[发明专利]一种激光熔覆增材成形高度在线监测装置及闭环控制方法

权利要求书

1.一种激光熔覆增材成形高度闭环控制方法，其特征在于，该方法采用的一种激光熔覆增材成形高度在线监测装置，包括熔覆成形单元和监测控制单元；熔覆成形单元包括激光器(11)、熔覆头(12)和基体(15)，监测控制单元包括图像摄取单元(21)、连接架、图像处理单元(23)、控制单元(24)和执行单元(25)；其中，

激光器(11)用于产生一束激光束分别经准直、扩束和聚焦一系列过程射入基体(15)上方的激光加工区域；熔覆头(12)集成于运动加工中心，并且能够在x，y，z三个方向上移动；熔池(13)出现于激光熔覆增材成形过程中，由粉末材料和已成形熔覆层(14)或基体(15)表面一薄层在激光辐照作用下熔化而成；已成形熔覆层(14)由一系列熔池(13)快速凝固堆积而成；

图像摄取单元(21)以旁轴的方式固定在熔覆喷嘴(12-1)旁边，并能够随熔覆喷嘴(12-1)一起运动，用于实时摄取熔覆过程中包含熔覆喷嘴(12-1)与熔池(13)的图像；

图像处理单元(23)用于对图像摄取单元(21)采集的图像进行像素化处理，获得熔覆增材成形过程中包含熔覆喷嘴(12-1)和熔池(13)的轮廓，并传送给控制单元(24)；

控制单元(24)用于根据熔覆喷嘴(12-1)和熔池(13)的轮廓提取当前熔覆层工作距离并推算出成形高度，制定出下一层成形的熔覆头抬升高度和工艺参数调整量，并向执行单元发送指令；

执行单元(25)根据控制单元(24)输出的指令带动熔覆成形单元实现空间运动并调整工艺参数；

该方法包括以下步骤：

1)该方法在每一层熔覆层成形过程中，实时监测工作距离，单层熔覆层成形完成后，提取单层熔覆层成形厚度；具体采用以下步骤实现单层熔覆层成形厚度提取：

101)采用图像摄取单元摄取未加工时包含熔覆喷嘴和基体的图像，对图像进行像素化处理，用笛卡尔坐标系对图像进行位置标定，标定出图像中熔覆喷嘴末端中点位置(x_n0,y_n0)，基体上指示光斑位置(x_f0,y_f0)，熔覆喷嘴标定工作距离H₀，H₀＝((x_n0-x_f0)²+(y_n0-y_f0)²)^1/2，由熔覆喷嘴末端中点和指示光斑两点确定的矢量方向R，并且过指示光斑位置作出垂直于矢量方向R的直线l₀；

102)采用图像摄取单元实时摄取熔覆增材成形过程中包含熔覆喷嘴与熔池的图像并对图像进行像素化处理，用笛卡尔坐标系对图像进行位置标定，标定出图像中熔覆喷嘴末端中点的位置和熔池轮廓，依次作出过熔覆喷嘴末端中点在矢量方向R上长度为H₀的线段、过该线段另一端点并垂直于矢量方向R的直线l；

103)在包含熔覆喷嘴与熔池轮廓的图像中作一条平行于直线l的熔池轮廓切线l'，将两条直线之间的距离作为该熔池对应的单层熔覆层名义成形层厚

104)根据激光熔覆增材成形在线监测装置中图像摄取单元与激光熔覆喷嘴的结构位置对应关系，将从图像中获得的单层熔覆层名义成形层厚换算成单层熔覆层实际成形层厚其中，β为修正因子，取值范围为：0.75β1；θ为图像摄取单元轴线与水平面的夹角；

2)通过逐层厚度累加获得已成形熔覆层成形高度，并在自愈合区间ΔL内实时修正下一层熔覆喷头抬升高度；

3)适时优选工艺参数，实现成形高度闭环控制，工艺参数选用：不同扫描速度、送粉速度和激光功率情况下熔覆成形单道宽度与激光焦点光斑直径大小相等、熔覆成形堆高不等的工艺参数组。