一种圆形倾斜薄壁件激光熔覆成形角度自适应调控装置及方法与流程

1.本发明属于增材制造技术领域，尤其涉及一种圆形倾斜薄壁件激光熔覆成形角度自适应调控装置及方法。


背景技术：

2.目前，激光熔覆成形技术是一门涉及多领域多学科的先进增材再制造技术。其原理是用高能激光束局部熔化金属表面形成熔池，同时用送粉器将金属粉末喷入熔池形成与基体金属冶金结合且稀释率很低的新的合金熔覆层。由于激光熔覆的快速凝固特征,所制造出的金属零件具有优良的质量和强度。
3.圆形倾斜薄壁件现已广泛应用于航空航天等高技术领域，由于这种零件具有工艺繁琐、厚度较小、结构复杂等特点，传统的薄壁件制造方法(如整体制造法和精密车床加工法)难以满足需求。为了能得到高质量的倾斜薄壁件，采用激光熔覆成型技术，在成型过程中对多层熔覆层倾斜角度进行严格约束。在实际生产过程中，对于倾斜薄壁件这类特殊薄壁件，在成型时面临散热面积小，温度变化显著。随着熔覆层温度增加，温度会有累积效应，熔池变得不稳定，导致单层熔覆层的高度与z提升量产生偏差。在累积成型后，倾斜角度逐渐加大，倾斜件出现不稳定现象，熔池很容易坍塌。
4.现有方法中有在线监测成形高度的装置，可以实时反馈高度信息并控制熔覆头的抬升高度达到控制熔覆层总高度保持一致性。这种方法有一定的准确性，但是对于倾斜件多层成形，仅仅检测高度难以达到圆形倾斜薄壁件稳定成型的目的。熔覆层高度、水平偏移量以及成形倾角等因素均对于圆形倾斜薄壁件激光熔覆成形至关重要。基于此，本发明提出一套新颖的实时检测并控制圆形倾斜薄壁件角度的自适应调控装置，能够实时反馈熔覆层的高度和水平偏移量，通过控制将熔覆层倾斜角度变化保持在极限倾斜角度之内完成圆形倾斜件的熔覆。
5.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
6.圆形倾斜薄壁件成形过程由于热应力堆积造成熔池塌陷、成形困难。
7.解决以上问题及缺陷的难度为：激光熔覆过程中，加热和冷却的速度极快，导致难以实时准确的检测出熔覆层成形宽度及高度。由于圆形倾斜薄壁件的倾斜角度是根据熔覆层的宽度及高度算得，故其角度变化更加难以预测。
8.解决以上问题及缺陷的意义是：现如今圆形倾斜薄壁件应用广泛，在熔覆成形过程中能够对倾斜角度进行实时的监测与调控，有助于保证良好的成形形貌。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种圆形倾斜薄壁件激光熔覆成形角度自适应调控装置及方法。
10.本发明是这样实现的，一种圆形倾斜薄壁件激光熔覆成形角度自适应调控装置包
括：
11.熔覆模块，用于对目标件进行熔覆成形；
12.图像旁轴采集模块，用于对熔覆过程中熔池的图像进行实时采集，并将收集到的图像传输给图像处理模块；
13.图像处理模块，用于对熔覆过程中熔覆层图像进行处理，得到实时熔池成型轮廓，采用图像解析法计算出熔覆层高度、偏移量以及倾斜角度，并将所得信息传送给控制单元；
14.反馈控制模块，用于将计算所得水平偏移量和熔覆层倾角与设定倾角阈值进行对比，判断下一熔覆层的偏移量和角度，再将信息传输给熔覆头，进行下一层熔覆，直至熔覆完成。
15.进一步，所述熔覆模块包括送粉器、激光器、熔覆头、工作台和基板，所述基板位于工作台上端，所述熔覆头位于基板上侧，所述送粉器、激光器分别通过连接线路与熔覆头连接。
16.进一步，所述图像旁轴采集模块包括两个ccd相机，两个ccd相机以旁轴方式固定在熔覆模块的熔覆头旁边，与熔覆头同步运动。
17.进一步，所述图像处理模块包括像素处理单元、图像滤波降噪单元和视觉特征提取单元。
18.本发明的另一目的在于提供一种圆形倾斜薄壁件激光熔覆成形角度自适应调控方法，所述圆形倾斜薄壁件激光熔覆成形角度自适应调控方法包括：
19.步骤一，设定初始参数进行单层激光熔覆，将两个工业相机其中一个以旁轴方式固定在熔覆头旁边，保证采集相机能够采集熔覆喷嘴、基体上熔覆层的层厚图像，第二个相机放置在与基板水平的层面，保证能够采集到基体以及熔覆时熔池的图像；
20.步骤二，通过图像处理模块对熔覆图像进行像素处理、滤波降噪处理和轮廓表征处理；
21.步骤三，通过反馈控制模块判断熔覆层的数据是否与设定值相同，如果小于标准值，则需要调整激光功率或者离焦量保持单层熔覆层高度；
22.步骤四，从第二层开始设定熔覆层单层偏移量和下一层熔覆层高度即z轴提升量，开始熔覆下一层；
23.步骤五，成型角度控制，熔覆头与基体的相对位移再次通过图像旁轴采集模块确定熔覆层的图像，通过处理单元得到成形熔池的轮廓，计算在熔覆层的实际高度变化δz、实际偏移量δy以及倾斜角度α＝tan-1
(δy/δz)。
24.进一步，步骤二中，在对相机进行像素处理时矫正相机与待熔覆面之间的角度所带来的误差，综合得到图像像素与实际值的比例为n:1。
25.进一步，步骤二中，轮廓表征用于计算熔覆层的厚度宽度，表征方法如下：
26.对得到的三维轮廓进行数值化处理，首先建立三维坐标系，以基底为xy平面，圆形件的圆心为原点、圆形件的中心线为z轴建立三维坐标系；
27.得到各关键点的位置数据，包括熔覆头光斑和熔覆层起始点，以及单层熔覆完成点的位置数据；
28.在同一熔覆层中，选取三个点参考点，计算出三个坐标点z轴方向位置信息变化，取均值作为高度值，保证熔覆层高度数据的准确性。
29.进一步，步骤四中，采用螺旋上升式的扫描方式且在每一层熔覆完成后设置一个冷却时间，减少热应力堆积。
30.进一步，步骤五中，所述实际高度变化δz的计算公式为：
[0031][0032]
其中，h为单道熔覆层的高度，y为单道熔覆层的宽度。
[0033]
进一步，步骤五中，所述实际偏移量δy的计算公式为：
[0034][0035]
式中，f为摩擦系数，r为圆环件底层半径，ρ为不锈钢的密度，g为重力加速度。
[0036]
本发明另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
[0037]
步骤一，设定初始参数进行单层激光熔覆，将两个工业相机其中一个以旁轴方式固定在熔覆头旁边，保证采集相机能够采集熔覆喷嘴、基体上熔覆层的层厚图像，第二个相机放置在与基板水平的层面，保证能够采集到基体以及熔覆时熔池的图像；
[0038]
步骤二，通过图像处理模块对熔覆图像进行像素处理、滤波降噪处理和轮廓表征处理；
[0039]
步骤三，通过反馈控制模块判断熔覆层的数据是否与设定值相同，如果小于标准值，则需要调整激光功率或者离焦量保持单层熔覆层高度；
[0040]
步骤四，从第二层开始设定熔覆层单层偏移量和下一层熔覆层高度即z轴提升量，开始熔覆下一层；
[0041]
步骤五，成型角度控制，熔覆头与基体的相对位移再次通过图像旁轴采集模块确定熔覆层的图像，通过处理单元得到成形熔池的轮廓，计算在熔覆层的实际高度变化δz、实际偏移量δy以及倾斜角度α＝tan-1
(δy/δz)。
[0042]
本发明另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器实施所述圆形倾斜薄壁件激光熔覆成形角度自适应调控方法。
[0043]
本发明另一目的在于提供一种圆形倾斜薄壁件，所述圆形倾斜薄壁件搭载所述圆形倾斜薄壁件激光熔覆成形角度自适应调控装置。
[0044]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
[0045]
本发明的自适应调控装置中图像旁轴采集模块能够实现对圆形倾斜件激光熔覆成形时熔池的形貌以及熔覆件倾角的在线检测，实时监测单层熔覆层成形厚度以及下一层的熔覆层的水平偏移量，从而能够准确的检测出当前熔覆层倾斜角。
[0046]
本发明所提出的自适应调控方法，在熔覆过程中能够将单层熔覆时熔池成形高度与多层熔覆层倾角对比预先设定好的倾角阈值，实时的调整z轴提升量和水平偏移量，实现了对圆形倾斜件倾斜角度的控制。通过对熔覆层倾角的实时监控，能够提高成形的工作效率和熔覆件成形精度。具有动态即时调整，提高成型质量等优点。
附图说明
[0047]
为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0048]
图1是本发明实施例提供的圆形倾斜薄壁件激光熔覆成形角度自适应调控方法的流程图。
[0049]
图2是本发明实施例提供的圆形倾斜薄壁件激光熔覆成形角度自适应调控装置的原理图。
[0050]
图中：1、熔覆头；2、第一工业相机；3、第二工业相机；4、激光器；5、送粉器；6、圆形倾斜薄壁件；7、计算视觉系统；8、基板；9、工作台。
[0051]
图3是本发明实施例提供的圆形倾斜薄壁件的成形原理图。
[0052]
图4是本发明实施例提供的圆形倾斜薄壁件成效果图。
具体实施方式
[0053]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，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。
[0054]
针对圆形倾斜薄壁件激光熔覆成形过程中热应力堆积造成熔池塌陷、成形困难的问题，本发明提供了一种圆形倾斜薄壁件激光熔覆成形角度自适应调控装置及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0055]
如图1所示，本发明实施例提供的圆形倾斜薄壁件激光熔覆成形角度自适应调控方法包括如下步骤：
[0056]
s1:设定初始熔覆参数，包括激光功率400w、熔覆速度5.5mm/s、送粉速度12.5mm/s，熔覆粉末采用316l，基体材料采用45钢，然后进行单层圆形薄壁件建模，其中基体尺寸为120mm x 120mm x 10mm圆形单层薄壁件层高为0.4mm，层宽为1mm，圆半径为25mm。进行单层激光熔覆。熔覆时将1个ccd图像传感器(prosilica gx1910)固定熔覆头旁边，角度垂直于激光束且和熔覆粉末汇聚处呈同一水平的位置，保证采集相机能够采集到熔覆喷嘴、基体上熔覆层的层厚图像，第二个相机放置在与基板水平的层面，保证能够采集到基体以及熔覆时熔池的图像。
[0057]
s2:图像处理模块包括对熔覆图像进行像素处理、滤波降噪处理和轮廓表征处理。在对相机进行像素处理时需要矫正相机与待熔覆面之间的角度的所带来的误差，综合得到图像像素与实际尺寸1mm的比例为7:1；然后对得到图像的三维轮廓表征，建立三维坐标系，以基底为xy平面，圆形件的圆心为原点、圆形件的中心线为z轴建立三维坐标系。得到各关键点的位置数据，包括熔覆头光斑和熔覆层起始点，以及单层熔覆完成点的位置数据。在同一熔覆层中，选取三个点参考点，计算出三个坐标点z轴方向位置信息变化，对比取均值作为高度值，保证最终熔覆层高度数据的准确性；
[0058]
s3:由反馈控制模块判断熔覆层的数据是否与设定值相同，如果小于标准值，则需要调整激光功率或者离焦量保持单层熔覆层高度；
[0059]
s4:由反馈控制模块判断熔覆层的数据是否在阈值内，如果小于最小阈值即h
min
，则需要调整激光功率或者离焦量保持单层熔覆层高度；
[0060]
s5:由于是倾斜件故需要从第二层开始设定熔覆层单层偏移量和下一层熔覆层高度即z轴提升量，开始熔覆下一层，共熔覆20层。此处的扫描方式为螺旋上升式，且在每一层熔覆完成后设置10s冷却时间，目的是为了减小热堆积的影响，保证熔覆件稳定成型。在已知一个熔覆层的高度、宽度、横截面积时，可以通过数学模型来确定下一层的z提升量，计算式如下:
[0061][0062]
s6:成型角度控制，在成型过程中，熔覆头与上一熔覆层的相对位移再次通过图像旁轴采集模块以确定熔覆层的图像，再通过一次处理单元得到成形熔池的轮廓，将水平相对位移定义为偏移量，将垂直相对位移定义为z轴提升量，圆形倾斜薄壁件的成型示意图如图3所示，首先在控制装置中输入偏移量阈值和倾斜角阈值，对于圆形倾斜薄壁件，其向内极限位移长度为δy:
[0063][0064]
式中316l不锈钢的密度ρ为7.98g/cm3,重力加速度g为9.8m/s2,摩擦系数f为0.15，熔覆层宽度为1mm,第一层圆形件的半径为25mm。算得极限的偏移量为0.15mm，再计算倾斜角度，倾斜角度计算公式为:
[0065]
α＝tan-1
(δy/δz)
[0066]
极限倾斜角与偏移量有关，当输出偏移量大于极限偏移量时，会导致倾斜角大于极限倾斜角，算得极限倾斜角为17.8
°
，继续熔覆会发生熔池坍塌现象，此时反馈控制偏移量等工艺参数的选择，达到熔覆成形倾斜角度的闭环控制。
[0067]
综上所述，本发明提出了一种圆形倾斜薄壁件激光熔覆成形角度自适应调控装置及方法。通过闭环控制实时控制熔覆层下一层偏移量和角度，对倾斜件成型过程中熔池的图像进行了实时的检测，解决了熔覆过程中热应力堆积与倾斜角度过大导致的倾斜件成形熔池坍塌问题。
[0068]
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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。