本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域中的增材制造領(lǐng)域。具體來講是一種用于增材制造設(shè)備的控制系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的金屬3D打印技術(shù)按照送料形式的不同主要有金屬粉末3D打印技術(shù)、金屬送絲3D打印技術(shù)。而金屬粉末3D打印技術(shù)又細分為送粉式金屬3D打印技術(shù)以及鋪粉式金屬3D打印技術(shù)。相比于送粉式金屬3D打印技術(shù)，鋪粉式金屬3D打印技術(shù)更加成熟，現(xiàn)已小批量用于汽車、航空以及模具行業(yè)的生產(chǎn)制造。鋪粉式金屬3D打印技術(shù)的成熟得益于生產(chǎn)工藝的成熟，由此可見送粉式金屬3D打印技術(shù)未來的突破口更加傾向于生產(chǎn)工藝的突破。

由于送粉式金屬3D打印技術(shù)生產(chǎn)過程復(fù)雜，零件成型質(zhì)量影響因素眾多，各影響因子聯(lián)合控制比較困難，因此現(xiàn)階段該技術(shù)的生產(chǎn)工藝的控制多停留在開環(huán)控制。采用送粉式金屬3D打印技術(shù)成型零件的過程中，由于成型時間較長，導(dǎo)致設(shè)定的工藝參數(shù)隨著環(huán)境以及時間的變化而變化，由此導(dǎo)致成型零件材料性能偏低、零件表面形貌粗糙等不良現(xiàn)象。綜合分析送粉式金屬3D打印技術(shù)成型過程，可知采用送粉式金屬3D打印設(shè)備成型零件過程中熔覆寬度（以下簡稱“熔寬”,當(dāng)熔池沒有溢出的情況下，熔寬與熔池尺寸大小相同）的改變將會導(dǎo)致設(shè)定的搭接率（相鄰掃描道間重疊部分的大小占據(jù)單道掃描時熔覆寬度大小的比例）的變化，造成成型零件內(nèi)部出現(xiàn)孔隙、道與道間搭接不良等現(xiàn)象。間接造成成型零件力學(xué)性能低下等缺陷。

而現(xiàn)有的技術(shù)解決方法多采用后處理的方式消除零件成型過程中生產(chǎn)工藝參數(shù)變化帶來的不良影響。但是采用后處理的方式不僅僅增加企業(yè)的制造成本，同時使得產(chǎn)品的生產(chǎn)合格率得不到有效保障，因此急需一種方式能夠有效的控制生產(chǎn)工藝參數(shù)在成型過程中保持在設(shè)定的范圍之內(nèi)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種成型過程中搭接良好使成型產(chǎn)品具有穩(wěn)定力學(xué)性能的用于送粉式增材制造設(shè)備的控制系統(tǒng)及控制方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種用于送粉式增材制造設(shè)備的控制系統(tǒng)，所述增材制造設(shè)備包括送粉機構(gòu)、激光器以及送粉噴嘴，其特征在于：所述控制系統(tǒng)包括控制器、圖像采集裝置以及圖像處理器，所述圖像采集裝置用于獲取經(jīng)噴嘴出料在所述激光器作用下形成的熔池圖像；所述圖像處理器對所述圖像采集裝置采集的熔池圖像進行處理并得到熔池寬度；所述控制器根據(jù)所述處理器得到的熔池寬度與設(shè)定的熔池寬度進行比較，當(dāng)圖像處理器得到的熔池寬度大于設(shè)定的熔池寬度，則減小所述激光器的功率；當(dāng)圖像處理器得到的熔池寬度小于設(shè)定的熔池寬度，則增大所述激光器的功率，當(dāng)激光器的功率調(diào)整到極限功率仍不能滿足設(shè)定熔池寬度，則增加所述送粉機構(gòu)的送粉量。

所述控制器包括比較模塊、存儲模塊以及控制模塊，所述存儲模塊存儲所述同樣大小的激光光斑下不同搭接率對應(yīng)的熔池寬度的數(shù)據(jù)（對應(yīng)公式：λ= D/W,其中，λ為搭接率，D為相同工藝參數(shù)下兩個掃描道之間重疊部分的尺寸，W為同一工藝參數(shù)下單道熔池寬度），以及同樣大小的激光光斑下不同激光功率以及送粉量對應(yīng)的熔池尺寸的數(shù)據(jù)；所述比較模塊用于比較所述圖像處理模塊獲取的熔池寬度和存儲模塊存儲的熔池寬度；所述控制器根據(jù)比較模塊的比較結(jié)果和存儲模塊存儲的同樣大小的激光光斑下不同激光功率以及送粉量對應(yīng)的熔池尺寸的數(shù)據(jù)，控制所述激光器的輸出功率和送粉機構(gòu)的送粉量。

所述圖像處理器包括慮噪處理模塊以及圖像識別模塊，所述慮噪處理模塊對所述圖像采集裝置獲取的熔池圖像進行慮噪處理；所述圖像識別模塊根據(jù)慮噪處理的圖像進行識別得到熔池寬度。

所述圖像采集裝置為攝像模塊。

所述攝像模塊帶有濾鏡保護，且攝像模塊安裝在送粉噴嘴上并進行實時監(jiān)控。

所述控制器為工業(yè)控制計算機。

一種用于送粉式增材制造設(shè)備的控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、實時獲取激光作用在工件上的熔池圖像；

步驟二、對步驟一獲取的熔池圖像進行處理得到實時熔池寬度；

步驟三、將步驟二得到的熔池寬度與設(shè)定的熔池寬度進行比較，根據(jù)比較結(jié)果首先調(diào)整激光器的輸出功率，如果還沒滿足設(shè)定熔池寬度，則調(diào)整打印頭的送粉量。

所述步驟三的具體方法為：將步驟二獲取的當(dāng)前熔池寬度與設(shè)定搭接率對應(yīng)的熔寬寬度求差，當(dāng)差值為負數(shù)時，根據(jù)熔池寬度與激光功率及送粉量相關(guān)的數(shù)據(jù)獲取當(dāng)前送粉量下的極限功率；若當(dāng)前激光功率小于極限功率，則增大當(dāng)前激光功率直到當(dāng)前熔池尺寸達到設(shè)定的搭接率對應(yīng)的熔池寬度；若激光功率達到極限功率，則增加送粉量來增大當(dāng)前的熔池尺寸；當(dāng)差值為正時，減小當(dāng)前激光功率，直到當(dāng)前熔池寬度達到設(shè)定的搭接率對應(yīng)的熔池寬度。

通過大量工藝實驗，建立送粉式金屬增材制造技術(shù)中不同金屬材料成型過程中同樣大小的激光光斑下設(shè)置不同搭接率對應(yīng)的熔池尺寸的數(shù)據(jù)庫，并擬合成相應(yīng)的曲線(如圖1所示)。

通過大量工藝實驗，建立送粉式金屬增材制造技術(shù)中不同金屬材料成型過程中同樣大小的激光光斑下不同激光功率對應(yīng)的熔池尺寸數(shù)據(jù)庫以及相同激光功率下不同送粉量對應(yīng)的熔覆寬度數(shù)據(jù)庫，并擬合成相應(yīng)的曲線（如圖2、3所示）。

在送粉式金屬增材制造設(shè)備的送粉噴嘴上安裝帶有濾鏡保護的攝像模塊，實時將采集的視頻通過數(shù)據(jù)線傳輸給送粉式金屬增材制造設(shè)備配套的工業(yè)控制計算機。工業(yè)控制計算機接受到數(shù)據(jù)后，對采集的圖像進行識別，計算出當(dāng)前熔池的尺寸。并將計算出的熔池尺寸與設(shè)定的搭接率對應(yīng)的熔池大小進行比較。

當(dāng)“計算出的熔池尺寸”與“設(shè)定的搭接率對應(yīng)的熔池尺寸”的絕對差值超出設(shè)定的閾值時，則通過優(yōu)先調(diào)節(jié)激光功率的大小、其次調(diào)節(jié)送粉量的方式來改變當(dāng)前熔池的大小。

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明實現(xiàn)了送粉式金屬增材制造技術(shù)加工過程中熔池尺寸的閉環(huán)控制，可以有效的避免成型過程中由于外部因素的影響導(dǎo)致熔池尺寸的變化進而引起的搭接率的改變的現(xiàn)象。

附圖說明

圖1 為搭接率與熔寬的曲線示意圖。

圖2 為熔池寬度與激光功率的曲線示意圖。

圖3 為熔寬與送粉量的曲線示意圖。

圖4為該控制系統(tǒng)的工作流程圖。

圖5為本發(fā)明控制系統(tǒng)與送粉是金屬3D打印設(shè)備連接示意圖。

其中，1為工業(yè)控制計算機，2為數(shù)據(jù)線，3為送粉噴嘴，4為攝像模塊，5為反光鏡，6為激光光束，7為成型零件，8為工作臺，11為圖像處理器，12為存儲模塊，13為比較模塊，14為控制模塊，15為激光器控制系統(tǒng)。

具體實施方式

下面結(jié)合圖4、圖5對具體的實施過程做進一步的闡述：

圖4所示為該控制系統(tǒng)工作流程圖。本發(fā)明一種用于送粉式增材制造設(shè)備的控制系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于如3D激光打印等增材制造設(shè)備中，圖中包含工業(yè)控制計算機1，攝像模塊4，圖像處理器11，存儲模塊12，比較模塊13，激光器控制系統(tǒng)15。圖5所示為該閉環(huán)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖，包含工業(yè)控制計算機1，數(shù)據(jù)線2，送粉噴嘴3，攝像模塊4，反光鏡5，激光光束6，成型零件7，工作臺8。

如圖5所示，在送粉噴嘴3內(nèi)部裝有反光鏡5與攝像模塊4，加工過程中熔池場景通過送粉噴嘴3內(nèi)部的反光鏡5將圖像反射至攝像模塊4（如圖5中虛線表示的反射示意圖）。攝像模塊4將采集的熔池圖像通過數(shù)據(jù)線2傳送至工業(yè)控制計算機1。如圖4所示，工業(yè)控制計算機1（控制器）將接受的熔池圖像數(shù)據(jù)交由內(nèi)部的圖像處理器11處理，圖像處理器11對接受的圖像數(shù)據(jù)進行慮噪處理，并進行圖像識別，計算出當(dāng)前熔池的尺寸，然后將尺寸數(shù)據(jù)返回給工業(yè)控制計算機1。

工業(yè)控制計算機1從存儲模塊12中的數(shù)據(jù)庫內(nèi)讀取設(shè)定搭接率對應(yīng)的熔寬。然后將讀取的熔寬值與計算出的當(dāng)前熔池的尺寸值一起發(fā)送給比較模塊13。比較模塊13對接受的兩個不同的數(shù)字求差，并將差值傳遞給工業(yè)控制計算機1。

工業(yè)控制計算機1將接受的差值發(fā)送給控制模塊14，控制模塊14對接受的差值進行處理。當(dāng)差值為負數(shù)時，則可知當(dāng)前熔池的尺寸偏小，則通過工業(yè)控制計算機1查詢存儲模塊12中存放的熔池尺寸與激光功率及送粉量相關(guān)的數(shù)據(jù)庫獲取當(dāng)前送粉量下的極限功率（注：送粉量恒定時，熔池的尺寸隨著激光功率的增大會先增大而后逐漸穩(wěn)定，而穩(wěn)定后的激光功率即為極限功率）。若當(dāng)前激光功率小于極限功率，則通過激光器控制系統(tǒng)15增大當(dāng)前激光功率直到當(dāng)前熔池尺寸達到設(shè)定的搭接率對應(yīng)的熔寬的大小。若激光功率達到極限功率，則通過激光器控制系統(tǒng)15增加送粉量來增大當(dāng)前的熔池尺寸。當(dāng)差值為正時，可知當(dāng)前熔池的尺寸偏大，只需減小當(dāng)前激光功率即可，直到當(dāng)前熔池尺寸達到設(shè)定的搭接率對應(yīng)的熔寬的大小。

圖1 為搭接率與熔寬的曲線示意圖，橫坐標(biāo)為W（熔池寬度），縱坐標(biāo)為λ（搭接率），可知隨著熔池寬度的增大，搭接率逐漸變小。圖2 為熔池寬度（W）與激光功率（P）的曲線示意圖。圖2中原點到虛線之間的部分，有激光功率尚不能完全熔覆熔池中的粉末，因此熔寬隨著激光功率的增大而增大；虛線之后，激光功率能夠完全融化熔池中的粉末，且出現(xiàn)功率冗余現(xiàn)象，因此熔寬趨于穩(wěn)定。此時，取虛線所在位置為極限功率值。

圖3 為熔池寬度（W）與送粉量(Q)的曲線示意圖。當(dāng)激光功率一定時，圖3中坐標(biāo)原點到第一個虛線之間由于送入熔池中的粉末能夠完全融入熔池內(nèi)，因此該部分熔寬與熔池寬度一樣保持不變；第一個虛線與第二個虛線之間，隨著送粉量的增大，送入的粉末都能被激光輸入的能量融化，而熔池的大小由于激光功率恒定后不會隨之改變，因此多出的金屬溶液溢出熔池，最終導(dǎo)致熔寬增大；第二個虛線到X坐標(biāo)軸的正無窮方向，由于送入的金屬粉末超出了激光輸入能量所能融化的粉末量，因此該部分會隨著送粉量的加大，熔寬趨于穩(wěn)定。

在采用送粉式金屬3D打印技術(shù)成型過程中，持續(xù)采集熔池的圖像并對激光功率與送粉量進行調(diào)節(jié)，達到成型過程中的閉環(huán)控制。