本发明专利技术公开了一种激光熔覆快速成形层高测量装置与闭环控制方法，该测量装置包括三个激光2D位移传感器、控制单元、上位机以及显示器；该闭环控制方法中，三个激光2D位移传感器相互成120°夹角并环绕安装在熔覆头的周围，用于测量金属熔池周围封闭的激光等边三角形边线上的熔覆层高度；且每个激光2D位移传感器配有传感器控制器，用于其上的CMOS图像信号转化为高度数据，并通过以太网传输给控制单元；控制单元，用于处理三个激光2D位移传感器采集的数据，计算出熔覆层高度值并反馈给上位机；显示器，用于实时显示三个激光2D位移传感器测量的高度数据与控制单元处理后的层高高度数据。本发明专利技术实现了熔覆头单层提升量的实时精确控制。
【技术实现步骤摘要】
： 本专利技术属于精密测控技术与先进制造技术的领域，涉及激光熔覆和激光快速成 形，尤其涉及一种。
技术介绍
： 在激光熔覆技术中有一种同步送料成形技术，其原理是采用熔覆头，调整高能激 光束光斑聚焦在金属基体上，送粉管连续输送金属粉末至激光焦点与之耦合。激光将粉末 与焦点区域的基体表面部分熔化形成熔池。随着熔覆头的水平运动，熔池在激光束离开后 迅速冷却凝固，并在基体上形成沿喷头运动轨迹方向、具有一定高度和宽度的熔覆层，或称 为熔道。如果采用数控系统按照零件的截面形状规划控制熔覆头的运动，将熔覆层在水平 面搭接，然后在垂直方向往上层层堆积形成3维金属实体，这种技术即为激光快速成形，又 称激光3D打印技术。 熔覆头单层的提升量须与该熔覆层的高度一致，以保证激光光斑焦点位置不变。 然而，每层熔覆层的高度由于工艺参数的不稳定而变动，而在一般的激光熔覆堆积中，只能 依靠工艺经验将熔覆头的单层提升量设置为固定值。这样每层的提升都会使激光束在加工 表面的焦点位置产生一定的偏移，即离焦量。随着成形件高度的增加，离焦量的层层累积会 导致成形质量下降或者成形失败，如熔覆层高度，宽度变化，熔覆层表面起伏，结块等。因 此，需要一套能够精确测量熔覆层高度的装置，可实时反馈高度信息并控制喷头的提升量， 以保证离焦量始终在允许范围内，从而提高激光快速成形的精度。 现有的层高控制方法，如专利"一种激光熔覆熔池离焦量测量装置及测量方 法"（【申请号】201410235777.6)和美国专利"System and method for closed-loop control of laser cladding by powder injection"（专利号：US7043330)等，提出米用 CCD/CM0S传感器获取熔池位置的方法。通过采集发亮液态熔池图像，使用微处理器计算熔 池形心来获取熔池的位置，继而得到离焦量并反馈给上位机。这种方法有一定的精确性，但 是，这两种专利在应用中，熔池图像的捕获会受到材料，激光功率，扫描速度，基体形状等多 种因素影响。熔池图像并不稳定，易被遮拦。熔池直径为2-3_，测得的结果其实并不是熔 覆层高度，而是熔池形心位置的高度。 鉴于已有技术存在的问题，需要设计一种测量已成形的固体熔覆层高度，来获得 单层提升量的方法。
技术实现思路
： 本专利技术的目的是提供一种，以实 现熔覆头单层提升量的实时精确控制。 为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案予以实现： 激光熔覆快速成形层高测量装置，包括三个激光2D位移传感器，相互成120°夹 角并环绕安装在熔覆头的周围，用于测量金属熔池周围封闭的激光等边三角形边线上的熔 覆层高度；且每个激光2D位移传感器配有传感器控制器，用于其上的CMOS图像信号转化为 高度数据，并通过以太网传输给控制单元； 控制单元，用于处理三个激光2D位移传感器采集的数据，计算出熔覆层高度值并 反馈给上位机； 显示器，用于实时显示三个激光2D位移传感器测量的高度数据与控制单元处理 后的层高高度数据。 本专利技术进一步的改进在于：三个激光2D位移传感器均通过传感器安装架安装在 熔覆头的周围。 本专利技术进一步的改进在于：每个激光2D位移传感器的采样频率设为f = 500Hz~ 1000Hz ;激光等边三角形在加工件表面边长为12mm~15mm，在传感器属性中设置每条线段 上每个时间点的扫描点数为N = 400~800。 本专利技术进一步的改进在于：控制单元为PLC、DSP芯片或者嵌入式微处理器。 上述激光熔覆快速成形层高测量装置的闭环控制方法，包括如下步骤： 1)在激光成形开始前，调整熔覆头离焦量至设定值，测量三个激光2D位移传感器 至基体的距离，作为标准距离值输入控制单元进行标定； 2)在激光成形开始后，将三个激光2D位移传感器测得的3组高度数据实时传输给 对应的传感器控制器，再通过传感器控制器传输给控制单元，控制单元将3组高度数据标 记为三个向量A、B及C，通过冒泡排序法或max ()函数筛选出其中总和最大的相邻的10个 点，它们的平均值即为当前时间点的最高熔覆层的高度； 3)将多个时间点测得的，小于标准距离值0. 1~0. 4mm范围内的最高点取平均值， 作为该熔覆层的层高高度值，控制单元将此层高高度值反馈给上位机，进而控制激光熔覆 头的提升量。 本专利技术进一步的改进在于：步骤2)中，三个向量A、B及C相互搭接。 与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果： 本专利技术提供的激光熔覆快速成形层高测量装置中，激光2D位移传感器工作频率 高，测量精度高，响应时间短；控制单元运算速度快，延迟时间短，可进行数据的实时反馈运 算。层高控制程序由控制单元独立运行，并与上位机实时交换数据，不占用上位机的程序线 程。可与熔覆堆积同步进行，不影响加工进度； 本专利技术提供的激光熔覆快速成形层高测量装置的闭环控制方法，与传统激光熔覆 成形工艺相比，本专利技术实现了激光熔覆熔覆层高度的在线测量与反馈，熔覆头单层提升量 与实际堆高一致，可保持离焦量不变，提高激光与粉末的耦合精度，减少熔覆层缺陷，减少 内应力和裂纹，进而得到更高的成形尺寸精度，显微组织形貌更为均匀。本专利技术测量已成形 的熔覆层高度，不测量发光熔池，不受熔池面积、形状变化及熔池受遮挡等因素的影响。高 度闭环测量与控制过程准确，稳定。【附图说明】： 图1为本专利技术激光熔覆快速成形层高测量装置的主视图，其中只画了第一激光2D 位移传感器，省略了第二激光2D位移传感器和第三激光2D位移传感器。 图2为图1的俯视图，三个激光2D位移传感器分别安装在熔覆头上的周向上。 图3为本专利技术闭环控制方法的结构框图。 图4为成形件剖面熔覆层形貌图。 图中：1、熔覆头，2、传感器安装架，3、第一激光2D位移传感器，4、激光束与粉末 流，5、金属熔池，6、熔覆层，7、测量激光，8、基体，9、第二激光2D位移传感器，10、第三激光 2D位移传感器。【具体实施方式】： 下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。 参见图1和图2,本专利技术激光熔覆快速成形层高测量装置，包括三个激光2D位移传 感器，相互成120°夹角并环绕安装在熔覆头1的周围，用于测量金属熔池5周围封闭的激 光等边三角形边线上的熔覆层6高度；且每个激光2D位移传感器配有传感器控制器，用于 其上的CMOS图像信号转化为高度数据，并通过以太网传输给控制单元； 控制单元，用于处理三个激光2D位移传感器采集的数据，计算出熔覆层高度值并 反馈给上位机； 显示器，用于实时显示三个激光2D位移传感器测量的高度数据与控制单元处理 后的层高高度数据，便于用户观察与统计。 其中，三个激光2D位移传感器均通过传感器安装架2安装在熔覆头1的周围。每 个激光2D位移传感器的采样频率设为f = 500Hz~1000Hz ;激光等边三角形在加工件表面 边长为12mm~15_，在传感器属性中设置每条线段上每个时间点的扫描点数为N = 400~ 800 〇 参见图3,本专利技术激光熔覆快速成形层高测量装置的闭环控制方法，包括如下步 骤： 1)在激光成形开始前，调整熔覆头1离焦量至设定值，测量三个激光2D位移传感 器至基体8的距离，作为标准距离值输入控制单元进行标定； 2本文档来自技高网...
【技术保护点】
激光熔覆快速成形层高测量装置，其特征在于：包括三个激光2D位移传感器，相互成120°夹角并环绕安装在熔覆头(1)的周围，用于测量金属熔池(5)周围封闭的激光等边三角形边线上的熔覆层(6)高度；且每个激光2D位移传感器配有传感器控制器，用于其上的CMOS图像信号转化为高度数据，并通过以太网传输给控制单元；控制单元，用于处理三个激光2D位移传感器采集的数据，计算出熔覆层(6)高度值并反馈给上位机；显示器，用于实时显示三个激光2D位移传感器测量的高度数据与控制单元处理后的层高高度数据。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王伊卿，石拓，卢秉恒，魏正英，王吉洁，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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