陶瓷激光直接成形沉积质量的PID控制方法与流程

本发明涉及激光增材制造及激光熔覆领域，具体为一种陶瓷激光直接成形沉积质量的pid控制方法。

背景技术：

随着科技的发展，在航空航天、生物医疗和其他领域对陶瓷零件的复杂度要求越来越高。陶瓷激光直接成形是在金属直接成形的基础上发展而来的一种陶瓷快速成形技术。在成形过程中首先通过cad等三维软件进行构建零件，其次运用切片软件将零件进行切片，并进行路径优化。在切片的基础上将零件信息导入陶瓷直接成形的控制系统，通过层层扫描熔化堆积，直接成形高质量陶瓷成形零件。成形过程中关键在于陶瓷零件的不同位置和不同特征处的沉积高度统一问题。

目前激光增材制造主要分为间接成形方法和直接成形方法。激光增材制造间接成形方法主要有几种方法。成形原理是通过将陶瓷粉末与粘结剂进行均匀混合，通过层层扫描熔化堆积成形。最后采用烧结技术将成形件中的粘结剂进行去除。但在烧结过程中容易产生形状失真现象。

激光增材制造直接成形方法主要有金属直接沉积、激光近净成形和选择性激光熔融几种方法。直接成形方法的原理是将纯陶瓷粉末通过层层扫描熔化堆积成形。避免了在陶瓷粉末中增加粘结剂和减少了后期烧结环节。直接成形方法的优点是提高了成形效率。

相关专利已有关于陶瓷增材制造成形过程和沉积质量的报道。但在成形高度的控制上目前很少有人报道。此前pid控制主要用于金属直接沉积过程中熔池温度的控制，减小金属熔池温度的波动，提高成形过程中熔池温度的稳定性。在解决问题上，pid控制策略主要通过比色高温计采集熔池温度，然后将熔池温度作为输入信号反馈到激光控制系统进行对激光功率进行调控，在控制过程中建立熔池温度和成形高度匹配关系。通过改变熔池温度进行调控沉积层高度，从而达到控制沉积层高度的目的。

中国发明专利cn104015244a公开了一种激光近净成形al2o3陶瓷结构件的方法。为解决激光近净成形al2o3陶瓷结构件成形过程表面质量、尺寸精度和缺陷等问题，该专利通过增加超声场可以变熔池流动、细化微观组织和减少裂纹和空隙等缺陷的出现，从而提高成形件的表面质量和尺寸精度。但是由于超声发射器属于非接触辅助成形方式，降低了超声场的利用效率，浪费能源。

中国发明专利cn102352516a公开了一种激光多层熔覆制备纳米厚陶瓷涂层的方法。专利通过对熔池温度进行闭环控制，并在熔覆过程中采用专用保温箱进行预热和缓冷处理进行控制陶瓷涂层的熔覆质量。但是，该专利在熔覆过程中会受到保温箱的限制而只能使其的效果受到极大的限制。

随着特定形状陶瓷需求的增加，陶瓷激光直接成形技术将渐渐发展起来，因此有必要提出一种陶瓷成形高度控制方法，使得激光成形特定形状陶瓷的尺寸精度提高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种陶瓷激光直接成形沉积质量的pid控制方法，消除因激光在不同位置停留时间不同而引起的成形高度变化的缺陷，提高成形性能。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种陶瓷激光直接成形沉积质量的pid控制方法：

1、将已烘干的陶瓷粉末放入送粉器2中。

2、熔池温度监测方式为旁轴监测，并激光熔覆头移动而移动。为了避免比色高温计测温探头在激光熔覆头在移动过程中发生晃动，利用专用夹具将比色高温计测温探头10固定在激光熔覆头11侧面。探头射出光束投射与激光光束在基板4表面上交于一点。比色高温计光束的光斑大于激光束的光斑而小于熔池面积。

3、比色高温计10与台式计算机6通过串口转usb线相连，通过测温软件对熔池温度进行实时监测。比色高温计10的模拟信号输出线与compactrio单板控制器8的模拟信号输入端相连，compactrio单板控制器8与台式计算机7通过网线相连，将compactrio单板控制器8的模拟信号输出线与激光器9的模拟信号输入端相连。

4、熔池温度pid控制基于labview软件平台，在台式计算机7的labview软件上编写pidlabview程序，该程序作用于compactrio单板控制器8，使其与比色高温计10和激光器9实时通讯进而实现熔池温度pid控制。

5、熔池温度pid控制过程中，将比色高温计10实时监测的熔池温度信号输入到compactrio单板控制器8内。基于整定后的pid参数，pid控制算法通过对熔池温度测量值与设定值的偏差进行在线调节从而得到输出电压信号。该信号由compactrio单板控制器8输出端传送至激光器9。通过实时调节激光器9的激光功率使熔池温度测量值与设定值保持一致。pid参数整定是在控制过程中进行在线参数整定(图2)，整定后最优的pid参数在后续试验中保持不变。

图2中，y(t)为比色高温计实时测得的温度值，该值为0-10v的电压信号；r(t)为设定的熔池温度值，该值为转化后的电压值；u(t)为pid控制器输出的电压值，该值控制激光器输出的激光功率值。kc、ti和td分别为pid控制器中的比例系数、积分时间常数和微分时间常数，通过调节这三个参数可以实现熔池温度的pid控制，控制算法如图3所示。在控制开始阶段，首先将ti、td设定为0，比例增益kc增加到循环输出开始振荡为止。增加比例增益时，在保证系统稳定状态下，可以增加系统的运行速度。其次，调节ti参数，使系统达到最小稳定误差。通过设置kc、ti可以获取最小稳定误差的快速控制系统。在此基础上对td参数进行设置，改变微分时间常数会减少过冲，产生更高的稳定性效益，但系统会对噪声变得异常敏感，导致输出失真。基于本系统对熔池温度特别敏感条件下，系统主要通过使用比例积分进行控制。

6、为了防止激光功率过高烧蚀陶瓷粉末和激光功率过低未能熔融陶瓷粉末，激光功率必须合理设置上下限。通过设置激光功率的变化，进而控制熔池温度的变化范围，减小熔池温度的波动。

7、成形结束后，依次关闭送粉器、机床、激光器和储气罐。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

1、熔池温度pid控制可以调控温度的变化范围，将温度稳定在一定范围内，可以保证熔池温度稳定，从而导致成形件的冷却速率比较稳定，减少裂纹和气孔等缺陷的出现。

2、熔池温度pid控制可以减小特定形状陶瓷成形件在形状特征发生明显变化时高度的波动。在形状特征发生明显变化时激光熔覆头在数控系统的控制下熔覆头会出现速度变化，从而导致激光在不同位置处停留的时间不同，造成沉积层高度发生变化。而熔池温度pid控制通过温度的反馈将激光功率进行实时调节，提高成形件不同位置处成形高度的均匀性。

附图说明

图1熔池温度pid控制平台示意图；

图2激光直接沉积过程熔池温度pid控制系统；

图3基本pid控制算法示意图；

在图中：1氩气储气瓶；2双筒送粉器；3沉积件；4基板；5工作台；6台式计算机1；7台式计算机2；8compactrio单板控制器；9激光器；10比色高温计；11激光熔覆头。

具体实施方式

本案例是采用该方法进行控制陶瓷沉积质量的控制，按照图一的平台搭建，并对实施过程进行具体说明，步骤如下：

1)将烘干后的粉末倒入送粉器2中的一个粉筒中，用于陶瓷成形试验。

2)用专用夹具将比色高温计装订在激光熔覆头一侧，保证在熔覆头移动过程中比色高温计不会发生晃动，影响测温效果。比色高温计发出的光束与激光束在基板交于一点，且光束的光斑的直径大于激光光束的光斑直径，但小于熔池面积。基板为氧化锆陶瓷基板，基板的大小为80*80*5mm。激光熔覆头与基板的距离为15mm。成形过程中采用惰性气体氩气进行保护熔池。初始加工工艺参数为：激光功率为310w，扫描速度为200mm/min，提升高度为0.3mm，送粉速率为2g/min。

3)成形过程中的温度控制主要有温度控制系统进行实现的。温度控制系统主要包括：比色高温计10、电脑1、电脑2、compactrio单板控制器8、激光器9和送粉器2。利用比色高温计采集熔池温度，采集的温度数据一方面可以从电脑1进行实时记录；一方面温度数据作为输入信号，输入到电脑2和compactrio单板控制器8。通过单板控制器对稳定状态下熔池温度的校订和整定pid参数，pid控制算法对熔池温度的测量值与设定值的差值进行在线调节，最后将熔池温度转化为电压信号，并对电压信号的范围进行标定。电压信号由compactrio单板控制器8输出端传送至激光器9。通过实时调节激光器9的激光功率使熔池温度测量值与设定值保持一致。pid参数整定是在控制过程中进行在线参数整定，整定后最优的pid参数座位试验的基准参数。

4)在特定形状陶瓷结构件的打印过程中，形状特征变化明显时，熔池温度变化明显，成形高度波动较大。此时，应该在基准参数的基础上进行，实时在线调节，将熔池温度的波动降至最小以保证成形高度的稳定性。最后得到成形高度比较均匀的复杂陶瓷结构件。