基于激光位移传感器同轴送粉设备检测熔覆质量的方法与流程

本发明属于增材制造技术领域，特别是涉及一种基于激光位移传感器同轴送粉设备检测熔覆质量的方法。

背景技术：

同轴送粉激光熔覆技术是激光快速成型技术的一个重要发展方向，激光快速成型设备，按照送粉方式不同，可分为铺粉式和同轴送粉式熔覆技术两个主要技术方向。铺粉式3d打印设备的铺粉装置包括储粉室、铺粉轴和刮板，在工件打印区域，经激光扫描过的路径凝固成固态结构，随后打印区域基板整体下降一定高度，刮板将储粉室内的3d打印金属粉末刮至打印区域，使3d打印金属粉末覆盖已成型的打印工件表面，开始新一层的打印成型过程。同轴送粉式3d打印设备的送粉过程是由送粉器连续输入3d打印金属粉末材料，在惰性气体保护气氛下，金属粉末被加热熔化，又迅速凝固，并与基体材料形成冶金结合，并最终形成具有一定几何形状的打印件。

铺粉式3d打印设备与同轴送粉式3d打印设备的工作原理不尽相同，但都是利用高能量的激光束对金属粉末材料进行快速熔化、快速凝固成型技术。同轴送粉技术与其他快速成型技术相比，具有短周期、低成本、高柔性、高性能等特点。但是也存在由于随运动方向变化，送粉量的影响，熔覆层表面平整度与铺粉式设备相比较差的问题。当前同轴送粉设备面对于打印大幅面大尺寸工件时，工艺人员常常需要在打印一定层数后，就停止激光熔覆，检测工件表面熔覆质量以及熔覆过程之中是否有由于热应力分布不均或熔覆件残余应力造成熔覆件表面开裂，变形等问题。

目前，国内还没有采用针对于同轴送粉激光熔覆成型的实时检测熔覆质量技术，国外对于同轴送粉激光熔覆成型的实时检测熔覆质量技术主要采用摄像或视觉传感器法。但是该技术存在几个问题：1)摄像或视觉用ccd工业相机受激光强光和熔覆过程中产生烟尘影响，经过算法修正后，其识别误差依然很大；2)检测熔覆质量需要进行图像处理，图像处理速度严重制约着熔覆速度，导致熔覆速度不能很快，熔覆效率不高。

现有大尺寸同轴送粉打印设备和技术都存在着不能够完全自动化打印的问题。因此，如何引入自动化实时检测熔覆质量技术，实现整个打印过程无需停机检测，成为同轴送粉激光熔覆设备提高熔覆质量，提升熔覆加工效率，减轻操作工艺人员工作量的关键。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于激光位移传感器同轴送粉设备检测熔覆质量的方法，该检测方法对于所有检测困难的工件都可实现超稳定的高精度测量。

本发明是这样实现的，一种基于激光位移传感器同轴送粉设备检测熔覆质量的方法，所述的基于激光位移传感器同轴送粉设备包括控制器、定时器、缓冲器、两个激光位移传感器和伺服电机，所述控制器分别与定时器、缓冲器、两个激光位移传感器、伺服电机连接，两个激光位移传感器分别与缓冲器连接，每个所述激光位移传感器发射波长为405nm蓝色激光，两个激光位移传感器成一定角度设置，安装于待测工件上方；

检测熔覆质量的方法包括如下步骤：

1)调整两个激光位移传感器的物镜使两个激光位移传感器发射的激光进行聚焦，同时，两个激光位移传感器的光接收组件只接收405nm波段的反射激光；

提前设定加工程序规定的运动轨迹，激光位移传感器采集信号的偏差范围，伺服电机的自动调整偏差范围；

2)首先，控制器根据加工程序规定的运动轨迹向伺服电机发送指令，伺服电机进行运动；伺服电机编码器反馈熔覆头相对于熔覆工件的机床实际坐标位置信息，激光位移传感器在伺服电机运动过程中实时采集熔覆头相对于熔覆工件的位置信息；

其次，控制器将伺服电机编码器反馈的熔覆头相对于熔覆工件的机床实际坐标位置先与激光位移传感器监测工件信号位置作比较，判断两者位置偏差是否超过提前设定的激光位移传感器采集信号的偏差范围，在自动进行信号处理；其中，激光位移传感器在采集位置数据过程中，自动采集位置数据信息多次，并将采集的多组数字量信息预处理后将有效的位置数据信息放入缓冲器的全局变量数组中；所述激光位移传感器采集的数字量信息的预处理由激光位移传感器内部采集芯片独立完成，激光位移传感器内部采集芯片对每组数字量信息均采用循环嵌套、相互作差的方法遍历数组，并根据计算的差值是否超出预设的激光位移传感器采集信号的偏差范围，判断每组数字量信息是否有效，如果差值超出规定的范围，则该组数字量信息无效，不再使用。

同时，将根据加工程序规定的运动轨迹得到的伺服电机预规划指令位置数据和激光位移传感器采集有效的位置数据放入缓冲器中，控制器判定当前缓冲器内激光位移传感器采集的有效的数字量信息个数是否满足预设条件；如果不满足预设条件，则继续从激光位移传感器将采集的有效的位置数据放入到缓冲器中。如果满足预设条件，控制器将需要的前m组位置数据取走，并将取走的m组位置数据取平均值，将该平均值与机床实际坐标位置值(这里为伺服电机编码器反馈位置)进行比较，判断在规定时间内，实际熔覆位置是否到达预规划指令位置；如果到达，则伺服电机不做调整，就运行到该预规划指令位置；如果未到达，则把伺服电机编码器中的位置数据保持，并上传到控制器中，控制器判定未到达的位置信息是否超出预规划指令位置偏差范围；如果未超出预规划指令位置偏差范围，则放弃对伺服电机的调整；如果超出预规划指令位置偏差范围，则根据误差大小方向自动对伺服电机的运动方向和速度大小进行调整；单次比较跟踪结束。

在上述技术方案中，优选的，每次开始比较时，通过定时器设定使单次比较过程控制在20ms内，若时间达不到则延时；若时间超过则将该次数据发出，进行下次比较运算，防止数据计算时间不一致，产生的通信卡顿。

在上述技术方案中，优选的，当需要对伺服电机进行调整时，根据控制器对伺服电机设定的调整范围，判断该调整值是否在调整范围内，超过这个范围，则放弃调整。此调整策略是简化控制器对伺服电机发出的控制指令，从而达到减少伺服电机由于运动过程中轻微振动和在运行中激光位移传感器因遇到障碍物而引起的误操作的目的。

在上述技术方案中，优选的，所述控制器内配置限幅滤波算法。

本发明具有的优点和积极效果是：

1)本发明的激光位移传感器采用405nm蓝色激光，利用物镜将405nm短波长激光进行聚焦，光接收组件也接收该波段上的激光，与激光熔覆常用的1064nm波段激光互不影响，可以在光接收组件生成清晰稳定的高精度轮廓。此外，提高了激光的受光密度，可以保证光强度，对于所有检测困难的工件都可实现超稳定的高精度测量。

2)该方法采用两组激光位移传感器，并成一定角度放置，两组激光传感器发出的蓝色激光交替照射，通过计算采集的光强度差异，可将多重反射光区分出来并在系统中消除掉，排除外部环境光和各类发射光的影响。

3)在控制器中配置限幅滤波算法，减少设备在高速熔覆加工过程中由于振动而导致图形数据波动，避免对检测结果产生影响。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于激光位移传感器同轴送粉设备检测熔覆质量装置原理简图；

图2是本发明实施例提供的基于激光位移传感器同轴送粉设备检测熔覆质量的检测工作流程图；

图3是本发明实施例提供的采用传统红色激光(a)和采用本发明蓝色激光(b)信号经激光位移传感器光电转换后的检查轮廓情况对比。

图中：1、激光位移传感器；2、熔覆工件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，并配合附图对本发明进行进一步详细说明。本领域技术人员应当知晓，下述具体实施例或具体实施方式，是本发明为进一步解释具体的发明内容而列举的一系列优化的设置方式，而这些设置方式之间均是可以相互结合或者相互关联使用的，除非在本发明中明确提出了其中某些或某一具体实施例或实施方式无法与其他的实施例或实施方式进行关联设置或共同使用。同时，下述的具体实施例或实施方式仅作为最优化的设置方式，而不作为限定本发明的保护范围的理解。

此外，本领域技术人员应当了解，以下具体实施方式及实施例中所列举出来的对于参数设定的具体数值，是作举例解释用，作为一可选的实施方式，而不应当理解为对本发明保护范围的限定；而其中涉及到的各算法及其参数的设定，也仅作为举例解释用，而对下述参数的形式变换以及对下述算法的常规数学推导，均应视为落入本发明的保护范围之内。

请参阅图1和2，本实施例提供一种基于激光位移传感器同轴送粉设备检测熔覆质量的方法，所述的基于激光位移传感器同轴送粉设备包括控制器、定时器、缓冲器、两个激光位移传感器和伺服电机，所述控制器分别与定时器、缓冲器、两个激光位移传感器、伺服电机连接，两个激光位移传感器分别与缓冲器连接，每个所述激光位移传感器发射波长为405nm蓝色激光，两个激光位移传感器成一定角度设置，安装于待测工件上方；

检测熔覆质量的方法包括如下步骤：

1)调整两个激光位移传感器的物镜使两个激光位移传感器发射的激光进行聚焦，同时，两个激光位移传感器的光接收组件只接收405nm波段的反射激光，从而可将该波段激光与其他多重反射光区分出来，避免周围环境光对采集数据的干扰；

提前设定加工程序规定的运动轨迹，激光位移传感器采集信号的偏差范围，伺服电机的自动调整偏差范围；

2)首先，伺服电机根据加工程序规定的运动轨迹进行运动；控制器根据加工程序规定的运动轨迹向伺服电机发送指令，伺服电机编码器反馈熔覆头相对于熔覆工件的机床实际坐标位置信息，激光位移传感器在伺服电机运动过程中实时采集熔覆头相对于熔覆工件的位置信息；

其次，控制器将伺服电机编码器反馈的熔覆头相对于熔覆工件的机床实际坐标位置先与激光位移传感器监测工件信号位置作比较，判断两者位置偏差是否超过提前设定的激光位移传感器采集信号的偏差范围，在自动进行信号处理；该调整过程属于运动控制系统前馈调节，是利用输入或扰动信号(前馈信号)的直接控制作用构成的开环控制系统。当控制器发出运动轨迹信号，电机不立即发出反馈信号，而是由激光位移传感器在收到刺激后发出前馈信号，作用于伺服电机，使其及早作出适应性反应，及时地调控运动。前馈控制系统可以避免负反馈调节时矫枉过正产生的波动和反应的滞后反应，使调节控制更迅速更快。其中，考虑到熔覆环境的恶劣性，比如在熔覆中有烟尘的出现等现象，激光位移传感器在采集位置数据过程中，自动采集位置数据信息多次，本实施例中设定10次，并将采集的10组数字量信息预处理后将有效的位置数据信息放入缓冲器的全局变量数组中；由于需要实时将激光位移传感器监测工件的实际位置，与伺服电机编码器反馈的熔覆头相对于熔覆工件的机床实际坐标位置进行比较。伺服电机运行方向和位置信息受激光位移传感器采集的数字量信息控制，因此对数字信号的预处理十分重要，。所述激光位移传感器采集的数字量信息的预处理由激光位移传感器内部采集芯片独立完成，激光位移传感器内部采集芯片对每组数字量信息均采用循环嵌套、相互作差的方法遍历数组，并根据计算的差值是否超出预设的激光位移传感器采集信号的偏差范围，判断每组数字量信息是否有效，如果差值超出规定的范围，则该组数字量信息无效，不再使用。判断的范围由现场环境及激光位移传感器的精度确定，根据工艺要求，进行提前设置。

同时，将根据加工程序规定的运动轨迹得到的伺服电机预规划指令位置数据和激光位移传感器采集有效的位置数据放入缓冲器中，控制器判定当前缓冲器内激光位移传感器采集的有效的数字量信息个数是否满足预设条件；如果不满足预设条件，则继续从激光位移传感器将采集的有效的位置数据放入到缓冲器中。如果满足预设条件，控制器将需要的前m组位置数据取走，并将取走的m组位置数据取平均值，将该平均值与机床实际坐标位置值(这里为伺服电机编码器反馈位置)进行比较，判断在规定时间内，实际熔覆位置是否到达预规划指令位置；如果到达，则伺服电机不做调整，就运行到该预规划指令位置；如果未到达，则把伺服电机编码器中的位置数据保持，并上传到控制器中，控制器判定未到达的位置信息是否超出预规划指令位置偏差范围；如果未超出预规划指令位置偏差范围，则放弃对伺服电机的调整；如果超出预规划指令位置偏差范围，则根据误差大小方向自动对伺服电机的运动方向和速度大小进行调整；该调整过程属于运动控制系统负反馈调整，指令位置作为系统输入端，实际位置作为系统输出端，负反馈调节使输出起到与输入相反的作用，使系统输出与系统目标的误差减小，系统趋于稳定。单次比较跟踪结束。

作为优选的实施例，为了能够将大量数据进行比较运算对运行速度的影响，对整个比较过程做如下程序优化。每次开始比较时，通过定时器设定使单次比较过程控制在20ms内，若时间达不到则延时；若时间超过则将该次数据发出，进行下次比较运算，防止数据计算时间不一致，产生的通信卡顿。

作为优选的实施例，所述控制器内配置限幅滤波算法，所述限幅滤波算法的原理为根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值(设为a)，每次检测到新值时判断：

如果本次值与上次值之差≤a,则本次值有效；

如果本次值与上次值之差>a,则本次值无效,放弃本次值,用上次值代替本次值；

其中，最大偏差值a需要经过调试试验得到，通过对比采集数据和伺服电机实际运动的位置和时间曲线得到。

作为优选的实施例，当需要对伺服电机进行调整时，根据控制器对伺服电机设定的调整范围，判断该调整值是否在调整范围内，超过这个范围，则放弃调整。此调整策略是简化控制器对伺服电机发出的控制指令，从而达到减少伺服电机由于运动过程中轻微振动和在运行中激光位移传感器因遇到障碍物而引起的误操作的目的。

如图3所示，采用本发明的蓝色激光(b)和采用传统红色激光(a)信号经激光位移传感器光电转换后的检查轮廓情况对比可知，采用本发明的蓝色激光可形成清晰稳定的高精度轮廓。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。