一种增材制造过程中成形件变形的实时测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种增材制造过程中成形件变形的实时测量方法及装置，所述方法包括如下步骤，步骤一，测量装置初始化；步骤二，测量点位置的确定；步骤三，在基板上开始成形零件，当成形到测量点位置以上且激光测距仪能够接收到自身测量光束信号时，开始测距，直至零件成形完毕且温度降低到室温后停止测量；步骤四，根据相邻时刻的测距数据得到成形过程中零件上测量点位置处的实时位移，根据位移与时间的关系得到零件增材制造过程中测量点位置处的实时变形曲线；步骤五，采用多台激光测距仪，对每台激光测距仪同时进行步骤一到四，对成形件上多个点同时进行变形测量，即可获得增材制造成形件中每台激光测距仪所对应位置处的实时变形曲线。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及增材制造
，具体为一种增材制造过程中成形件变形的实时测 量方法及装置。
技术介绍
目前，增材制造技术作为制造业一个新兴的领域，得到了长足发展。其基本原理 为:首先在计算机中生成成形件的三维CAD模型，然后运用分层切片软件对成形件模型按一 定的厚度分层切片，即将成形件的三维形状信息转换为一系列二位轮廓信息，然后采用特 定热源如高能束加热融化材料，在数控系统的控制下，将材料按照一定的填充路径逐点堆 满给定的二维形状，重复这一过程逐层堆积形成成形件的三维实体。基于增材制造技术本 身的特点，其离散加堆叠的技术理念，以及快速近净自由成形的优势，使其备受航空航天领 域技术人员和广大学者的亲睐。众所周知，大部分航空航天类零件都具有复杂的外表面和 内腔结构以满足轻量化的需求，这无疑对传统制造业带来巨大的冲击与挑战，而增材制造 技术凭借其内在的优势在这些方面要明显优于传统制造技术。然而，实践证明，使用增材制 造方法成形零件时，如飞机发动机涡轮叶片、飞机结构件、飞机起落架等，随着能量输入的 增加和材料的不断堆叠，会使零件整体呈现出非均匀温度场和应力场，导致零件发生不同 程度的变形，一方面，成形过程中的变形行为对于后续的成形过程将产生影响，另一方面， 成形过程中的变形行为对于最终成形件的尺寸精度也具有决定性作用。一些尺寸精度要求 较高的零件，甚至会因为变形导致零件报废。然而到目前为止，针对增材制造中成形件变形 的实时测量仍没有具体的方法。有研究者通过数值模拟的方法研究成形件的变形(王凯.激 光立体成形过程的应力与变形数值模拟分析.西北工业大学硕士学位论文，2012)，即通过 对成形件的应力分布和应变进行分析，模拟成形件的变形规律，并且该研究测量的对象是 无约束条件下增材制造的基板变形。一方面，这与实际增材制造基板约束条件有很大区别； 另一方面，缺乏直接实时测量成形件变形的实验验证。另有研究报道用石膏倒模方法测量 基板的变形（于君.激光立体成形过程控制的基础问题研究.西北工业大学博士学位论文， 2010)，即以基板为模型制作基板的石膏倒模，用螺旋测微仪测量石膏倒模两端和中心的高 度差来评估基板的翘曲变形程度，该方法的缺点其一是手动测量，测量精度不高，误差大； 其二也只是事后测量基板的变形，没有对成形零件的实时变形进行测量，事后测量只能得 到变形的最终结果，而不能揭示成形过程中变形进行的详细过程。而在焊接
，有研 究者在进行两根钢管的对接焊接时（Zhang Jianxun,Liu Chuan and Niu Jing.The welding deformations of stainless steel pipes with thick wall by narrow gap gas tungsten arc welding.Proceedings of the 18th International Conference on Nuclear Engineering，May 17-21，2010,Xi'an，China)，采用线性可变位移传感器测量焊接 过程中的变形，其精度为零点几毫米，相比于手动测量精度明显提高，但该方法为接触式测 量，需要提前将传感器加装在成形件上，而在增材制造过程中，成形件最开始只是一个三维 计算机模型，靠高能束熔化材料使材料在基板上一层一层堆叠出来，增材制造过程中接触 式测量很不方便，而且高能束加工区域附近的恶劣条件使传感器无法近距离接触，从而使 接触测量方法在增材制造领域的应用受到限制。总体来说，在目前的增材制造领域中，对零 件变形的测量都是在成形结束后进行的，尚不存在变形实时测量的方法，这样就会丢失零 件在成形过程中的变形规律。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种增材制造过程中成形件变形的实时 测量方法及装置，能够对零件成形中的变形进行非接触实时测量，由于测距仪的量程长，精 度高，测量范围很广，大到宏观变形为几百毫米的大成形件，小到微观变形只有几十微米 的小成形件。依据测得的实时位移数据可知成形件某一位置的变形情况是否满足尺寸精度 的要求，若不满足，则需优化工艺参数和成形路径，保证成形精度。 本专利技术是通过以下技术方案来实现： 本专利技术一种增材制造过程中成形件变形的实时测量方法，包括如下步骤， 步骤一，测量装置初始化;在控制增材制造过程的计算机中载入三维零件图并进 行分层切片，随后选择成形的扫描路径;在工作台上设置成形零件所用的基板和激光测距 仪； 步骤二，测量点位置的确定;在基板上垂直放置一块测量点位置标定板，测量点位 置标定板与激光测距仪发射到测量点位置标定板的光束垂直，以测量点位置标定板所在平 面为XZ平面，以测量光束方向为Y轴建立三维坐标系，在测量点位置标定板上选取测量点位 置，将测量光束的光斑与测量点位置重合后固定激光测距仪和基板位置； 步骤三，在基板上开始成形零件，当成形到测量点位置以上且激光测距仪能够接 收到自身测量光束信号时，开始测距，直至零件成形完毕且温度降低到室温后停止测量； 步骤四，根据相邻时刻的测距数据得到成形过程中零件上测量点位置处的实时位 移，根据位移与时间的关系得到零件增材制造过程中测量点位置处的实时变形曲线； 步骤五，采用多台激光测距仪，对每台激光测距仪同时进行步骤一到四，对成形件 上多个点同时进行变形测量，即可获得增材制造成形件中每台激光测距仪所对应位置处的 实时变形曲线。优选的，步骤二中，以测量点位置标定板的底边为X轴，一个侧边为Z轴，测量光束 方向为Y轴，底边和侧边的交点为原点，建立三维坐标系;原点为增材制造的起始点。 优选的，步骤四中，根据Z轴单层抬升量Δ z和测点Z轴坐标值间关系，得到零件堆;根据零件的成形高度得到当前的堆积层数，用于对零件成形时每层变形 量的测量和监控。 优选的，步骤四中，通过如下公式根据测距数据得到零件测量点位置处的变形量 X；式中：a为激光测量光束光轴和激光测距仪中接收透镜光轴的交点到接收透镜前 主面的距离;b为接收透镜后主面到成像面中心点的距离；0:为激光测量光束光轴与接收透 镜光轴之间的夹角；θ2为图像传感器与接收透镜之间的夹角;X'为光点在成像面上的位移。 优选的，步骤四中，以初始时刻测得的距离值为零件测量点位置处不发生变形的 初始值。 优选的，当增材制造采用以高能束熔化同步送进的材料并按设定的路径层层堆叠 形成三维实体时，步骤三中，当成形到测量点位置以上且激光测距仪能当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种增材制造过程中成形件变形的实时测量方法，其特征在于，包括如下步骤，步骤一，测量装置初始化；在控制增材制造过程的计算机中载入三维零件图并进行分层切片，随后选择成形的扫描路径；在工作台上设置成形零件所用的基板和激光测距仪；步骤二，测量点位置的确定；在基板上垂直放置一块测量点位置标定板，测量点位置标定板与激光测距仪发射到测量点位置标定板的光束垂直，以测量点位置标定板所在平面为XZ平面，以测量光束方向为Y轴建立三维坐标系，在测量点位置标定板上选取测量点位置，将测量光束的光斑与测量点位置重合后固定激光测距仪和基板位置；步骤三，在基板上开始成形零件，当成形到测量点位置以上且激光测距仪能够接收到自身测量光束信号时，开始测距，直至零件成形完毕且温度降低到室温后停止测量；步骤四，根据相邻时刻的测距数据得到成形过程中零件上测量点位置处的实时位移，根据位移与时间的关系得到零件增材制造过程中测量点位置处的实时变形曲线；步骤五，采用多台激光测距仪，对每台激光测距仪同时进行步骤一到四，对成形件上多个点同时进行变形测量，即可获得增材制造成形件中每台激光测距仪所对应位置处的实时变形曲线。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谭华，侯伟，林鑫，陈静，黄卫东，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61