一种用于送粉式增材制造设备的控制系统及控制方法与流程

本发明属于激光技术领域中的增材制造领域。具体来讲是一种用于增材制造设备的控制系统及控制方法。

背景技术：

现有的金属3D打印技术按照送料形式的不同主要有金属粉末3D打印技术、金属送丝3D打印技术。而金属粉末3D打印技术又细分为送粉式金属3D打印技术以及铺粉式金属3D打印技术。相比于送粉式金属3D打印技术，铺粉式金属3D打印技术更加成熟，现已小批量用于汽车、航空以及模具行业的生产制造。铺粉式金属3D打印技术的成熟得益于生产工艺的成熟，由此可见送粉式金属3D打印技术未来的突破口更加倾向于生产工艺的突破。

由于送粉式金属3D打印技术生产过程复杂，零件成型质量影响因素众多，各影响因子联合控制比较困难，因此现阶段该技术的生产工艺的控制多停留在开环控制。采用送粉式金属3D打印技术成型零件的过程中，由于成型时间较长，导致设定的工艺参数随着环境以及时间的变化而变化，由此导致成型零件材料性能偏低、零件表面形貌粗糙等不良现象。综合分析送粉式金属3D打印技术成型过程，可知采用送粉式金属3D打印设备成型零件过程中熔覆宽度（以下简称“熔宽”,当熔池没有溢出的情况下，熔宽与熔池尺寸大小相同）的改变将会导致设定的搭接率（相邻扫描道间重叠部分的大小占据单道扫描时熔覆宽度大小的比例）的变化，造成成型零件内部出现孔隙、道与道间搭接不良等现象。间接造成成型零件力学性能低下等缺陷。

而现有的技术解决方法多采用后处理的方式消除零件成型过程中生产工艺参数变化带来的不良影响。但是采用后处理的方式不仅仅增加企业的制造成本，同时使得产品的生产合格率得不到有效保障，因此急需一种方式能够有效的控制生产工艺参数在成型过程中保持在设定的范围之内。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种成型过程中搭接良好使成型产品具有稳定力学性能的用于送粉式增材制造设备的控制系统及控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种用于送粉式增材制造设备的控制系统，所述增材制造设备包括送粉机构、激光器以及送粉喷嘴，其特征在于：所述控制系统包括控制器、图像采集装置以及图像处理器，所述图像采集装置用于获取经喷嘴出料在所述激光器作用下形成的熔池图像；所述图像处理器对所述图像采集装置采集的熔池图像进行处理并得到熔池宽度；所述控制器根据所述处理器得到的熔池宽度与设定的熔池宽度进行比较，当图像处理器得到的熔池宽度大于设定的熔池宽度，则减小所述激光器的功率；当图像处理器得到的熔池宽度小于设定的熔池宽度，则增大所述激光器的功率，当激光器的功率调整到极限功率仍不能满足设定熔池宽度，则增加所述送粉机构的送粉量。

所述控制器包括比较模块、存储模块以及控制模块，所述存储模块存储所述同样大小的激光光斑下不同搭接率对应的熔池宽度的数据（对应公式：λ= D/W,其中，λ为搭接率，D为相同工艺参数下两个扫描道之间重叠部分的尺寸，W为同一工艺参数下单道熔池宽度），以及同样大小的激光光斑下不同激光功率以及送粉量对应的熔池尺寸的数据；所述比较模块用于比较所述图像处理模块获取的熔池宽度和存储模块存储的熔池宽度；所述控制器根据比较模块的比较结果和存储模块存储的同样大小的激光光斑下不同激光功率以及送粉量对应的熔池尺寸的数据，控制所述激光器的输出功率和送粉机构的送粉量。

所述图像处理器包括虑噪处理模块以及图像识别模块，所述虑噪处理模块对所述图像采集装置获取的熔池图像进行虑噪处理；所述图像识别模块根据虑噪处理的图像进行识别得到熔池宽度。

所述图像采集装置为摄像模块。

所述摄像模块带有滤镜保护，且摄像模块安装在送粉喷嘴上并进行实时监控。

所述控制器为工业控制计算机。

一种用于送粉式增材制造设备的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、实时获取激光作用在工件上的熔池图像；

步骤二、对步骤一获取的熔池图像进行处理得到实时熔池宽度；

步骤三、将步骤二得到的熔池宽度与设定的熔池宽度进行比较，根据比较结果首先调整激光器的输出功率，如果还没满足设定熔池宽度，则调整打印头的送粉量。

所述步骤三的具体方法为：将步骤二获取的当前熔池宽度与设定搭接率对应的熔宽宽度求差，当差值为负数时，根据熔池宽度与激光功率及送粉量相关的数据获取当前送粉量下的极限功率；若当前激光功率小于极限功率，则增大当前激光功率直到当前熔池尺寸达到设定的搭接率对应的熔池宽度；若激光功率达到极限功率，则增加送粉量来增大当前的熔池尺寸；当差值为正时，减小当前激光功率，直到当前熔池宽度达到设定的搭接率对应的熔池宽度。

通过大量工艺实验，建立送粉式金属增材制造技术中不同金属材料成型过程中同样大小的激光光斑下设置不同搭接率对应的熔池尺寸的数据库，并拟合成相应的曲线(如图1所示)。

通过大量工艺实验，建立送粉式金属增材制造技术中不同金属材料成型过程中同样大小的激光光斑下不同激光功率对应的熔池尺寸数据库以及相同激光功率下不同送粉量对应的熔覆宽度数据库，并拟合成相应的曲线（如图2、3所示）。

在送粉式金属增材制造设备的送粉喷嘴上安装带有滤镜保护的摄像模块，实时将采集的视频通过数据线传输给送粉式金属增材制造设备配套的工业控制计算机。工业控制计算机接受到数据后，对采集的图像进行识别，计算出当前熔池的尺寸。并将计算出的熔池尺寸与设定的搭接率对应的熔池大小进行比较。

当“计算出的熔池尺寸”与“设定的搭接率对应的熔池尺寸”的绝对差值超出设定的阈值时，则通过优先调节激光功率的大小、其次调节送粉量的方式来改变当前熔池的大小。

与现有的技术相比，本发明实现了送粉式金属增材制造技术加工过程中熔池尺寸的闭环控制，可以有效的避免成型过程中由于外部因素的影响导致熔池尺寸的变化进而引起的搭接率的改变的现象。

附图说明

图1 为搭接率与熔宽的曲线示意图。

图2 为熔池宽度与激光功率的曲线示意图。

图3 为熔宽与送粉量的曲线示意图。

图4为该控制系统的工作流程图。

图5为本发明控制系统与送粉是金属3D打印设备连接示意图。

其中，1为工业控制计算机，2为数据线，3为送粉喷嘴，4为摄像模块，5为反光镜，6为激光光束，7为成型零件，8为工作台，11为图像处理器，12为存储模块，13为比较模块，14为控制模块，15为激光器控制系统。

具体实施方式

下面结合图4、图5对具体的实施过程做进一步的阐述：

图4所示为该控制系统工作流程图。本发明一种用于送粉式增材制造设备的控制系统，可广泛应用于如3D激光打印等增材制造设备中，图中包含工业控制计算机1，摄像模块4，图像处理器11，存储模块12，比较模块13，激光器控制系统15。图5所示为该闭环控制系统的硬件结构示意图，包含工业控制计算机1，数据线2，送粉喷嘴3，摄像模块4，反光镜5，激光光束6，成型零件7，工作台8。

如图5所示，在送粉喷嘴3内部装有反光镜5与摄像模块4，加工过程中熔池场景通过送粉喷嘴3内部的反光镜5将图像反射至摄像模块4（如图5中虚线表示的反射示意图）。摄像模块4将采集的熔池图像通过数据线2传送至工业控制计算机1。如图4所示，工业控制计算机1（控制器）将接受的熔池图像数据交由内部的图像处理器11处理，图像处理器11对接受的图像数据进行虑噪处理，并进行图像识别，计算出当前熔池的尺寸，然后将尺寸数据返回给工业控制计算机1。

工业控制计算机1从存储模块12中的数据库内读取设定搭接率对应的熔宽。然后将读取的熔宽值与计算出的当前熔池的尺寸值一起发送给比较模块13。比较模块13对接受的两个不同的数字求差，并将差值传递给工业控制计算机1。

工业控制计算机1将接受的差值发送给控制模块14，控制模块14对接受的差值进行处理。当差值为负数时，则可知当前熔池的尺寸偏小，则通过工业控制计算机1查询存储模块12中存放的熔池尺寸与激光功率及送粉量相关的数据库获取当前送粉量下的极限功率（注：送粉量恒定时，熔池的尺寸随着激光功率的增大会先增大而后逐渐稳定，而稳定后的激光功率即为极限功率）。若当前激光功率小于极限功率，则通过激光器控制系统15增大当前激光功率直到当前熔池尺寸达到设定的搭接率对应的熔宽的大小。若激光功率达到极限功率，则通过激光器控制系统15增加送粉量来增大当前的熔池尺寸。当差值为正时，可知当前熔池的尺寸偏大，只需减小当前激光功率即可，直到当前熔池尺寸达到设定的搭接率对应的熔宽的大小。

图1 为搭接率与熔宽的曲线示意图，横坐标为W（熔池宽度），纵坐标为λ（搭接率），可知随着熔池宽度的增大，搭接率逐渐变小。图2 为熔池宽度（W）与激光功率（P）的曲线示意图。图2中原点到虚线之间的部分，有激光功率尚不能完全熔覆熔池中的粉末，因此熔宽随着激光功率的增大而增大；虚线之后，激光功率能够完全融化熔池中的粉末，且出现功率冗余现象，因此熔宽趋于稳定。此时，取虚线所在位置为极限功率值。

图3 为熔池宽度（W）与送粉量(Q)的曲线示意图。当激光功率一定时，图3中坐标原点到第一个虚线之间由于送入熔池中的粉末能够完全融入熔池内，因此该部分熔宽与熔池宽度一样保持不变；第一个虚线与第二个虚线之间，随着送粉量的增大，送入的粉末都能被激光输入的能量融化，而熔池的大小由于激光功率恒定后不会随之改变，因此多出的金属溶液溢出熔池，最终导致熔宽增大；第二个虚线到X坐标轴的正无穷方向，由于送入的金属粉末超出了激光输入能量所能融化的粉末量，因此该部分会随着送粉量的加大，熔宽趋于稳定。

在采用送粉式金属3D打印技术成型过程中，持续采集熔池的图像并对激光功率与送粉量进行调节，达到成型过程中的闭环控制。