[发明专利]一种电子束熔丝增材制造表面成形状态监测装置及方法

权利要求书

1.一种电子束熔丝增材制造表面成形状态监测装置的闭环控制方法，其利用电子束熔丝增材制造表面成形状态监测装置来实现，其特征在于，

该监测装置包括电磁屏蔽外壳、冷却水管、激光位移传感器、传感器固定夹具、传感器控制器及监测装置固定夹具；

所述电磁屏蔽外壳通过所述监测装置固定夹具安装在电子束熔丝增材制造设备的运动执行机构上；所述冷却水管位于所述电磁屏蔽外壳中；所述激光位移传感器通过所述传感器固定夹具固定于所述冷却水管上，其发射激光经工件反射后接收，用以测距；

所述传感器控制器分别传输连接所述激光位移传感器和计算机，用以接收所述激光位移传感器的包括电流、电压的模拟量数据，并将其传输到所述计算机中；

基于上述监测装置，所述闭环控制方法包括如下步骤：

(1)将电子束熔丝增材制造表面成形状态监测装置固定在电子束熔丝增材制造设备的运动执行机构(7)上；在电子束熔丝增材前，调整激光位移传感器(3)的位置，使其到检测平面距离为小于等于其量程，并且对准工件平面在熔丝增材过程的起点处；对成型件成形表面进行网格划分，网格形状为矩形；

(2)运动执行机构(7)带动电子束熔丝增材制造表面成形状态监测装置进行扫瞄，对网格节点进行采样，记录深度数据，得到点集P_i，i为迭代次数；

(3)计算点集P_i中数据点与理想表面距离差，设为d；设置成型件监测表面与理想表面误差极限值ε，为防止无限循环，设置最大迭代次数N；

(4)比较d与设定的误差极限值ε、迭代次数i与最大迭代次数N，若dε并且iN,转到步骤(5)，否则转到步骤(6)；

(5)网格细分：将dε的网格节点周围四个矩形网格进行细分，每个栅格划分为四个小矩形栅格，生成新的网格节点，转到步骤(2)；

(6)迭代终止，将各采样点集P_i集合，生成总采样点集，作为曲面拟合的样本空间；

(7)将步骤(6)中的样本点进行曲面拟合：首先选取一个数据结构，导入三维点云数据并储存；选取软件开发平台以及图像渲染引擎，完成三维数据点云的曲面重构；

(8)曲面生成之后，查找曲面凹陷区域，记录下此区域的坐标，以及凹陷处自由曲面与拟合平面构成的体积；

(9)由初始送丝速度v、丝材半径r以及体积V，根据数学关系，计算待调整的送丝速度v′,将计算得到的新送丝速度反馈到送丝机构传感器上，调整送丝速度，补偿不平整区域；

(10)补偿完毕，进行下一层增材制造工序。

2.如权利要求1所述的电子束熔丝增材制造表面成形状态监测装置的闭环控制方法，其特征在于：所述电磁屏蔽外壳上开设有第一孔，该第一孔处设有一块玻璃，使所述激光位移传感器能顺利将激光射出所述电磁屏蔽外壳。

3.如权利要求1所述的电子束熔丝增材制造表面成形状态监测装置的闭环控制方法，其特征在于：所述电磁屏蔽外壳两端各开有一个第二孔，用以引出所述冷却水管，并起支撑所述冷却水管的作用。

4.如权利要求3所述的电子束熔丝增材制造表面成形状态监测装置的闭环控制方法，其特征在于：所述电磁屏蔽外壳为圆柱体，两端圆形截面各开有一个所述第二孔。

5.如权利要求3-4任一项所述的电子束熔丝增材制造表面成形状态监测装置的闭环控制方法，其特征在于：所述冷却水管为螺旋状。

6.如权利要求1所述的电子束熔丝增材制造表面成形状态监测装置的闭环控制方法，其特征在于：所述步骤(7)中，选用MFC平台以及OpenGL图像渲染引擎，通过MFC AppWizard创建一个基于MFC单文档应用程序，用于：

(1)选取数据结构、文件输入输出接口：对激光扫描的数据点云文件进行读取；对拟合出的空间曲面进行储存；

(2)采用C++以及曲面拟合算法进行曲面拟合；

(3)基于MFC框架建立OpenGL图形渲染管线，用以显示最终拟合生成的曲面图像，调用MFC消息响应函数，对曲面图像进行包括平移、缩放和旋转的基本操作。