工作平台上方有激光熔覆机构和激光铣削机构以及轮廓测量仪，分散布置，通过检测工件三维形貌信息，实现工件的在线整形。但是该专利公开的技术存在以下缺陷：激光铣削价格昂贵，激光熔覆和激光铣削分开布置造成工作效率降低；且未考虑被打印工件的温度，激光熔覆瞬间，熔池温度高达上千摄氏度，对被打印工件产生不容忽视的热变形。对于采用接触式测量的轮廓仪可能因为工件表面温度变化，引起被测工件表面热变形，使所测数据误差较大；对于采用非接触式测量的轮廓仪，由于工件仍处于高温状态，热辐射对非接触测量干扰现象较严重，造成测量误差增大。

2、中国专利CN106216678A公开了一种激光成形均匀变高零件的方法，主要针对均匀变高零件的“台阶效应”通过不断调整下一层熔覆层的扫描速度实现闭环控制过程。其中细分多段需要进行多次扫描速度调整，过程比较繁琐。其中熔覆层的实际堆高和理想堆高差值的计算公式中应用到了优化C矩阵，这个优化C矩阵需要通过模糊控制或者神经网络的方法训练得出，当训练数据不足时，优化C矩阵可信度较低；当训练数据较多时，又引起大量的实验工作。

3、中国专利CN104807410A公开了一种激光熔覆快速成形层高测量装置与闭环控制方法。通过3个激光2D位移传感器，将CMOS图像信号转化为熔覆层高度数据，实现熔覆头单层提升量的实时控制。但安装于激光熔覆头周围的3个激光2D位移传感器造成激光熔覆头体型增大，惯性误差增大，并且不利于增材制造打印复杂结构件。采用计算熔覆层高度平均值的方法作为层高值，会造成参差不齐的表面被同一补偿参数补偿，效果达不到要求。

4、中国专利CN104962908A公开了一种基于CCD的激光熔覆方法。采用视觉CCD监测增材制造中熔池尺寸，通过调整激光熔覆功率数值的方法，提高成形工件质量。但采用视觉CCD技术监测到的是熔池形心位置的高度而非熔覆层高度。

在上面叙述的2、3、4三份现有专利文献中，其公开的技术方案均未考虑到在增材制造过程中的热变形问题，在实际增材制造过程中，以激光熔覆同轴送粉工艺为例，熔池处的温度高达上千度，即使在冷却数分钟后，温度仍为七八十度，考虑到材料的线膨胀因素，按照温度每升高2°被打印工件每1m就有约0.01mm的长度方向的误差，由此可知热变形是一个不可忽视的问题，热变形会大大影响增材制造过程中的加工精度和测量精度。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，优化增材制造打印工件表面质量和尺寸精度，本发明提供了一种具有层高控制功能的增材制造设备及层高控制方法，其能够在线监测激光送粉工艺增材制造成型件的形状精度并作出反馈，同时将被打印工件的表面温度作为反馈指标之一，不仅降低工艺实验难度，同时提高了增减材制造过程中的加工精度和测量精度，为增减材制造工艺研究提供了有效的技术支撑。