专利名称：智能化激光熔覆成型金属零件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属材料成型领域中的快速成型工艺，具体地说，是涉及一种用于激光熔覆成型金属零件过程的闭环控制方法。
二背景技术：
激光熔覆成型技术不用模具，能根据计算机三维立体模型经过单一工序快速地制造出形 状结构复杂的全密度、高性能金属零件。在成型过程中用激光束加热熔化金属粉末并在基板 或工件上形成熔池，根据三维立体模型，逐层融合堆积金属，最后形成一个零件。这种技术 能大大縮短新产品开发到投入市场的时间，大大降低产品加工成本，特别适合现代企业生产 快速、柔性、多样化、个性化发展的特点，在新型汽车制造、航空航天、仪器仪表、医疗卫 生、国防军工的高性能特种零件以及民用高精尖零件的制造领域，尤其是用常规方法很难加 工的梯度功能材料、超硬材料和金属间化合物材料零件的快速制造将具有极其广阔的应用前景。
但是目前激光熔覆成型的零件质量还不稳定，制件还必须进行后续的机械加工才能得到 满足用户要求的精度和粗糙度，以致于这种技术的优越性被削弱，使它还不能得到推广应用。
对于这一问题，目前主要采用两种措施，即采用激光熔覆闭环控制系统或激光熔覆成型 与铣(磨)削组合系统。前者存在控制滞后和受制于计算模型精确性的问题，后者需要添加 铣(磨)削设备，效率低，而且对于复杂零件的成型能力有限。总的来看，激光熔覆成型制 件质量控制的效果还不是很明显。
智能控制系统中最常用的是专家系统。专家系统包括知识库、推理机、综合数据库、人 机接口、解释程序以及知识获取程序等六个部分，能够对一些复杂的过程进行很好的控制。
三
发明内容
激光熔覆成型的制件质量不稳定的原因是在成型过程中，工艺参数容易波动，使在某处 形成的熔覆痕迹(熔覆带)的大小、形状发生不希望的变化；而且，在随后的熔覆中，己有
的缺陷会扩大，使凸的地方更凸，凹的地方更凹，厚的部分变得更厚，薄的部分变得更薄， 导致制件精度和粗糙度不符合要求，甚至难以最终成型一个完整的零件。而激光熔覆成型的 工艺参数与熔覆带特性参数之间的关系复杂、解析模型难以建立，在现有的控制系统中对某 些工艺参数的控制存在滞后问题，等等，增加了制件质量控制的难度。本专利解决这些问题， 实现材料的快速、短流程成型，即一步成型致密金属零件。
本专利把智能技术融合于激光熔覆成型技术中，主要是采用专家系统对激光熔覆成型过 程进行在线的闭环检测与控制。专家系统根据实时检测到的熔池前方和后方熔覆带的特性参 数、CAD模型确定的目标熔覆带特性参数，运用知识库中已有的知识和综合数据库中的计算 模型，进行诊断、推理，实时调节工艺参数、控制熔覆成型过程，并实时更新知识库和综合 数据库。采用的专家系统的知识库中每条记录(知识)必须包括各工艺参数、零件材料热 物理参数、零件结构尺寸参数、基底材料热物理参数与结构尺寸、熔覆带特性参数及其在工 件中的部位，应该按零件材料、零件结构尺寸、激光种类等进行分类。除了材料热物理参数、 由CAD模型确定的零件结构尺寸等数据外，知识来源于成型过程中检测得到的数据，系统紧 靠激光工作头采用两个以上的多个传感器，传感器视场覆盖熔池四周的较大范围，对熔池的 前、后方的熔覆带特性(工件表面凹凸点、熔覆带宽度等参数)都进行实时监测(有两个以 上的检测模块)；熔池后方实时检测到的结果与其对应的工艺参数、熔覆该层前对应部位的 熔覆带特性参数等一起为知识库提供新的数据；同时，知识库中原有的数据可能被更新。这 就是"自学型"的"知识获取"。在成型过程中结合激光扫描方向，由程序辨别、选取分别 表示熔池前、后方的熔覆带特性信号，把熔池前方的实时检测结果与在该处的后续熔覆带的 目标特性参数、当前工艺参数、知识库中的记录等结合起来，进行"诊断"，决定如何调节 工艺参数，即决定用知识库中现成的数据还是用模型计算新的工艺参数，这相当于"推理机" 的作用。而综合数据库中则主要存放着与计算模型有关的数据(如系数、适用条件数据等等)， 系统能够根据预期的熔覆目标与实际的熔覆结果之间的对比分析，及时修正控制模型，是"自 适应型"的。而这里的人机接口、解释程序则与初始数据、CAD模型的输入、问题显示等有 关了。
实施本专利后，相对于现有的控制技术，可以减少因为计算模型不准确而导致的误差，并能实时地根据即将熔覆部位的特性而调节工艺参数，减小甚至避免控制滞后，达到良好的 控制效果；相对于激光熔覆成型与铣(磨)削组合的系统，由于专家系统能够有效地控制熔 覆过程，因而不需要安装铣(磨)削设备，提高生产效率和制件质量以及对复杂零件的成型 能力。
四
图1为智能化过程检测与控制流程图。
五具体实施例方式
结合图l，具体实施过程如下
1) 在激光熔覆成型开始前，(1)安装好检测、控制装置，向系统中输入与计算模型有关 的数据和检测、控制程序，使图1所示的各个模块能够正常工作；(2)用户输入零件的CAD 模型、材料热物理参数和环境参数等。
2) 在激光熔覆成型过程中，由系统自动进行如下工作(1)根据由CAD模型确定的熔覆
目标和检测模块1对当前熔池前方的熔覆带特性(工件表面凹凸点、熔覆带宽度等参数)实
时检测的结果，推理判断是否可用知识库中的数据来调节即将进行的熔覆工作的工艺参数； (2)如果可用知识库中的数据，则直接按知识库中的数据调节工艺参数，如果不可用知识库 中的数据，则调用综合数据库中的计算模型，参考相近的工艺条件，计算出新的工艺参数， 并向执行模块发出控制指令；(3)检测模块2对熔池后方的熔覆带特性(工件表面凹凸点、 熔覆带宽度等参数)进行检测，其结果与其对应的工艺参数、熔覆该层前对应部位的熔覆带 特性参数一起作为数据库中一条新的数据记录存储；(4)同时，把检测模块2检测到的熔池 后方的熔覆带特性与由CAD模型确定的熔覆目标进行比较，如果在误差范围内，就不用修正 计算模型，如果不在误差范围内，则必须对计算模型进行修正，修正后的结果保存在综合数 据库中，并且把问题在显示设备上显示出来；(5)进入下一个循环，直到成型一个完整的致 密金属零件。
权利要求
1、一种成型零件过程中的闭环控制方法，应用智能化的专家系统实时控制激光熔覆成型金属零件的过程，其特征是专家系统根据实时检测到的熔池前方和后方熔覆带的特性参数、CAD模型确定的目标熔覆带特性参数，运用知识库中已有的知识和综合数据库中的计算模型，进行诊断、推理，实时调节工艺参数、控制熔覆成型过程，并实时更新知识库和综合数据库。
2、 根据权利要求l所述的成型零件过程中的闭环控制方法，其特征是模型计算与检索知识 库中知识(实际成型的经验数据)相结合，共同提供过程控制所需的数据。
3、 根据权利要求1所述的成型零件过程中的闭环控制方法，其特征是知识库中数据(知识) 的补充与更新主要在成型过程中进行，实时检测到的熔覆带特性参数、对应的工艺参数等 是知识库的数据源。
4、 根据权利要求l所述的成型零件过程中的闭环控制方法，其特征是综合数据库中存放着 与计算模型有关的系数、适用条件等数据，与知识库中的知识一样，综合数据库中的数据 也进行实时更新与补充。
5、 根据权利要求l所述的成型零件过程中的闭环控制方法，其特征是成型过程中对熔池前 后的熔覆带特性信息同时进行检测，经过数据转换与分析，系统分别及时得到控制前状态 和控制效果。
全文摘要
一种应用专家系统实时检测与控制激光熔覆成型金属零件过程的智能化的闭环控制方法。专家系统根据实时检测到的熔池前方和后方熔覆带的特性参数、CAD模型确定的目标熔覆带特性参数，运用知识库中已有的知识和综合数据库中的计算模型，进行诊断、推理，实时调节工艺参数、控制熔覆成型过程，并实时更新知识库和综合数据库。这种智能化的闭环控制系统可以减少因为计算模型不准确而导致的误差，并能实时地根据即将熔覆部位的特性调节工艺参数，减小甚至避免控制滞后，达到良好的控制效果；也不需要安装铣(磨)削设备，提高了生产效率和制件质量以及对复杂零件的成型能力。
文档编号B22F3/105GK101199994SQ20061013687
公开日2008年6月18日 申请日期2006年12月15日 优先权日2006年12月15日
发明者刘继常 申请人:湖南大学