激光沉积层的厚度监测装置、调节方法和激光沉积设备与流程

1.本发明涉及激光沉积制造技术领域，尤其涉及一种激光沉积层的厚度监测装置、调节方法和激光沉积设备。


背景技术：

2.在激光沉积制造中，激光沉积制造为非接触式，即，送粉头和沉积层之间具有间距。每个沉积层的成形厚度将会影响到整个沉积层的厚度和质量，进而影响到沉积制造制件的质量。
3.沉积层的成形厚度受多种因素影响，包括送粉量、送粉头与当前沉积层之间的距离、以及沉积层自身的翘曲变形等因素。在实际生产中，送粉量发生浮动会影响当前沉积层的成形厚度；送粉头与当前沉积层之间的距离偏大时，当前沉积层的成形厚度也偏大，反之，当前沉积层的成形厚度偏小；沉积层成形后发生翘曲会导致沉积层的厚度变大，进而影响整体沉积层的厚度。因此，需要及时监测和调整每个沉积层的成形厚度。
4.现有技术中，可以通过调节送粉头与当前沉积层之间的距离(即调节送粉头的高度)来调节沉积层的成形厚度，用于抵消因送粉量浮动和沉积层翘曲所造成的沉积层厚度的变化量，进而得到具有合格厚度的整体沉积层。但现有技术中，送粉头和当前沉积层之间的距离是依靠人眼判断的，误差较大。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种激光沉积层的厚度监测装置、调节方法和激光沉积设备，该厚度监测装置能够用来判断当前沉积层的实际成形厚度，以便于调节后续沉积层的成形厚度。
6.本发明提供的激光沉积层的厚度监测装置，包括发射升降组件、接收升降组件、光线发射单元、光线接收单元和控制器，其中，光线发射单元安装在发射升降组件上，用于发射在沉积层的厚度方向上具有预设尺寸的检测光束；光线接收单元安装在接收升降组件上，用于接收检测光束，并检测接收到的检测光束在沉积层厚度方向上的尺寸；发射升降组件和接收升降组件分别位于激光沉积设备的成形平台的相对两侧；发射升降组件用于带动光线发射单元沿沉积层的厚度方向升降；接收升降组件用于带动光线接收单元沿沉积层的厚度方向升降；发射升降组件、接收升降组件、光线发射单元和光线接收单元均与控制器电连接。
7.通过上述技术方案，可以利用光线的直线传播原理，在控制器的作用下，使光线发射单元和光线接收单元跟随沉积层的累加而同步上升，并使沉积层能够遮挡部分检测光束，然后根据光线接收单元接收到的检测光束在沉积层厚度方向上的实际尺寸，与被遮挡后的理论尺寸(即在当前沉积层是预设厚度值的情况下获得的被遮挡后尺寸，也即下文描述的校准尺寸)之间的差值，来判断当前沉积层的实际成形厚度。
8.具体的，采用该厚度监测装置时，第一步，使光线发射单元的发射窗口和光线接收
单元的接收窗口对准，以使得光线接收单元接收到的检测光束在沉积层的厚度方向上的尺寸等于预设尺寸；第二步，将光线发射单元和光线接收单元同步下降至校准位置，在校准位置，检测光束的一部分被成形平台遮挡，光线接收单元接收到的检测光束在沉积层的厚度方向上的尺寸为校准尺寸，校准尺寸小于预设尺寸；第三步，开始进行激光沉积，每形成一个当前沉积层后，使光线发射单元和光线接收单元同步上升预设距离，预设距离为当前沉积层的预设厚度值；或者，第三步为，先使光线发射单元和光线接收单元同步上升预设距离，然后再形成一个当前沉积层；第四步，使光线发射单元发射检测光束，光线接收单元将接收的检测光束的实时尺寸发送给控制器。控制器计算实时尺寸和校准尺寸之间的差值，将该差值与当前沉积层的预设厚度值进行比较，就可以换算出当前沉积层的实际厚度值，从而实现对激光沉积层的厚度监测。
9.综上可知，本发明提供的激光沉积层的厚度监测装置能够准确监测每个沉积层的厚度变化情况。
附图说明
10.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
11.图1为本发明实施例提供的一种激光沉积设备的示意图；
12.图2为本发明实施例提供的一种激光沉积层的厚度调节方法流程图。
13.附图标记：
14.1-发射升降组件，2-接收升降组件，3-光线发射单元，4-光线接收单元，
15.5-成形平台，6-沉积层，71-第一固定座，72-第二固定座，81-第一插接块，82-第二插接块。
具体实施方式
16.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
17.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
18.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
19.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
20.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相
连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
21.在激光沉积制造中，每个沉积层6的成形厚度关系到沉积制造制件的质量。每个沉积层6均具有一个预设厚度值，该预设厚度值是理论设计值。实际生产中，存在多种与成形厚度直接相关的变量因素，因此，沉积层6的厚度可能小于或大于预设厚度值。及时发现沉积层6的厚度变化，并做相应调整，是形成一个良好的沉积制造制件的重要条件之一。因此，第一方面，本发明提供一种激光沉积层6的厚度监测装置，用于激光沉设备，以便于准确监测每个沉积层6的厚度变化情况。
22.本发明提供的激光沉积层6的厚度监测装置包括发射升降组件1、接收升降组件2、光线发射单元3、光线接收单元4和控制器，其中，光线发射单元3安装在发射升降组件1上，用于发射在沉积层6的厚度方向上具有预设尺寸的检测光束；光线接收单元4安装在接收升降组件2上，用于接收检测光束，并检测接收到的检测光束在沉积层6厚度方向上的尺寸；发射升降组件1和接收升降组件2分别位于激光沉积设备的成形平台5的相对两侧；发射升降组件1用于带动光线发射单元3沿沉积层6的厚度方向升降；接收升降组件2用于带动光线接收单元4沿沉积层6的厚度方向升降；发射升降组件1、接收升降组件2、光线发射单元3和光线接收单元4均与控制器电连接。
23.通过上述技术方案，可以利用光线的直线传播原理，在控制器的作用下，使光线发射单元3和光线接收单元4跟随沉积层6的累加而同步上升，并使沉积层6能够遮挡部分检测光束，然后根据光线接收单元4接收到的检测光束在沉积层6厚度方向上的实际尺寸，与被遮挡后的理论尺寸(即在当前沉积层6是预设厚度值的情况下获得的被遮挡后尺寸，也即下文描述的校准尺寸)之间的差值，来判断当前沉积层6的实际成形厚度。
24.具体的，采用该厚度监测装置时，第一步，使光线发射单元3的发射窗口和光线接收单元4的接收窗口对准，以使得光线接收单元4接收到的检测光束在沉积层6的厚度方向上的尺寸等于预设尺寸；第二步，将光线发射单元3和光线接收单元4同步下降至校准位置，在校准位置，检测光束的一部分被成形平台5遮挡，光线接收单元4接收到的检测光束在沉积层6的厚度方向上的尺寸为校准尺寸，校准尺寸小于预设尺寸；第三步，开始进行激光沉积，每形成一个当前沉积层6后，使光线发射单元3和光线接收单元4同步上升预设距离，预设距离为当前沉积层6的预设厚度值；或者，第三步为，先使光线发射单元3和光线接收单元4同步上升预设距离，然后再形成一个当前沉积层6；第四步，使光线发射单元3发射检测光束，光线接收单元4将接收的检测光束的实时尺寸发送给控制器。控制器计算实时尺寸和校准尺寸之间的差值，将该差值与当前沉积层6的预设厚度值进行比较，就可以换算出当前沉积层6的实际厚度值，从而实现对激光沉积层6的厚度监测。
25.其中，实时尺寸和校准尺寸之间的差值可以是负数、正数或零。当差值为负数时，说明实时尺寸小，当前沉积层6相较于预设厚度值偏大，遮挡了较多的检测光束，需要进行调整以使得下一个沉积层6厚度小于当前沉积层6的厚度。反之，当差值为正数时，说明实时尺寸大，当前沉积层6相较于预设厚度值偏小。当差值为零时，说明当前沉积层6的厚度为预设厚度值。
26.综上可知，本发明提供的激光沉积层6的厚度监测装置能够准确监测每个沉积层6的厚度变化情况。
27.在一种可能的实现方式中，检测光束可以为激光或红外线。可以利用激光和红外线的准直性好、穿透性强的优点，实现检测光束能够被光线接收单元4准确接收的目的。相应的，光线发射单元3可以是激光发射器或红外线发射器，光线接收单元4对应可以是激光接收器或红外线接收器。
28.在一种可能的实施例中，发射升降组件1可以包括第一气缸和第一活塞杆，光线发射单元3安装在第一活塞杆上。光线发射单元3跟随第一活塞杆上升或下降。
29.在一种可能的实施例中，接收升降组件2可以包括第二气缸和第二活塞杆，光线接收单元4安装在第二活塞杆上。
30.其中，需要使控制器精确控制第一活塞杆每一次的运动行程和第二活塞杆每一次的运动行程，以降低获得的实时尺寸的误差，进而能够准确获得当前沉积层6的实际厚度值。
31.在一种可能的实施例中，发射升降组件1可以为电动推杆，接收升降组件2也可以为电动推杆。电动推杆是一种直线执行机构，具有良好的直线运动能力，且可以更加精确地控制运动行程，利于降低获得的实时尺寸的误差，进而能够准确获得当前沉积层6的实际厚度值。当发射升降组件1和接收升降组件2均为电动推杆时，发射升降组件1和接收升降组件2可以分别带动光线发射单元3、光线接收单元4沿着沉积层6的厚度方向同步运动，使得光线接收单元4能够准确接收到检测光束。
32.在一种可能的实现方式中，发射升降组件1可拆卸地安装在激光沉积设备上，以便于根据需要进行安装或从激光沉积设备上拆下。发射升降组件1可以安装在激光沉积设备的成形平台5相对两侧。
33.在一种示例中，厚度监测装置还包括第一插接块81和第一固定座71，第一固定座71具有与第一插接块81相配合的第一插接槽，第一插接块81连接在发射升降组件1底部，第一固定座71安装在激光沉积设备上。其中，第一固定座71可以安装在成形平台5上，利用相配合的第一插接块81和第一插接槽，实现第一插接块81和第一固定座71之间的快速拆装，从而实现了发射升降组件1可拆卸地安装在激光沉积设备上。
34.在一种可能的实现方式中，接收升降组件2可拆卸地安装在激光沉积设备上，以便于根据需要安装在激光沉积设备上，或者从激光沉积设备上拆下。接收升降组件2可以安装在激光沉积设备的成形平台5上。
35.在一种示例中，厚度监测装置还包括第二插接块82和第二固定座72，第二固定座72具有与第二插接块82相配合的第二插接槽，第一插接块81连接在接收升降组件2底部，第二固定座72安装在激光沉积成形设备上。其中，第二固定座72可以安装在成形平台5上，利用相配合的第二插接块82和第二插接槽，实现第二插接块82和第二固定座72之间的快速拆装，从而实现了接收升降组件2可拆卸地安装在激光沉积设备上。
36.其中，成形平台5具有成形区域，发射升降组件1和接收升降组件2可以分别位于成形区域的相对两侧，以便于准确监测沉积层6的成形厚度。
37.第二方面，本发明还提供一种激光沉积设备，该激光沉积设备包括成形平台5、送粉头和上述的激光沉积层6的厚度监测装置，激光沉积层6形成在成形平台5上，送粉头能够
沿沉积层6的厚度方向上升或下降，送粉头和控制器电连接。
38.基于上述厚度监测装置的有益效果，本发明提供的激光沉积设备不仅可以在生产过程中，实时监测每个沉积层6的实际成形厚度，还可以根据监测到的厚度信息，及时调整相应参数，例如送粉头的送粉高度(也就是送粉头与当前沉积层6之间的间距)，以便于调节后续沉积层6的成形厚度。
39.第三方面，为了调节后续沉积层6的成形厚度，基于上述激光沉积设备，本发明还提供一种激光沉积层6的厚度调节方法，该厚度调节方法包括：
40.步骤s1：将光线发射单元3的发射窗口和光线接收单元4的接收窗口对准，使光线接收单元4接收到的检测光束在沉积层6的厚度方向上的尺寸等于预设尺寸。也就是说，在开启激光沉积设备进行沉积之前，先将光线发射单元3和光线接收单元4对准，以便于进行步骤s2中的校准。
41.步骤s2：将光线发射单元3和光线接收单元4同步下降至校准位置，在校准位置，检测光束的一部分被成形平台5遮挡，光线接收单元4接收到的检测光束在沉积层6的厚度方向上的尺寸为校准尺寸，校准尺寸小于预设尺寸。通过该步骤，确定了光线发射单元3和成形平台5的相对位置，以及光线接收单元4和成形平台5的相对位置，从而可以精确控制光线发射单元3和光线接收单元4相对于成形平台5的上升或下降距离，以便于在下一步骤s3中，使光线发射单元3和光线接收单元4从校准位置开始跟随沉积层6的累加而逐步上升。
42.需要注意的是，可以根据生产经验获得沉积层6的实际厚度值的最小值和最大值，来设定校准尺寸和预设尺寸，以避免在光线发射单元3和光线接收单元4跟随沉积层6同步上升时出现两种极端情况。第一种极端情况是，检测光束完全被沉积层6遮挡，光线接收单元4接收不到检测光束。第二种极端情况是，沉积层6无法遮挡部分检测光束的情况，光线接收单元4接收到的检测光束实时尺寸等于预设尺寸。因此，在一种示例中，校准尺寸可以大于或等于三分之一的预设尺寸，并且小于或等于三分之二的预设尺寸。也就是说，至少三分之一的检测光束，且至多三分之二的检测光束能够被成形平台5遮挡。
43.步骤s3：启动送粉头进行激光沉积，每当送粉头完成一次送粉，成形平台5上就形成一层沉积层6，可以成该沉积层6为当前沉积层6，在进行下次送粉前，送粉头停顿预设时间，在该预设时间内，可以使得使光线发射单元3和光线接收单元4同步上升预设距离，预设距离为当前沉积层6的预设厚度值(也就是理论上设计的当前沉积层6的厚度值)。
44.或者，也可以在送粉头每次送粉前，使光线发射单元3和光线接收单元4同步上升预设距离。这样，使得光线发射单元3和光线接收单元4均跟随当前沉积层6上升，以便于在步骤s4中检测当前沉积成的实际厚度值与预设厚度值之间的差距。
45.步骤s4：光线接收单元4将接收的检测光束的实时尺寸发送给控制器，控制器计算实时尺寸与校准尺寸之间的差值，并根据差值获得送粉头进行下一次送粉前的实际上升距离。其中，若当前沉积层6的实际厚度值小于预设厚度值，那么，光线发射单元3和光线接收单元4均按照预设厚度值上升后，获得的实时尺寸大于校准尺寸。反之，若当前沉积层6的实际厚度值大于预设厚度值，获得的实时尺寸小于校准尺寸。由于送粉头和当前沉积层6之间的间距可以影响下一个沉积层6的成形厚度。因此，可以根据实时尺寸与校准尺寸之间的差值，获得送粉头进行下一次送粉前的实际上升距离，以便于使得下一个沉积层6的实际成形厚度尽量与预设厚度值相同。
46.然后，在送粉头进行下一次送粉前，按照实际上升距离升高送粉头。从而实现了对沉积层6成形厚度的调节。为了方便描述，本文中设定，送粉头每送粉一次，形成一个沉积层6。
47.这里需要注意的是，可以在进行激光沉积之前，设计好每个沉积层6的预设厚度值(这里每个沉积层6的预设厚度值可以是不同的)，当在先的沉积层6的成形厚度均为预设厚度值时，安装原来的设计升高送粉头进行下次送粉即可。当出现当前沉积层6的成形厚度与预设厚度值不同时，可以根据上述差值来调整下一个沉积层6的预设厚度值，以使得最终的成形产品满足要求。也就是说，在整个沉积制造过程中，需要不断的监测和调节沉积层6的成形厚度以确保最终的成形产品满足要求。
48.另外，光线发射单元3可以在整个监测过程中均发射间隔光束，或者，在送粉头完成一次送粉而停顿时，光线发射单元3发射检测光束以用于检测当前沉积层6的实际厚度。但是，控制器可以仅在检测当前沉积层6的实际厚度时，才获取来自光线接收单元4发出的反馈实时尺寸的信号。
49.在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
50.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。