激光定向能沉积形状精度控制方法与流程

1.本发明属于先进制造技术领域，更具体地说，是涉及一种激光定向能沉积形状精度控制方法。


背景技术：

2.激光定向能沉积用激光来熔化粉末。粉末原料的沉积和熔化方式使其更容易扩展到更大的增材制造部件。激光定向能沉积具有较高的能量密度，同时具有快冷的非平衡凝固特征，使制备得到的凝固组织更加细小，凝固组织的力学性能更好。另外，激光定向能沉积采用同步粉末送给的方法，生产效率较高，因此该方法广泛应用于石油、化工、航空航天、生物医学等领域。
3.增材制造的形状精度是影响成型质量的关键因素。目前，激光定向能沉积工艺中影响形状精度的主要原因在于熔化粉末的累积量无法进行精确控制，受激光功率、送粉速率以及送粉喷嘴移动速度等因素的影响，增材制造每一层的高度(即z方向上的值)与理想值有一定差距，这会影响产品在z方向上的形状精度。同时，上述因素也会影响粉末在x,y方向上的形状精度，因此难以保证产品的整体形状精度。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种激光定向能沉积形状精度控制方法，能够对工件实时采集并在下层沉积中进行对应补偿，以提高工件的形状精度。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种激光定向能沉积形状精度控制方法，包括以下步骤：
6.s100:分别安装第一测距传感器和第二测距传感器至送粉喷嘴上、以使第一测距传感器和第二测距传感器分别与送粉喷嘴同步运动，第一测距传感器位于工件的上方，第二测距传感器位于工件的侧部；
7.s200:通过第一测距传感器采集第一测距传感器至工件顶面的实际z向距离值、通过第二测距传感器采集第二测距传感器至工件侧面的实际y向距离值，并将实际z向距离值换算为工件的实际高度值、将实际y向距离值换算为工件的实际边缘厚度值；
8.s300:对工件的三维模型进行切片后生成仿真刀轨路径模型，仿真计算出工件对应各层沉积的多个顶部仿真点的预设高度值与多个侧部仿真点的预设边缘厚度值；
9.s400:计算实际高度值与对应层的预设高度值的高度差值；计算实际边缘厚度值与对应层的预设边缘厚度值的边缘厚度差值；
10.s500:加工系统根据高度差值和边缘厚度差值调整送粉喷嘴在下层沉积的加工参数，对工件的高度以及边缘厚度进行补偿，加工参数包括送粉速率、激光功率以及送粉喷嘴进给速度。
11.在一种可能的实现方式中，步骤s100中，第一测距传感器的设置高度高于第二测距传感器的设置高度，第一测距传感器的探测方向向下设置，第二测距传感器的探测方向
沿水平方向设置，第一测距传感器的探测角度与第二测距传感器的探测角度呈90度夹角设置。
12.一些实施例中，步骤s100中，第一测距传感器和第二测距传感器分别位于送粉喷嘴的两侧，第一测距传感器高于送粉喷嘴的出口端设置，第二测距传感器低于送粉喷嘴的出口端设置。
13.在一种可能的实现方式中，步骤s200中，获取并比对第一测距传感器的实时位置信息与送粉喷嘴的实时位置信息；
14.当第一测距传感器位于送粉喷嘴运动方向的前方时，第一测距传感器采集实际z向距离值；
15.当第一测距传感器位于送粉喷嘴运动方向的后方时，第一测距传感器不采集实际z向距离值。
16.一些实施例中，步骤s200中，在工件的任一层沉积过程中，在工件的顶面上设定若干个第一基础采样点，利用第一测距传感器采集其中一个第一基础采样点临近位置的多个高度采样点，得到高度采样点集合p＝{p1,p2,
…
,pn}，对高度采样点集合中的数据进行平均得到实际高度值；
17.获取仿真刀轨路径模型对应高度采样点的预设高度采样点集合p
′
＝{p1′
,p2′
,
…
,pn′
}，对预设高度采样点集合中的数据进行平均得到预设高度值；通过实际高度值与预设高度值的差值得出高度差值。
18.一些实施例中，步骤s200中，在工件的任一层沉积过程中，在工件的侧面上设定若干个第二基础采样点，利用第二测距传感器采集其中一个第二基础采样点临近位置的多个厚度采样点，得到边缘厚度采样点集合q＝{q1,q2,
…
,qn}对边缘厚度采样点集合中的数据进行平均得到实际边缘厚度值；
19.获取仿真刀轨路径模型对应边缘厚度采样点的预设边缘厚度采样点集合q
′
＝{q1′
,q2′
,
…
,qn′
}，对预设边缘厚度采样点集合中的数据进行平均得到预设边缘厚度值；通过实际边缘厚度值与预设边缘厚度值的差值得出边缘厚度差值。
20.在一种可能的实现方式中，步骤s400中，在下层沉积成型前，计算工件上层沉积的实际高度值与预设高度值的高度差值，并计算工件上层沉积的实际边缘厚度值与预设边缘厚度值的边缘厚度差值。
21.一些实施例中，步骤s400中，加工参数与层高度值之间的数学模型：
[0022][0023]
其中，(x，y)为工件上某一点位置；h为高度；φ为粉束方向与基板的夹角；v为送粉喷嘴进给速度；为送粉速率；i为激光功率；h为送粉喷嘴出口到基板的距离；r为粉末束半径；k为调整系数。
[0024]
一些实施例中，步骤s400中，加工参数与层边缘厚度值之间的数学模型；
[0025][0026]
其中，(x，z)为工件上某一点位置；d为熔道在y方向上的厚度；φ为粉束方向与基板的夹角；v为送粉喷嘴进给速度；为送粉速率；i为激光功率；h为送粉喷嘴出口到基板的距离；r为粉末束半径；k为调整系数。
[0027]
一些实施例中，高度值与层边缘厚度值与送粉喷嘴的进给速度、激光功率、送粉速率的关系如下：
[0028][0029]
其中，c为层高度值/层边缘厚度值，v为送粉喷嘴进给速度，为送粉速率，i为激光功率；
[0030]
当工件上层沉积的实际高度值小于预设高度值、或实际边缘厚度值小于预设边缘厚度值时，加大激光功率、提高送粉速率或降低送粉喷嘴进给速度；
[0031]
当工件上层沉积的实际高度值大于预设高度值、或实际边缘厚度值大于预设边缘厚度值时，减少激光功率、减小送粉速率或提高送粉喷嘴进给速度。
[0032]
本技术实施例所示的方案，与现有技术相比，本技术实施例提供的激光定向能沉积形状精度控制方法，分别通过第一测距传感器采集并换算工件的实际高度值、通过第二测距传感器采集并换算工件的实际边缘厚度值，将实际高度值和实际边缘厚度值分别与仿真计算出的预设高度值和预设边缘厚度值进行比对并计算差值，获得高度差值和边缘厚度差值，在下层沉积中通过调整加工参数进行补偿，实现对成型过程的精准控制，使工件的形状精度趋近于预设值，提高了工件加工的尺寸精准度。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]
图1为本发明实施例提供的激光定向能沉积形状精度控制方法中的粉末喷嘴、第一激光测距仪、第二激光测距仪以及工件的相对位置示意图；
[0035]
图2为本发明实施例提供的粉末路径与激光光束的作用示意图；
[0036]
图3为本发明实施例提供的粉末路径、激光光束以及熔道的相对结构示意图；
[0037]
图4为本发明实施例提供的激光定向能沉积形状精度控制方法的控制流程示意图。
[0038]
其中，图中各附图标记：
[0039]
1、第一测距传感器；2、第二测距传感器；3、送粉喷嘴；4、工件；5、工作台；7、激光光束；8、粉末路径；9、熔道；10、沉积粉末；11、熔道高度。
具体实施方式
[0040]
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0041]
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在另一个元件上。需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者若干个该特征。在本发明的描述中，“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0042]
需要说明的是，在激光定向能沉积过程中，激光光束7在工件表面形成熔池，送粉喷嘴3将粉末送至激光光束7形成的熔池中。沉积粉末10在工件上形成熔道9，熔道高度11即为沉积粉末10的层厚度。沉积中形成的层厚度是与加工参数直接相关的，加工参数包括送粉速率、激光功率以及送粉喷嘴进给速度。
[0043]
请一并参阅图1至图4，现对本发明提供的激光定向能沉积形状精度控制方法进行说明。激光定向能沉积形状精度控制方法，包括以下步骤：
[0044]
s100:分别安装第一测距传感器1和第二测距传感器2至送粉喷嘴3上、以使第一测距传感器1和第二测距传感器2分别与送粉喷嘴3同步运动，第一测距传感器1位于工件4的上方，第二测距传感器2位于工件4的侧部；
[0045]
s200:通过第一测距传感器1采集第一测距传感器1至工件4顶面的实际z向距离值、通过第二测距传感器2采集第二测距传感器2至工件4侧面的实际y向距离值，并将实际z向距离值换算为工件的实际高度值、将实际y向距离值换算为工件的实际边缘厚度值；
[0046]
s300:对工件4的三维模型进行切片后生成仿真刀轨路径模型，仿真计算出工件4对应各层沉积的多个顶部仿真点的预设高度值与多个侧部仿真点的预设边缘厚度值；
[0047]
s400:计算实际高度值与对应层的预设高度值的高度差值；计算实际边缘厚度值与对应层的预设边缘厚度值的边缘厚度差值；
[0048]
s500:加工系统根据高度差值和边缘厚度差值调整送粉喷嘴3在下层沉积的加工参数，对工件4的高度以及边缘厚度进行补偿，加工参数包括送粉速率、激光功率以及送粉喷嘴进给速度。
[0049]
本实施例提供的激光定向能沉积形状精度控制方法，与现有技术相比，本实施例提供的激光定向能沉积形状精度控制方法，分别通过第一测距传感器1采集并换算工件4的实际高度值、通过第二测距传感器2采集并换算工件4的实际边缘厚度值，将实际高度值和实际边缘厚度值分别与仿真计算出的预设高度值和预设边缘厚度值进行比对并计算差值，获得高度差值和边缘厚度差值，在下层沉积中通过调整加工参数进行补偿，实现对成型过程的精准控制，使工件4的形状精度趋近于预设值，提高了工件4加工的尺寸精准度。
[0050]
需要说明的是，在进行上层沉积的过程中，工件4固定安装在工作台5上，通过粉末喷嘴3的移动实现对工件4不同位置的沉积作用。本实施例中，分别实时对z向距离值和y向
距离值进行采集，并转换成完成一定层数沉积或的累计实际高度值和累计实际边缘厚度值，并与预设高度值和预设边缘厚度值作差，获得实时高度差值和边缘厚度差值，便于在进行下层沉积时，进行对应的补偿，减小工件4的成型误差。
[0051]
一些可能的实现方式中，参见图1，步骤s100中，第一测距传感器1的设置高度高于第二测距传感器2的设置高度，第一测距传感器1的探测方向向下设置，第二测距传感器2的探测方向沿水平方向设置，第一测距传感器1的探测角度与第二测距传感器2的探测角度呈90度夹角设置。
[0052]
在工件4进行某层沉积的成型时，第一测距传感器1与粉末喷嘴同步运动，在运动过程中实时检测至工件4顶面对应点位置的距离，并通过加工系统内的控制器换算为工件4对应点的实际高度值。同样的，第二测距传感器2与粉末喷嘴同步运动，在运动过程中实时检测至工件4侧面对应点位置的距离，并通过加工系统内的控制器换算为工件4对应点的实际高度值。
[0053]
在此基础上，第一测距传感器1和第二测距传感器2分别位于送粉喷嘴3的两侧，第一测距传感器1高于送粉喷嘴3的出口端设置，第二测距传感器2低于送粉喷嘴3的出口端设置。上述设置，可方便对第一测距传感器1和第二测距传感器2进行布置和安装，且能够有效避免第一测距传感器1和第二测距传感器2在进行数据采集的过程中发生相互干扰。
[0054]
需要注意的是，步骤s200中，获取并比对第一测距传感器1的实时位置信息与送粉喷嘴3的实时位置信息；
[0055]
当第一测距传感器1位于送粉喷嘴3运动方向的前方时，第一测距传感器1采集实际z向距离值；
[0056]
当第一测距传感器1位于送粉喷嘴3运动方向的后方时，第一测距传感器1不采集实际z向距离值。
[0057]
在进行z向距离值以及y向距离值的采集的过程中，第一测距传感器1和第二测距传感器2可根据仿真导轨路径模型中仿真出的对应各层的多个顶部仿真点进行距离的采样测量。
[0058]
为了不影响成型效率，避免因为测量而停止送粉喷嘴3的运动，采取运动中测量的方式。参见图1，由于第一测距传感器1与送粉喷嘴3距离较近，为了减少激光能定向沉积过程中熔池的高温以及熔池附近火花与飞溅对第一测距传感器1的影响，对第一测距传感器1的采样时段进行如下限定。
[0059]
如果第一测距传感器1位于送粉喷嘴3运动方向的前方，则送粉喷嘴3喷出的沉积粉末对第一测距传感器1的影响可以忽略，此时可以直接读取z向距离值。如果第一测距传感器1位于送粉喷嘴3运动方向的后方，则熔池高温、火花与飞溅对第一测距传感器1的检测精度的影响较大，此时则不采集数据。
[0060]
在一些实施例中，参见图2，步骤s200中，在工件4的任一层沉积过程中，在工件4的顶面上设定若干个第一基础采样点，利用第一测距传感器1采集其中一个第一基础采样点临近位置的多个高度采样点，得到高度采样点集合p＝{p1,p2,
…
,pn}，对高度采样点集合中的数据进行平均得到实际高度值；
[0061]
获取仿真刀轨路径模型对应高度采样点的预设高度采样点集合p
′
＝{p1′
,p2′
,
…
,pn′
}，对预设高度采样点集合中的数据进行平均得到预设高度值；通过实际高度值与预设
高度值的差值得出高度差值。
[0062]
以激光定向能沉积过程中任一沉积层的采样为例，通过第一测距传感器1对z向距离值进行采集并换算为实际高度值时，需要根据仿真导轨路径模型中仿真出的对应层的多个顶部仿真点进行多个第一基础采样点的选取，对于任意一个第一基础采样点，为了提高采样的精准度，在第一基础采样点的外周临近部位采集多个高度采样点，通过上述多个高度采样点对应的数值进行平均获得第一基础采样点对应的实际高度值。
[0063]
之后按上述步骤完成多个第一基础采样点的采集，获取该层沉积不同位置的多个第一基础采样点的对应的多个实际高度值，将上述实际高度值分别与对应的预设高度值求差，以获得多个高度差值，便于在下层沉积过程中对各点位进行加工参数的对应调节，以使上层沉积的尺寸差值能够在下层沉积时获得补偿，提高工件4的z向形状精度。
[0064]
在上述操作的基础上，步骤s200中，在工件4的任一层沉积过程中，在工件4的侧面上设定若干个第二基础采样点，利用第二测距传感器2采集其中一个第二基础采样点临近位置的多个厚度采样点，得到边缘厚度采样点集合q＝{q1,q2,
…
,qn}，对边缘厚度采样点集合中的数据进行平均得到实际边缘厚度值；
[0065]
获取仿真刀轨路径模型对应边缘厚度采样点的预设边缘厚度采样点集合q
′
＝{q1′
,q2′
,
…
,qn′
}，对预设边缘厚度采样点集合中的数据进行平均得到预设边缘厚度值；通过实际边缘厚度值与预设边缘厚度值的差值得出边缘厚度差值。
[0066]
以激光定向能沉积过程中任一沉积层的采样为例，通过第二测距传感器2对yz向距离值进行采集并换算为实际边缘厚度值时，需要根据仿真导轨路径模型中仿真出的对应层的多个侧部仿真点进行多个第二基础采样点的选取，对于任意一个第二基础采样点，为了提高采样的精准度，在第二基础采样点的外周临近部位采集多个边缘厚度采样点，通过上述多个边缘厚度采样点对应的数值进行平均获得第二基础采样点对应的实际边缘厚度值。
[0067]
之后按上述步骤完成多个第二基础采样点的采集，获取该层沉积不同位置的多个第二基础采样点的对应的多个实际边缘厚度值，将上述实际边缘厚度值分别与对应的预设边缘厚度值求差，以获得多个边缘厚度差值，便于在下层沉积过程中对各点位进行加工参数的对应调节，以使上层沉积的尺寸差值能够在下层沉积时获得补偿，提高工件4的y向形状精度。
[0068]
一些可能的实现方式中，步骤s400中，在下层沉积成型前，计算工件4上层沉积的实际高度值与预设高度值的高度差值，并计算工件4上层沉积的实际边缘厚度值与预设边缘厚度值的边缘厚度差值。
[0069]
在一些实施例中，步骤s400中，加工参数与层高度值之间的数学模型：
[0070][0071]
其中，(x，y)为工件4上某一点位置；h为高度；φ为粉束方向与基板的夹角；v为送粉喷嘴进给速度；为送粉速率；i为激光功率；h为送粉喷嘴3出口到基板的距离；r为粉末束半径；k为调整系数。
[0072]
上述公式与具体设备相关，可通过正交试验获取，对应坐标(x，y)位置，在保持送粉喷嘴进给速度、送粉速率以及为激光功率不变的情况下，可通过上式计算得出该点位每层沉积的层高度值，由此，也可以反推得到，在进行下层沉积成型时，为补偿上层沉积过程中的高度差值，下层沉积所应达到的层高度值，进而通过预设程序对送粉喷嘴进给速度、送粉速率以及为激光功率中的任一项进行调整程序的对应预设，即可满足补偿高度差值的要求，实现尺寸的精准补偿。
[0073]
在上述设定的基础上，步骤s400中，加工参数与层边缘厚度值之间的数学模型；
[0074][0075]
其中，(x，z)为工件4上某一点位置；d为熔道9在y方向上的厚度；φ为粉束方向与基板的夹角；v为送粉喷嘴进给速度；为送粉速率；i为激光功率；h为送粉喷嘴3出口到基板的距离；r为粉末束半径；k为调整系数。
[0076]
上述公式与具体设备相关，可通过正交试验获取，对应坐标(x，z)位置，在保持送粉喷嘴进给速度、送粉速率以及为激光功率不变的情况下，可通过上式计算得出该点位每层沉积的层边缘厚度值，由此，也可以反推得到，在进行下层沉积成型时，为补偿上层沉积过程中的边缘厚度差值，下层沉积所应达到的层边缘厚度值，进而通过预设程序对送粉喷嘴进给速度、送粉速率以及为激光功率中的任一项进行调整程序的预设，即可满足补偿边缘厚度差值的要求，实现尺寸的精准补偿。
[0077]
在一些实施例中，高度值与层边缘厚度值与送粉喷嘴3的进给速度、激光功率、送粉速率的关系如下：
[0078][0079]
其中，c为层高度值或层边缘厚度值，v为送粉喷嘴进给速度，为送粉速率，i为激光功率；
[0080]
当工件4上层沉积的实际高度值小于预设高度值、或实际边缘厚度值小于预设边缘厚度值时，加大激光功率、提高送粉速率或降低送粉喷嘴进给速度；
[0081]
当工件4上层沉积的实际高度值大于预设高度值、或实际边缘厚度值大于预设边缘厚度值时，减少激光功率、减小送粉速率或提高送粉喷嘴进给速度。
[0082]
通过加工参数与层高度值以及层边缘厚度值之间的关系，可得出层高度值或层边缘厚度值与加工参数存在正反比关系。
[0083]
当工件4上层沉积的实际高度值小于预设高度值，也就是实际高度值减去预设高度值的高度差值为负数时，需要在下层沉积中提高层高度值，则通过加大激光功率、提高送粉速率或降低送粉喷嘴进给速度中任一方式实现，以便增大粉末在熔池中的沉积量，增大下层沉积的厚度，进而实现补偿上层高度差值的效果。同样的，也适用于实际边缘厚度值小于预设边缘厚度值的y向补偿操作中，实现补偿上层边缘厚度差值的效果，进而提高工件4的成型精度。
[0084]
当工件4上层沉积的实际高度值大于预设高度值，也就是实际高度值减去预设高
度值的高度差值为正数时，需要在下层沉积中减小层高度值，则通过减少激光功率、减小送粉速率或提高送粉喷嘴进给速度中的任一方式实现，以便减小粉末在熔池中的沉积量，减小下层沉积的厚度，进而实现补偿上层高度差值的效果。同样的，也适用于实际边缘厚度值大于预设边缘厚度值的y向补偿操作中，实现补偿上层边缘厚度差值的效果，进而提高工件4的成型精度。
[0085]
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。