[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

说明书

本发明公开了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，该在线监测装置包括熔覆成形单元和监测控制单元。其中，熔覆成形单元包括激光器、熔覆头和基体，监测控制单元包括图像摄取单元、连接架、图像处理单元、控制单元和执行机构单元。在该闭环控制方法中，图像摄取单元固定在激光熔覆设备上随熔覆喷嘴一起运动，实时获取熔覆增材成形过程中包含熔覆喷嘴和熔池的图像，并利用图像处理单元对图像进行像素处理，提取熔覆增材成形过程中熔覆喷嘴和熔池的轮廓，获得单层熔覆层成形厚度，通过逐层厚度累加获得已成形熔覆层成形高度，并在自愈合区间内实时修正下一层熔覆喷头抬升高度，适时优选工艺参数，实现成形高度闭环控制。

技术领域

本发明属于先进制造技术和精密测控技术领域，涉及激光熔覆和激光增材制造，尤其涉及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。

背景技术

激光熔覆增材成形技术，其几何特征为三维组装堆积，物理特性为局部区域延伸的快速熔凝过程。在对实体的CAD模型进行分层处理后，材料在激光光斑快速扫描辐照下，遵循程序指定的路径按序逐点形成一个个小的熔池，小熔池先后快速熔化、凝固，连接组成一条条固化单道，最终形成零件。

熔覆喷头抬升高度是实现高质量激光熔覆成形的关键因素。严格地说，熔覆喷头抬升高度的数值必须与单层熔覆层理论成形高度保持一致，这样才能确保各层工艺条件完全相同。但是在实际的熔覆成形过程中，激光功率和送粉量的波动以及基体热积累等因素导致熔覆层高度的变化，这使得每层熔覆喷头抬升都存在激光加工的焦点位置与基体表面产生偏差。这种偏差在后续的熔覆堆积过程中产生积累，进而对熔覆堆积高度的一致性产生影响，甚至导致熔覆层表面严重高低不平。当熔覆层表面出现严重的高低不平现象时，一般认为采用原始的工艺参数无法继续进行熔覆堆积，此次熔覆堆积失败并对成形件作报废处理。

因此，需要一套能够精确测量熔覆层高度的装置，可实时反馈高度信息并控制喷头的抬升高度，通过控制熔覆层的成形高度使熔覆总高度尽可能保持一致性。当熔覆层表面严重高低不平时，在不考虑减材处理的情况下，需要一种能够解决该问题的方法。

现有的成形高度控制方法，如专利“一种激光熔覆熔池离焦量测量装置及测量方法”(申请号：201410235777.6)，提出采用CCD/CMOS传感器获取熔池图像，通过计算熔池形心位置得到熔覆喷嘴与熔池间工作距离的变化量并反馈给上位机。这种方法有一定精确性，但是测量的结果并不是熔覆层的成形高度而是熔池形心位置的高度。

鉴于已有技术存在的问题，需要设计一种通过直接监测熔池图像获得能够测量熔覆层表面成形高度并能调控熔覆喷头抬升高度的方法。经过现有技术的文献检索发现，不考虑减材后处理，现有方法尚未解决熔覆层表面严重高低不平的问题。

发明内容

本发明为解决上述激光熔覆增材成形过程中熔覆喷头抬升高度不合适和熔覆高度不一致问题，采用在线监测和调控手段实现激光熔覆增材成形熔覆喷头抬升高度和成形高度控制，提出了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，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，通过逐层厚度累加获得已成形熔覆层成形高度，并在自愈合区间内实时修正下一层熔覆喷头抬升高度，适时优选工艺参数，实现成形高度闭环控制。

本发明采用如下技术方案来实现的：

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、熔覆头和基体，监测控制单元包括图像摄取单元、连接架、图像处理单元、控制单元和执行单元；其中，

激光器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上方的激光加工区域；熔覆头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或基体表面一薄层在激光辐照作用下熔化而成；已成形熔覆层由一系列熔池快速凝固堆积而成；