[发明专利]基于闭环控制的激光增材制造系统及其方法

权利要求书

1.一种基于闭环控制的激光增材制造系统，其特征在于，所述徐系统包括光学测量系统、图像处理系统、前馈控制器，第一比较模块、PID控制单元、第二比较模块、LPD过程模块，测量变送模块；其中，

光学测量系统，用于监控熔覆尺寸，所述光学测量系统包括光学测头和PC端，光学测头用于实时捕捉熔覆的图像，PC端用于接收、处理和提取光学测头提供的图像；

图像处理系统，与所述光学测量系统相连，用于对光学测量系统获得的图像进行阈值参数、曝光时间参数处理，以精确求得实时熔覆宽度；

所述第一比较模块与所述图像处理系统相连，且该第一比较模块的输出端与所述PID控制单元的输入端相连，所述第一比较模块用于比较参考宽度与实时熔覆宽度，并将数据传输到所述PID控制单元；

所述PID控制单元的输出端与所述第二比较模块的输入端相连，所述PID控制单元根据参考宽度与实时熔覆宽度之间的误差，对激光的功率进行调节，并将功率调整信号输送至所述第二比较模块；

所述第二比较模块的输入端与所述PID控制单元、所述前馈控制器相连，且该第二比较模块的输出端与所述LPD过程模块相连，所述前馈控制器将参考宽度信号输送给所述第二比较模块，所述第二比较模块将参考宽度与经所述PID控制单元调整激光功率后的实时熔覆宽度进行对比并输出信号至所述LPD过程模块；

所述前馈控制器的输出端与所述第二比较模块的输入端相连，所述前馈控制器用于根据所述参考宽度和过程动力学按照预定义方式调整激光功率；

所述LPD过程模块的输出端经过所述测量变送模块连接至所述第一比较模块输入端，将实时熔覆宽度作为反馈信号输送给所述第一比较模块。

2.如权利要求1所述的一种基于闭环控制的激光增材制造系统，其特征在于，所述光学测量系统的图像处理包括预处理、二值化和宽度提取三个步骤；

所述阈值参数受所述曝光时间参数的影响，将所述曝光时间参数设置为4s并且阈值设置为17，对光学测量系统获得的图像进行在线测量和离线测量，得到误差。

3.一种基于权利要求1或2所述的激光增材制造系统的激光增材制造实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，设计光学测量系统以监控熔覆尺寸；所述光学测量系统包括光学测头，用于实时捕捉熔覆的图像；

步骤2，图像处理算法的设计：所述图像处理算法包括阈值参数和曝光时间参数，所述图像处理算法用于高精度的测量熔覆尺寸；

步骤3，控制系统的设计：所述控制系统为闭环控制系统，所述闭环控制系统包括前馈控制器，第一比较模块、PID控制单元、第二比较模块、LPD过程模块，测量变送模块；

步骤4，仿真：根据步骤1至3设计标定试件，通过数值仿真模拟验证实验方案的可行性并对实验过程与所述标定试件结构进行优化；

步骤5，实验及参数修正：通过实验得验证激光功率与激光束宽度之间的静态关系，并对控制器参数进行调整进而评估闭环系统的性能，最后得出并修正SIMULINK/MATLAB仿真模型。

4.如权利要求3所述的激光增材制造实验方法，其特征在于，在步骤4的过程中：基于定制的标定试件，反求激光增材制造与修复设备的运动系统误差。

5.如权利要求3所述的激光增材制造实验方法，其特征在于，所述步骤5的实验步骤如下：

步骤51，将实验用金属粉末放入真空烘干箱内，保温去除结晶水；

步骤52，基板材料在试验前采用磨床磨削的方式去除表面的氧化皮并保证基板的表面光洁度，随后去除表面的油污并自然风干；

步骤53，将基板放置于加热平台之上进行预热；

步骤54，采用金属温度计对低碳钢基板进行温度测量；

步骤55，当基板温度达到所需的预热温度时，进行激光熔覆实验，激光熔覆完成后立即将试样转移至热处理炉进行等温热处理；

步骤56，当等温时间达到所设计的保温时间时，取出试样，在空气中冷却至室温。

6.如权利要求5所述的激光增材制造实验方法，其特征在于，所述步骤53中，所述加热平台的尺寸为300×300×22mm，可控温度范围为0～350℃。

7.如权利要求5所述的激光增材制造实验方法，其特征在于，所述步骤55中：

激光功率计划以600W、700W、800W、900W、1000W、1100W的速度每秒调节一次，扫描速度设为8mm/s，送粉速度设为4g/min，同时在线测量熔覆宽度。