用于激光快速成型设备的铺粉精确控制装置及方法与流程

本发明属于激光快速成型、激光测量领域，特别是涉及一种用于激光快速成型设备的铺粉精确控制装置及方法。

背景技术：

快速成型，是采用“分层制造，叠加成型”原理的一种快速制造方式。它通过计算机软件辅助，将设计好的零件进行一系列数字“切片”，并将这些切片信息传送到成型设备上，按“分层切片”由下至上将材料连续堆叠起来并固化，直到一个固态物体成型。

与传统制造工艺相比，快速成型技术能够按照设计，无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体，容易实现个性化定制加工；部件设计不需要再依赖于加工工艺能否实现；可以一次成型，快速制造，省去了传统工艺的多道工序，缩短了产品的生产周期，提高了生产率；采用增量法而非传统的减量法，节省了原料，基本没有废弃物产生，为制造业革命带来了新的活力。

随着激光技术的发展，利用激光为加工工具的激光快速成型设备逐渐成为了研究热点。激光快速成型技术，是利用在高能激光作用下，金属粉末快速熔融，经散热冷却后快速固化的原理，层层累积成型出三维实体的快速成型技术。根据计算机软件对模型的分层切片信息，激光束在扫描系统控制下作用于待成型区域内的粉末，一层扫描完毕后，铺粉基板下降一个层厚距离，送粉系统和铺粉刮刀铺展一层厚的粉末沉积于已成型层之上，重复上述成型过程，直至所有三维模型的切片层全部扫描完毕，去除多余粉末后，获得成型金属零件。

激光快速成型设备属于精密加工设备，对激光参数、自动化程度、机械运动精度、加工环境及人机交互功能具有很高的要求。设备以金属粉末为原材料，铺粉精度对加工零件精度有重要影响。受运动控制器精度、机械运动结构回程差及粉末粒径等多种因素的影响，如何提高和控制激光快速成型设备铺粉精度一直以来都是困扰研究者的难题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题：提供一种用于激光快速成型设备的铺粉精确控制装置及方法，可用于激光快速成型设备送粉与铺粉过程并精确控制粉层厚度，进而提高激光快速成型设备加工零件的精度。

本发明采用的技术方案：

本发明提出了一种用于激光快速成型设备的铺粉精确控制装置，其特征是：包括刮刀运动控制器、刮刀高度调节器、铺粉刮刀、激光位移传感器、导轨、成型缸、铺粉基板、铺粉基板运动控制器、送粉缸、送粉基板、送粉基板运动控制器、回收缸、成型面板及支撑板，所述刮刀运动控制器为直线运动控制器并在电流控制下沿导轨往复运动；所述刮刀高度调节器下表面通过螺丝与刮刀运动控制器上表面连接；所述铺粉刮刀横截面为l形，其通过螺丝与刮刀高度调节器上表面连接；所述激光位移传感器通过螺丝与铺粉刮刀连接；所述导轨通过螺丝安装在成型面板上表面；所述铺粉基板运动控制器的上端通过螺丝与铺粉基板连接；所述送粉基板运动控制器的上端通过螺丝与送粉基板连接；所述铺粉基板设置在成型缸内，且铺粉基板边缘通过润滑介质与成型缸的缸壁接触，其沿成型缸的缸壁上下运动；所述送粉基板设置在送粉缸内，送粉基板边缘通过润滑介质与送粉缸的缸壁接触，其沿送粉缸的缸壁上下运动；所述成型缸、送粉缸及回收缸上沿与铺粉面板上表面平齐，成型缸、送粉缸及回收缸均与成型面板连接，其中回收缸与成型面板为拆卸式紧固连接；所述铺粉基板运动控制器及送粉基板运动控制器分别通过螺丝与支撑板连接；

其中刮刀运动控制器、刮刀高度调节器、激光位移传感器、铺粉基板运动控制器及送粉基板运动控制器均与工控机连接。

进一步，所述刮刀运动控制器为电动滑台，运动速度为100mm/s。

进一步，所述激光位移传感器为高精度位移传感器，测试精度<1μm。

进一步，所述铺粉缸和送粉缸焊接在铺粉面板上。

进一步，所述铺粉缸和送粉缸通过螺丝连接在铺粉面板上。

进一步，所述铺粉缸和送粉缸分别与铺粉面板卡扣连接。

进一步，所述铺粉基板运动控制器和送粉基板运动控制器为电缸，运动精度<10μm。

进一步，所述回收缸与成型面板通过螺丝连接。

进一步，所述回收缸与成型面板卡扣连接。

本发明还提出了一种用于激光快速成型设备的铺粉精确控制方法，其特征是：采用上述用于激光快速成型设备的铺粉精确控制装置，导轨的一端为送粉端，导轨的另一端为收粉端，具体包括以下步骤：

步骤一、预先设定初始位置，铺粉刮刀初始位置位于导轨的送粉端；铺粉基板与成型面板平齐；送粉基板位于送粉缸的底部；送粉缸内盛满金属粉末，且金属粉末顶端与铺粉刮刀下端刀刃平齐；

步骤二、铺粉基板在铺粉基板运动控制器的控制下沿成型缸的缸壁下降一定距离h1，使铺粉基板上表面与铺粉刮刀下端刀刃具有预定垂直距离h2；铺粉刮刀此时在刮刀运动控制器的控制下沿导轨从送粉端向收粉端移动，铺粉刮刀位于铺粉基板上方时，激光位移传感器测量铺粉刮刀下端刀刃与铺粉基板上表面实际距离，并将测得的实际距离和预定垂直距离h2之间的误差信息传递给工控机，工控机接收误差信息经计算分析后将误差信息反馈给铺粉基板运动控制器，同时向铺粉基板运动控制器发送推动铺粉基板上下移动的操作指令，铺粉基板运动控制器接收工控机向其发送的误差信息及推动铺粉基板上下移动的操作指令，并执行，使铺粉刮刀与铺粉基板实际距离与预定垂直距离h2误差减小，铺粉刮刀此时在刮刀运动控制器的控制下沿导轨返回送粉端；铺粉刮刀在刮刀运动控制器的控制下沿导轨再次从送粉端向收粉端移动，铺粉刮刀位于铺粉基板上方时，激光位移传感器测量铺粉刮刀下端刀刃与铺粉基板上表面实际距离，重复上述过程，减小铺粉刮刀下端刀刃与铺粉基板实际距离与预定垂直距离h2误差；送粉基板在送粉基板运动控制器推动下向上移动一个距离，将金属粉末推出，铺粉刮刀此时在刮刀运动控制器的控制下沿导轨从送粉端向收粉端移动，将送粉基板推出的金属粉末刮到铺粉基板上，在铺粉基板上均匀地铺一层金属粉末，铺粉刮刀在刮刀运动控制器控制下沿导轨带动多余的金属粉末继续向收粉端移动，直至金属粉末落入回收缸；按照工艺要求，启动激光快速成型设备对铺粉基板上的金属粉末选择性扫描，金属粉末熔融，在铺粉基板上形成待加工的零件底层；

步骤三、铺粉基板在铺粉基板运动控制器的控制下沿成型缸的缸壁下降一定距离h1，铺粉刮刀在刮刀运动控制器控制下沿导轨从收粉端向送粉端移动，在位于铺粉基板上方时，激光位移传感器测量铺粉刮刀下端刀刃与铺粉基板上的金属粉末层上表面实际距离，并将测得的实际距离和步骤二中所述预定垂直距离h2误差信息传递给工控机；

步骤四、重复步骤一到步骤三，零件在成型缸中逐层加工成型，直至零件加工完成。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提出了一种用于激光快速成型设备的铺粉精确控制装置及方法，本发明可用于激光快速成型设备送粉与铺粉过程，采用激光位移传感器，精确测量铺粉刮刀与铺粉基板之间距离，可反馈给激光快速成型设备工控机，通过控制软件计算和传输指令，工控机控制刮刀运动控制器、刮刀高度调节器、铺粉基板运动控制器、送粉基板运动控制器，做出精确调整，消除成型运动机构回程差和铺粉基板厚度不同所带来的影响，从而精确控制粉层厚度，进而提高激光快速成型设备加工零件的精度。

附图说明

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明用于激光快速成型设备的铺粉精确控制装置侧视示意图。

图2为本发明用于激光快速成型设备的铺粉精确控制装置俯视示意图。

图中：1-刮刀运动控制器、2-刮刀高度调节器、3-铺粉刮刀、4-激光位移传感器、5-导轨、6-成型缸、7-铺粉基板、8-铺粉基板运动控制器、9-送粉缸、10-送粉基板、11-送粉基板运动控制器、12-回收缸、13-成型面板、14-支撑板。

具体实施方式

本发明提出了一种用于激光快速成型设备的铺粉精确控制装置，如图1及图2所示，包括刮刀运动控制器1、刮刀高度调节器2、铺粉刮刀3、激光位移传感器4、导轨5、成型缸6、铺粉基板7、铺粉基板运动控制器8、送粉缸9、送粉基板10、送粉基板运动控制器11、回收缸12、成型面板13及支撑板14，所述刮刀运动控制器1为直线运动控制器并在电流控制下沿导轨5往复运动；所述刮刀高度调节器2下表面通过螺丝与刮刀运动控制器1上表面连接；所述铺粉刮刀3横截面为l形，其通过螺丝与刮刀高度调节器2上表面连接；所述激光位移传感器4通过螺丝与铺粉刮刀3连接；所述导轨5通过螺丝安装在成型面板13上表面；所述铺粉基板运动控制器8的上端通过螺丝与铺粉基板7连接；所述送粉基板运动控制器11的上端通过螺丝与送粉基板10连接；所述铺粉基板7设置在成型缸6内，且铺粉基板7边缘通过润滑介质与成型缸6的缸壁接触，其沿成型缸6的缸壁上下运动；所述送粉基板10设置在送粉缸9内，送粉基板10边缘通过润滑介质与送粉缸9的缸壁接触，其沿送粉缸9的缸壁上下运动；所述成型缸6、送粉缸9及回收缸12上沿与铺粉面板13上表面平齐，成型缸6、送粉缸9及回收缸12均与成型面板13连接，其中回收缸12与成型面板13为拆卸式紧固连接；所述铺粉基板运动控制器8及送粉基板运动控制器11分别通过螺丝与支撑板14连接；

其中刮刀运动控制器1、刮刀高度调节器2、激光位移传感器4、铺粉基板运动控制器8及送粉基板运动控制器11均与工控机连接。

所述刮刀运动控制器1为电动滑台，运动速度为100mm/s。

所述激光位移传感器4为高精度位移传感器，测试精度<1μm。

所述铺粉缸6和送粉缸9焊接在铺粉面板13上。

所述铺粉缸6和送粉缸9通过螺丝连接在铺粉面板13上。

所述铺粉缸6和送粉缸9分别与铺粉面板13卡扣连接。

所述铺粉基板运动控制器8和送粉基板运动控制器11为电缸，运动精度<10μm。

所述回收缸12与成型面板13通过螺丝连接。

所述回收缸12与成型面板13卡扣连接。

所述成型面板13与激光快速成型设备支架连接，对刮刀运动控制器1、刮刀高度调节器2、铺粉刮刀3、激光位移传感器4、导轨5、成型缸6、送粉缸9及回收缸12起支撑作用。

所述支撑板14与激光快速成型设备支架连接，对铺粉基板7、铺粉基板运动控制器8、送粉基板10及送粉基板运动控制器11起支撑作用。

用于激光快速成型设备的铺粉精确控制方法，采用上述的用于激光快速成型设备的铺粉精确控制装置，其中导轨5的一端为送粉端，导轨5的另一端为收粉端，具体包括以下步骤：

步骤一、预先设定初始位置，铺粉刮刀3初始位置位于导轨5的送粉端；铺粉基板7与成型面板13平齐；送粉基板10位于送粉缸9的底部；送粉缸9内盛满金属粉末，通过调节刮刀高度调节器2，金属粉末顶端与铺粉刮刀3下端刀刃平齐；

步骤二、铺粉基板7在铺粉基板运动控制器8的控制下沿成型缸6的缸壁下降一定距离h1，使铺粉基板7上表面与铺粉刮刀3下端刀刃具有预定垂直距离h2；铺粉刮刀3此时在刮刀运动控制器1的控制下沿导轨5从送粉端向收粉端移动，铺粉刮刀3位于铺粉基板7上方时，激光位移传感器4测量铺粉刮刀3下端刀刃与铺粉基板7上表面实际距离，并将测得的实际距离和预定垂直距离h2之间的误差信息传递给工控机，工控机接收误差信息经计算分析后将误差信息反馈给铺粉基板运动控制器8，同时向铺粉基板运动控制器8发送推动铺粉基板7上下移动的操作指令，铺粉基板运动控制器8接收工控机向其发送的误差信息及推动铺粉基板7上下移动的操作指令，并执行，使铺粉刮刀3与铺粉基板7实际距离与预定垂直距离h2误差减小，铺粉刮刀3此时在刮刀运动控制器1的控制下沿导轨5返回送粉端；铺粉刮刀3在刮刀运动控制器1的控制下沿导轨5再次从送粉端向收粉端移动，铺粉刮刀3位于铺粉基板7上方时，激光位移传感器4测量铺粉刮刀3下端刀刃与铺粉基板7上表面实际距离，重复上述过程，减小铺粉刮刀3下端刀刃与铺粉基板7实际距离与预定垂直距离h2误差；送粉基板10在送粉基板运动控制器11推动下向上移动一个距离，将金属粉末推出，铺粉刮刀3此时在刮刀运动控制器1的控制下沿导轨5从送粉端向收粉端移动，将送粉基板10推出的金属粉末刮到铺粉基板7上，在铺粉基板7上均匀地铺一层金属粉末，铺粉刮刀3在刮刀运动控制器1控制下沿导轨5带动多余的金属粉末继续向收粉端移动，直至金属粉末落入回收缸12；按照工艺要求，启动激光快速成型设备对铺粉基板7上的金属粉末选择性扫描，金属粉末熔融，在铺粉基板7上形成待加工的零件底层；

步骤三、铺粉基板7在铺粉基板运动控制器8的控制下沿成型缸6的缸壁下降一定距离h1，铺粉刮刀3在刮刀运动控制器1控制下沿导轨5从收粉端向送粉端移动，在位于铺粉基板7上方时，激光位移传感器4测量铺粉刮刀3下端刀刃与铺粉基板7上的金属粉末层上表面实际距离，并将测得的实际距离和步骤二中所述预定垂直距离h2误差信息传递给工控机；

步骤四、重复步骤一到步骤三，零件在成型缸6中逐层加工成型，直至零件加工完成。

在上述加工过程中，工作开始时铺粉基板7上表面与铺粉刮刀3下端刀刃预定垂直距离h2与铺粉基板7每次下降的距离h1是重要的参数，通常情况下h1＝h2＝h，它的精度对铺粉厚度的精度具有重要影响，进而对零件的整体精度具有重要影响。

本发明实施例中h1＝h2＝h，采用激光位移传感器4控制h精度，进而对铺粉精度进行精确控制。激光位移传感器4与所述铺粉刮刀3采用螺丝连接，可精确测量铺粉刮刀3下端刀刃与铺粉基板7上表面距离，以及两者平行度，可将测量的信息传递给激光快速成型设备的工控机，通过软件计算和传输指令，通过铺粉基板运动控制器8控制铺粉基板7沿成型缸6上下精确移动，提高h精度。

所述激光位移传感器4还可在激光快速成型设备工作过程中，精确测铺粉刮刀3下端刀刃与所加工零件每一层成型面的距离，传递给工控机，由软件进行计算，动态调整每一层铺粉过程中铺粉基板7下降的距离h，精确控制铺粉精度，优化零件加工路径和方案，进一步提高零件加工精度。

通过上述方式，可用于激光快速成型设备送粉与铺粉过程并精确控制粉层厚度，进而提高激光快速成型设备加工零件的精度。

上述实施例仅为例示性说明本发明的方法和有益效果，而非用于限制本发明。任何熟悉此方法的人士均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修改。因此本发明的权利保护范围，应如申请专利范围所列。