增材制造同轴送粉喷嘴测试装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术一种增材制造同轴送粉喷嘴测试装置及方法，所述装置包括水平移动系统，角度调节系统，视觉成像系统和主体框架，以及用于控制水平移动系统和角度调节系统运动的控制系统；所述方法通过电动控制方式自动调节各送粉喷嘴距离汇聚点的位置与倾斜角度，并利用CCD相机实时获取粉束与粉斑汇聚信息，通过图像识别和对比，能够自动捕捉和记录喷嘴汇聚距离、粉斑大小、汇聚点高度等信息，在测试结束后能够自动搜索对比并给出最优值。因此自动化水平高、使用方便、结果准确可靠。能够对各种形状、大小、角度的同轴送粉喷嘴的汇聚特性进行快速测试，获得最佳的喷嘴送粉角度和汇聚距离；快速准确的对各种形状的同轴送粉喷嘴汇聚特性进行评估。

Material feeding coaxial feeding powder nozzle testing device and method

The invention relates to an additive manufacturing coaxial powder nozzle test device and method, wherein the device comprises a horizontal mobile system, visual angle regulating system, imaging system and the main framework, and the control system control system used to control the level of movement and the angle of the mobile system; the method of automatic adjustment of the powder feeding nozzle position sink through the electric control mode with the tilt angle, and the use of CCD camera to capture real time beam and powder powder spot gathering information through image recognition and contrast, can automatically capture and record the nozzle convergence distance, powder spot size and focal point height information, which can automatically search the optimal value in comparison is given after the end of the test. Therefore, the automatic level is high, the use is convenient, and the result is accurate and reliable. Can converge the characteristics of coaxial for various shapes, sizes and angles of the powder feeding nozzle for rapid test, get the best powder nozzle angle and convergence distance; fast and accurately to the various shapes of the coaxial powder feeding nozzle convergence characteristic evaluation.

【技术实现步骤摘要】
增材制造同轴送粉喷嘴测试装置及方法
本专利技术涉及送粉喷嘴的测试，具体为增材制造同轴送粉喷嘴测试装置及方法。
技术介绍
随着现代化生产对材料性能的不断提高，增材制造技术迅速发展，尤其是高性能金属零件的直接激光增材制造成形，已经成为一种重要的零件快速制造手段。进行激光增材制造时，激光束、粉末输送、保护气体供给同步进行，可有效地提高熔覆层的质量和粉末利用率，其中粉末送进的稳定性对成形零件的质量和精度有至关重要的影响，因此同轴送粉装置的研究和设计是目前激光增材制造技术材料供给设备的研究热点。粉末输送就是载粉气体携带金属粉末通过管道及管道末端的喷嘴，将粉末准确输送进入熔池的过程。与侧向送粉方式比较，同轴送粉方式由于具有无方向性、粉斑汇聚性好、送进距离长等优点，在增材制造技术中得到广泛应用。同轴送粉喷嘴设计的主要指标是获得良好的汇聚浓度、较长的焦点距离、较小的焦斑半径。粉末流从喷嘴喷射后的运动情况受到诸多因素的影响，主要影响因素有入射粉末流的速度、角度、同轴送粉喷嘴之间安装距离等，这些参数是评价送粉喷嘴送粉效果的主要依据，需要通过对比分析不同情况下的粉末分布情况，对喷嘴设计方案进行评估。公开发表的“激光立体成形粉末流输送的数值模拟研究”文献(激光技术，2011年，38卷，10期)，通过建立载粉气流湍流模型及粉末颗粒在载粉气湍流中的受力分析，建立了四路同轴粉末流输送的有限元数值模型。但是，该模型做了一定的简化处理，同实际测量结果存在差异。公开发表的“基于图像的激光熔覆粉末粒子运动行为分析”文献(激光技术，2010年，34卷，3期)，建立了数字粒子图像测速实验装置，研究了送分量、送粉气流的变化对同轴载气粉末粒子行为的研究，得到了不同送粉参量下，粉末的速度场和浓度场云图。但是，该装置仅对粉末粒子的图像进行了计算机处理，不能对不同喷嘴的角度和汇聚距离进行调整，不能自动对汇聚距离进行测定。公开发表的“激光熔覆中金属粉末流的参数检测”文献(中国光学学会2010年光学大会论文集)，应用数字粒子图像测速技术对粒子的运动进行测量，得到粉末流的汇聚角、发散角以及速度分布等信息，但是该系统仅为观测系统，不能对送粉喷嘴的角度调整和进行自动检测。公开发表的“激光制造中同轴粉末流动量和质量传输”文献(中国激光，2008年，34卷，11期)，研制了一套粉末流场检测系统，能够对粉末流的浓度场进行检测，但是该系统不能对不同送粉喷嘴的送粉角度、送粉距离进行优化。公开发表的“增材制造同轴送粉喷嘴汇聚特性测试装置”专利(专利号：CN105543836A)，专利技术了一种粉末汇聚特性测试装置，但是该装置对送粉角度的调节需要手动调节，未能进行喷嘴角度，喷嘴相对距离，粉斑大小的全自动化监测，并未能包涵全自动监测的方法。公开发表的“NumericalSimulationandComparisonofPowderJetProfilesforDifferentTypesofCoaxialNozzlesinDirectMaterialDeposition”文献(LasersinManufacturingConference2013)，使用数值计算的方法研究了不同类型的同轴喷嘴的粉末汇聚特性，公开的文献表明模拟与实验结果吻合较好，存在的主要问题是数值仿真需要设定各种参数，不同颗粒大小、不同材料、不同的粉末颗粒形状、喷嘴的不同角度都对设定的参数具有影响，因此为了对情况进行仿真往往需要多次与实验结果进行比对，然后才能得到合理的参数，数值计算也是一种获得粉末颗粒汇聚特性的方法。对于送粉喷嘴的设计一般多采用流体力学计算方法，通过对气固两相流的运动情况进行建模，模拟载粉气体相与固体颗粒相的相互作用过程，进而采用数值计算的方法对送粉喷嘴间隙大小、倾斜角度等参数进行优化。采用此种办法的主要问题是需要建立符合实际情况的边界条件和结构特征的数学模型，否则模型计算结果的准确性很难保证。由于实际中，影响粉末汇聚特性的因素众多，找出影响数学模型的主要因素，并准确建模需要花费相当精力。由于现有同轴送粉喷嘴多采用数值模拟计算的方法进行喷嘴设计，或人工手动调节观察，因此其主要存在的问题是：1、由于设计气体和固体粉末两相流，建立数学模型过程复杂；2、由于各种边界条件和假设条件，导致数学模型不能真实的反应实际粉末流动过程，优化结果缺乏真实性；3、人工调整喷嘴角度或汇聚距离会产生一定的人工误差，并且调节数据无法得到有效保存，会产生大量重复性，非精确性结果。
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同轴送粉喷嘴测试装置及方法，能够对各种喷嘴汇聚特性进行准确、真实、快速评估的全自动测试，对新设计的各种喷嘴进行送粉角度、送粉距离进行全自动测试，从而获得该设计喷嘴的最佳喷嘴送粉角度和汇聚距离。本专利技术是通过以下技术方案来实现：增材制造同轴送粉喷嘴测试装置，包括水平移动系统，角度调节系统，视觉成像系统和主体框架，以及用于控制水平移动系统和角度调节系统运动的控制系统；所述的主体框架包括顶板和底板，顶板和底板通过两侧的侧边连接固定形成框架；水平移动系统、角度调节系统和视觉成像系统均安装在主体框架内；所述的水平移动系统用于提供喷嘴在X轴方向和Y轴方向上的四个安装位置；X轴和Y轴形成的水平坐标系与顶板平行；所述的角度调节系统用于设置喷嘴在四个安装位置上的倾斜角度；安装后喷嘴的轴线与对应安装位置上的坐标轴在同一竖直平面内；所述的视觉成像系统包括计算机、顶部垂直向下视觉成像系统和水平视觉成像系统；顶部垂直向下视觉成像系统包括微型CCD相机；微型CCD相机固定安装在经过水平坐标系原点的垂线上微型CCD相机用于实时采集粉末汇聚斑点大小；水平视觉成像系统包括固定安装在侧边上的侧位CCD相机；侧位CCD相机用于实时采集稳定汇聚点时喷嘴距离顶板的高度以及汇聚点到底板的高度；计算机的输入端分别连接微型CCD相机和侧位CCD相机的输出端。优选的，所述的水平移动系统包括分别沿X轴和Y轴设置的滚珠丝杠，每个滚珠丝杠上分别配合设置的两个滚珠丝杠滑块，以及与每个滚珠丝杠上连接的水平步进电机；每个滚珠丝杠滑块的上端滑动设置在顶板下端面上的导轨内，导轨与对应的滚珠丝杠平行布置，滚珠丝杠滑块用于提供喷嘴的安装位置；水平步进电机的控制端连接控制系统。进一步，角度调节系统包括转接板，角度步进电机和喷嘴安装座；所述喷嘴分别通过各喷嘴安装座对应安装在滚珠丝杠滑块上，喷嘴的轴线与对应连接的滚珠丝杠轴线在同一竖直平面内；所述转接板的一端固定连接滚珠丝杠滑块，另一端与喷嘴安装座铰接配合；固定在转接板上的角度步进电机的输出轴通过联轴器与喷嘴安装座相连，角度步进电机的输出轴上设置有角度指示器，角度指示器的刻度盘固定安装在转接板中部；角度步进电机的控制端连接控制系统。优选的，所述的顶部垂直向下视觉成像系统还包括相机固定支架和LED顶光源；相机固定支架安装在顶板上，相机固定支架的下底面依次设置LED顶光源和微型CCD相机；LED顶光源为环形光源，微型CCD相机设置在LED顶光源中心处。优选的，所述的水平视觉成像系统还包括LED背光源面板和侧位相机支撑座；侧位CCD相机通过侧位相机支撑座安放在一个侧边内，侧位CCD相机的高度能够拍摄各喷嘴中心线延长线的本文档来自技高网...

【技术保护点】
增材制造同轴送粉喷嘴测试装置，其特征在于，包括水平移动系统，角度调节系统，视觉成像系统和主体框架，以及用于控制水平移动系统和角度调节系统运动的控制系统；所述的主体框架包括顶板(3)和底板(21)，顶板(3)和底板(21)通过两侧的侧边连接固定形成框架；水平移动系统、角度调节系统和视觉成像系统均安装在主体框架内；所述的水平移动系统用于提供喷嘴(13)在X轴方向和Y轴方向上的四个安装位置；X轴和Y轴形成的水平坐标系与顶板(3)平行；所述的角度调节系统用于设置喷嘴(13)在四个安装位置上的倾斜角度；安装后喷嘴(13)的轴线与对应安装位置上的坐标轴在同一竖直平面内；所述的视觉成像系统包括计算机、顶部垂直向下视觉成像系统和水平视觉成像系统；顶部垂直向下视觉成像系统包括微型CCD相机(16)；微型CCD相机(16)固定安装在经过水平坐标系原点的垂线上微型CCD相机(16)用于实时采集粉末汇聚斑点大小；水平视觉成像系统包括固定安装在侧边上的侧位CCD相机(22)；侧位CCD相机(22)用于实时采集稳定汇聚点时喷嘴距离顶板(3)的高度以及汇聚点到底板的高度；计算机的输入端分别连接微型CCD相机(16)和侧位CCD相机(22)的输出端。...

【技术特征摘要】
1.增材制造同轴送粉喷嘴测试装置，其特征在于，包括水平移动系统，角度调节系统，视觉成像系统和主体框架，以及用于控制水平移动系统和角度调节系统运动的控制系统；所述的主体框架包括顶板(3)和底板(21)，顶板(3)和底板(21)通过两侧的侧边连接固定形成框架；水平移动系统、角度调节系统和视觉成像系统均安装在主体框架内；所述的水平移动系统用于提供喷嘴(13)在X轴方向和Y轴方向上的四个安装位置；X轴和Y轴形成的水平坐标系与顶板(3)平行；所述的角度调节系统用于设置喷嘴(13)在四个安装位置上的倾斜角度；安装后喷嘴(13)的轴线与对应安装位置上的坐标轴在同一竖直平面内；所述的视觉成像系统包括计算机、顶部垂直向下视觉成像系统和水平视觉成像系统；顶部垂直向下视觉成像系统包括微型CCD相机(16)；微型CCD相机(16)固定安装在经过水平坐标系原点的垂线上微型CCD相机(16)用于实时采集粉末汇聚斑点大小；水平视觉成像系统包括固定安装在侧边上的侧位CCD相机(22)；侧位CCD相机(22)用于实时采集稳定汇聚点时喷嘴距离顶板(3)的高度以及汇聚点到底板的高度；计算机的输入端分别连接微型CCD相机(16)和侧位CCD相机(22)的输出端。2.根据权利要求1所述的增材制造同轴送粉喷嘴测试装置，其特征在于，所述的水平移动系统包括分别沿X轴和Y轴设置的滚珠丝杠，每个滚珠丝杠上分别配合设置的两个滚珠丝杠滑块，以及与每个滚珠丝杠上连接的水平步进电机；每个滚珠丝杠滑块的上端滑动设置在顶板(3)下端面上的导轨内，导轨与对应的滚珠丝杠平行布置，滚珠丝杠滑块用于提供喷嘴(13)的安装位置；水平步进电机的控制端连接控制系统。3.根据权利要求2所述的增材制造同轴送粉喷嘴测试装置，其特征在于，角度调节系统包括转接板(18)，角度步进电机(12)和喷嘴安装座(15)；所述喷嘴(13)分别通过各喷嘴安装座(15)对应安装在滚珠丝杠滑块上，喷嘴(13)的轴线与对应连接的滚珠丝杠轴线在同一竖直平面内；所述转接板(18)的一端固定连接滚珠丝杠滑块，另一端与喷嘴安装座(15)铰接配合；固定在转接板(18)上的角度步进电机(12)的输出轴通过联轴器与喷嘴安装座(15)相连，角度步进电机(12)的输出轴上设置有角度指示器(11)，角度指示器(11)的刻度盘固定安装在转接板(18)中部；角度步进电机(12)的控制端连接控制系统。4.根据权利要求1所述的增材制造同轴送粉喷嘴测试装置，其特征在于，所述的顶部垂直向下视觉成像系统还包括相机固定支架(5)和LED顶光源(17)；相机固定支架(5)安装在顶板(3)上，相机固定支架(5)的下底面依次设置LED顶光源(17)和微型CCD相机(16)；LED顶光源(17)为环形光源，微型CCD相机(16)设置在LED顶光源(17)中心处。5.根据权利要求1所述的增材制造同轴送粉喷嘴测试装置，其特征在于，所述的水平视觉成像系统还包括LED背光源面板(20)和侧位相机支撑座(19)；侧位CCD相机(22)通过侧位相机支撑座(19)安放在一个侧边内，侧位CC...

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