增材制造送粉喷嘴粉末汇聚点参数测量装置的制作方法

1.本实用新型涉及增材制造技术领域，具体而言涉及增材制造送粉喷嘴粉末汇聚点参数测量装置。


背景技术：

2.送粉增材制造技术比较关键的一点是粉末与热源的良好耦合，耦合良好的粉末和热源，粉末熔化充分、成形形貌好、内部冶金缺陷少，可得到高质量的涂层和产品，反之，粉末与热源不能实现的良好耦合效果，最终得到的产品质量必定会受到影响。
3.当加工头光斑尺寸确定后，二者的耦合效果则取决于粉斑的尺寸大小：粉斑尺寸小于光斑尺寸时，为光包粉模式，该方式涂层成形良好，但多余的光斑区域对基体材料造成热影响，往往会在基材未熔覆表面形成马氏体淬火区，制备高硬度材料涂层可能带来界面裂纹缺陷的产生；粉斑尺寸大于光斑尺寸时，为粉包光模式，该方式粉末熔化不充分，特别是在热源边界区出现未熔颗粒，且涂层表面存在挂粉现象。
4.要实现粉斑尺寸与热源尺寸的合理匹配，就需要准确知道二者的具体数值，一般光斑尺寸是容易获得的，而粉斑测量传统方式是用钢板尺或其他测量工具进行测量，整体测量精度不高，特别是对于小粉斑的工作模式，这种测量方式的准确度差。因此，一种高精度的粉斑参数测量方式对于实现粉末与热源的良好耦合具有重要意义。


技术实现要素：

5.本实用新型目的在于提供增材制造送粉喷嘴粉末汇聚点参数测量装置，能够精准的测量出喷嘴喷出的粉末汇聚点的尺寸以及位置参数，为实现粉斑尺寸与热源尺寸的合理匹配奠定基础。
6.为了实现上述目的，本实用新型提供一种增材制造送粉喷嘴粉末汇聚点参数测量装置，包括：
7.带有泄气阀的箱体，内部形成密封的容纳空间，所述箱体带有由外部连接到容纳空间内的送粉管道和送气管道；
8.用于放置喷嘴的支架，被设置成由支架调节机构驱动能在容纳空间内沿x\y\z三轴方向移动；
9.喷嘴，被放置在所述支架上，能随支架运动而移动，所述喷嘴连接所述送粉管道和送气管道；
10.粉末收集装置，被设置在所述喷嘴的下方，用于收集喷嘴喷出的粉末；
11.x向摄像头，用于获取所述喷嘴和粉末收集装置之间区域的图像；
12.y向摄像头，其轴线与所述x向摄像头轴线垂直，用于获取所述喷嘴和粉末收集装置之间区域的图像；
13.显示器，用于显示x向摄像头以及y向摄像头所获取的粉末汇聚点的图像以及根据图像确定的粉末汇聚点的参数；
14.其中，在喷嘴和粉末收集装置之间设置沿y轴方向布置的对中十字刻度标尺和固定标尺，所述对中十字刻度标尺和固定标尺位于x向摄像头和y向摄像头的视场内，且位置相对固定。
15.优选的，所述对中十字刻度标尺和固定标尺之间的间距为5
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10mm。
16.优选的，所述x向摄像头和y向摄像头分别被固定到所述箱体相邻的两侧面。
17.优选的，在所述喷嘴的粉末汇聚点附近设置补光灯，所述补光灯的打光方向顺着x向摄像头或y向摄像头获取图像的方向。
18.优选的，所述粉末收集装置包括回收漏斗和回收瓶，所述回收漏斗被放置在所述回收瓶上，用于将由喷嘴喷出的粉末导入到回收瓶内。
19.优选的，所述支架上设有锥形孔，用于承托所述喷嘴，所述锥形孔的内壁设有橡胶垫。
20.优选的，所述支架调节机构包括驱动支架沿x轴方向运动的x轴丝杆、驱动支架沿y轴运动的y轴丝杆以及驱动支架沿z轴运动的z轴丝杆。
21.优选的，所述箱体上还设有气路清洗入口以及气路清洗出口。
22.应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的实用新型主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的实用新型主题的一部分。
23.结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本实用新型教导的前述和其他方面、实施例和特征。本实用新型的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本实用新型教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
24.附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本实用新型的各个方面的实施例，其中：
25.图1是本实用新型增材制造送粉喷嘴粉末汇聚点参数测量装置x
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z平面的结构示意图；
26.图2是本实用新型增材制造送粉喷嘴粉末汇聚点参数测量装置中粉末汇聚点位置的结构示意图；
27.图3是本实用新型增材制造送粉喷嘴粉末汇聚点参数测量装置y
‑
z平面的结构示意图。
具体实施方式
28.为了更了解本实用新型的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
29.在本公开中参照附图来描述本实用新型的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本实用新型的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意增材制造送粉喷嘴粉末汇聚点参数测量装置来实施，这是因为本实用新型所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本实用新型公开的一些方面可以单独使用，或者与本实用
新型公开的其他方面的任何适当组合来使用。
30.在增材加工时，若粉斑尺寸和热源尺寸不匹配时，增材表面会出现缺陷，而要实现粉斑尺寸与热源尺寸的合理匹配，就需要准确知道二者的具体数值，一般光斑尺寸是容易获得的，但是粉斑尺寸难以准确测量，尤其是小尺寸粉斑，误差较大，本实用新型旨在实现，基于摄像头准确的获取粉斑图像，并通过现有的图像软件对粉斑尺寸进行计算，为加工头光路参数的选择提供准确性的数据支撑，同时为光
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粉的良好耦合和加工产品的质量提供了保障。
31.结合图1
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3所示，本实施例中提供一种增材制造送粉喷嘴粉末汇聚点参数测量装置，主要包括带有泄气阀15的箱体1，箱体1被设置成矩形的箱体，带有侧门和顶盖14，箱体1内部形成密封的容纳空间，以防止粉末受到外界空气流动的干扰，保持粉末汇聚点的准确性。
32.进一步的，在箱体1中设置用于放置喷嘴3的支架2，支架2被设置成由支架调节机构驱动，能在容纳空间内沿x\y\z三轴方向移动。
33.作为优选，支架2上设有锥形孔，锥形孔用于承托喷嘴3，如此，易于将喷嘴3取下以及放置，另外，为了避免在取放喷嘴3时发生磕碰，在锥形孔的内壁设有橡胶垫。
34.具体的，支架调节机构包括驱动支架2沿x轴方向运动的x轴丝杆22、驱动支架2沿y轴运动的y轴丝杆23以及驱动支架2沿z轴运动的z轴丝杆。在可选的实施例中，x轴丝杆22、y轴丝杆23和z轴丝杆21被设置成手动驱动或由电机电动控制。
35.如此，可以使支架2在箱体1内移动，能改变喷嘴3喷出粉末的粉末汇聚点的位置，使粉末汇聚点100位于特定位置，为精准测量出粉斑的尺寸奠定基础。
36.为了为喷嘴3提供粉末和保护气，在箱体1顶部带有连接到容纳空间内的送粉管道32和送气管道31，喷嘴3连接送粉管道32和送气管道31，其中，送粉管道32和送气管道31优选为软管，如此可以不干涉喷嘴3随着支架2移动。
37.如此，将测试的喷嘴3放置在支架2上，连接送粉管道32和送气管道31，设置送粉器转速、送粉载气量、氩气保护气量，打开送粉器、流量表控制开关，打开泄气阀23开关，即达到测试条件。
38.进一步的，在喷嘴3的下方设置粉末收集装置，用于收集喷嘴3喷出的粉末。在可选的实施例中，粉末收集装置包括回收漏斗61和回收瓶62，回收漏斗61被放置在回收瓶62上，用于将由喷嘴3喷出的粉末导入到回收瓶62内。回收瓶62被放置在底座11上。
39.进一步的，x向摄像头51用于获取喷嘴3和粉末收集装置之间区域的图像；y向摄像头53的轴线与x向摄像头51轴线垂直，用于获取喷嘴3和粉末收集装置之间区域的图像。
40.在可选的实施例中， x向摄像头51和y向摄像头53分别被固定到箱体1相邻的两侧面。
41.更进一步的，在喷嘴3和粉末收集装置之间设置沿y轴方向布置的对中十字刻度标尺41和固定标尺43，对中十字刻度标尺41和固定标尺43位于x向摄像头51和y向摄像头53的视场内，且位置相对固定。在可选的实施例中，对中十字刻度标尺41和固定标尺43可以通过支杆固定到底座11上。
42.其中，固定标尺43与对中十字刻度尺41在y向的距离可在5mm
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10mm范围内选择，安装的时候选择一固定值安装，固定标尺43用于x向摄像头51像素点标定，使其焦距确定在一
个固定距离，以保持画面尺寸获取和计算的准确。优选的，首次标定完成后，后期测试过程可按照固定周期重新标定，以确保准确性。
43.如此，通过两个垂直布置的摄像头，可以将y
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z平面的y向摄像头53用于观察粉末汇聚点100与对中十字刻度尺中心的相对关系，再通过调节机构准确调整粉末汇聚点100中心与对中十字刻度尺中心重合，即确定了粉末汇聚点在x向摄像头51的焦距上，可实现精准的尺寸计算。
44.进一步的，x
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z平面的x向摄像头51用于粉末汇聚点100位置调整至指定位置后的图像采集。
45.进一步的，通过连接计算机的显示器52，显示器52分为两个显示区域，第一显示区显示x向摄像头51所获取的粉末汇聚点100的位置和尺寸参数，第二显示区显示y向摄像头53所获取的粉末汇聚点100的位置。
46.在可选的实施例中，计算机中带有计算图像尺寸的软件，获取显示器52中的图像，采集后的第一显示区内图像在计算机图像处理软件内打开，进行粉末汇聚点100尺寸精准测量，从而获得粉末汇聚点尺寸、粉末束腰高度和粉末汇聚点距喷嘴底部平面高度参数。
47.具体的，计算机图像处理包括如下过程：在固定标尺43处设有标准块；用相机拍摄标准块照片，手动点击标准块两侧各一点；计算两点之间的像素数量；标准块长度除以像素数量，得出每个像素对应的长度；对准粉斑进行拍摄，手动在粉斑两侧边缘处点击两个点；记录两点位置，并计算两点之间的像素数量；乘以每个像素点的对应长度，得出粉斑宽度，并以此方法计算出粉斑高度。
48.进一步的，粉末束腰高度和粉末汇聚点距喷嘴底部平面高度与上述尺寸确定的方式相同，以标准块作为尺寸标定基准，并使用鼠标标定待测量目标的长度并与标准块进行比较，计算出待测量目标的实际长度，即获得了粉末汇聚点100的相对位置信息。
49.进一步的，为了提高图像质量，在喷嘴3的粉末汇聚点100附近设置第一补光灯44和第二补光灯42，补光灯的打光方向顺着x向摄像头51或y向摄像头53获取图像的方向，其中，第一补光灯44为y向摄像头53补光，第二补光灯42为x向摄像头51补光，在摄像头采集图像期间，箱体1内部只有补光灯打开，无其他光源。
50.优选的，箱体1底部还设有泄气阀23以及粉尘过滤回收箱24，在送粉过程中，保护气由送气管道31进入，由泄气阀23排出，另外，箱体1上还设有气路清洗入口12以及气路清洗出口13。测量结束后，关闭送粉器和氩气流量开关、关闭箱体泄气阀23开关，打开箱体门之前，通过压缩空气清洗箱体内部弥散在空气中的粉尘，清洗一分钟后关闭压缩空气，打开箱体门取出喷嘴。
51.在本实施例中，具体测量步骤为：
52.（1）x向摄像头51像素点标定：装置安装完成后，x向摄像头51与固定标尺43的相对位置确定，通过固定标尺43标定x向摄像头51的像素点，找到对应关系，以提高图像大小显示的准确性，首次标定完成后，后期测试过程可按照固定周期重新标定，以确保准确性；
53.（2）将测试喷嘴3放置在测试支架2上，连接送粉管道32和送气管道31，设置送粉器转速、送粉载气量、氩气保护气量，打开送粉器、流量表控制开关，打开泄气阀23开关，打开第一补光灯44；
54.（3）通过支架位置调整机构调整喷嘴粉末汇聚点100的空间位置，首先大致将粉末
汇聚点100调整到固定标尺43与对中十字刻度尺41之间靠近对中十字刻度尺41的区域内，通过y
‑
z平面内的y向摄像头53观察粉末汇聚点100与对中十字刻度尺中心41的位置关系，最终将粉末汇聚点100中心与十字刻度尺中心重合（如图2所示）；
55.（4）打开测量软件，打开第二补光灯42，通过x
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z平面的x向摄像头51拍摄粉末汇聚点100的图像，通过测量软件测量出粉末汇聚点尺寸、粉末束腰高度及粉末汇聚点距喷嘴底部平面的高度，三个数值同时显示在图像上；
56.（5）测量过程中粉末通过漏斗61回收到粉末瓶62，测量结束，关闭送粉器和氩气流量开关、关闭箱体泄气阀23开关，打开箱体门之前，通过压缩空气清洗箱体内部弥散在空气中的粉尘，清洗一分钟后关闭压缩空气，打开箱体顶盖14取出喷嘴3。
57.结合以上实施例，通过使用摄像头获取图像的方式获得粉末汇聚点的尺寸参数，并校准粉末汇聚点的位置以提高精准性，通过上述测量装置，可以进行多工艺条件的粉末汇聚点尺寸测量：通过改变不同送粉量、送粉器不同载气量和不同保护气流量条件再现实际工艺参数状态，进行多参数条件下的粉末汇聚点尺寸测量，装置测试结果准确，整体操作简单方便。
58.虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。