激光熔覆平整化控制系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及激光熔覆增材制造技术领域，提供一种激光熔覆平整化控制系统，包括激光器、激光熔覆加工头、机器人、工作台、变位机、送粉器、保护气装置、视觉采集单元、激光熔覆系统控制器及计算机系统。计算机系统对实时的熔池图像执行图像处理、特征提取后输入MPC控制器，输出工艺参数调整量。激光熔覆系统控制器根据工艺参数调整量将对应的工艺参数调整指令分别发送至激光器、机器人以及送粉器，实时调整激光功率、激光扫描速度和送粉速率。通过本发明专利技术可在线监测熔池的多种特征信息并基于预测控制模型实时作出反馈，通过对多种工艺参数的实时调整，补偿加工过程中的几何误差，使成型零件表面均匀平整化，提高激光熔覆工件表面质量和尺寸精度。和尺寸精度。和尺寸精度。

【技术实现步骤摘要】
激光熔覆平整化控制系统和方法


[0001]本专利技术涉及金属激光熔覆增材制造
，尤其是熔覆加工的过程控制技术，具体而言涉及一种激光熔覆平整化控制系统和方法。

技术介绍

[0002]金属激光熔覆通过自底向上逐层堆积熔化金属粉末而实现金属结构件成形，能够直接从计算机模型数据中生成复杂、致密的结构件，在智能制造、航空航天、石油化工等行业应用前景广阔。但在复杂的光粉气耦合过程中由于热效应引起的几何偏差、累积误差等会严重影响零件的几何精度和平整化，尤其是复杂熔道的堆积过程极易产生表面凹凸不平、宽度不一等情况，这使得金属激光熔覆制品的产品重复性和质量降低。
[0003]为了实现加工零件的平整化，现有技术尝试采取多种方式来进行改善，例如通过熔池震动使得熔池均匀化从而提高平整度，通过铣削等后处理工序提高其平整度；利用激光重熔技术以及针对特定零件在程序的特定位置修改工艺参数；通过闭环控制改善生产零件的几何特性来提高其平整度。
[0004]现有技术中，公开号为CN204224703U的专利技术专利申请提供一种用于激光熔覆的三维测量装置，在可移动工作平台上方有激光熔覆机构和激光铣削机构以及轮廓测量仪，分散布置，通过检测工件三维形貌信息，实现工件的在线整形。但设备成本高，测量误差大。公开号为CN104807410A的专利技术专利申请，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。通过3个激光2D位移传感器，将图像信号转化为熔覆层高度数据，实现熔覆头单层提升量的实时控制。但结构复杂、不利于增材制造打印复杂结构件，且采用计算熔覆层高度平均值的方法作为层高值，会造成参差不齐的表面被同一参数补偿，效果达不到要求。例如，公开号为CN108247059A的专利技术专利申请，公开了一种同轴送粉激光熔融成形设备的层高控制系统及方法，通过对光斑直径与工艺数据库的对比计算转换为同轴激光喷头的提升高度值从而加工过程中层高进行控制。但相机侧轴安装且仅依靠光斑直径作为参考，精度及可靠性不足。
[0005]现有技术往往耗时费力、成本较高且系统不稳定。或者存在采集信息单一，容易受到外界环境的干扰，无法保证测量结果的精度，鲁棒性差的问题；如果控制指标单一，对零件成型质量有一定程度的改善，但远不能实现零件表面的平整化的工艺需求。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的在于提供一种激光熔覆平整化控制系统和方法，可在线监测熔池的多种特征信息并基于预测控制模型实时作出反馈，通过对多种工艺参数的实时调整，补偿加工过程中的几何误差，使成型零件表面均匀平整化，提高激光熔覆工件表面质量和尺寸精度。
[0007]根据本专利技术目的的第一方面提出一种激光熔覆平整化控制方法，包括：
[0008]步骤1、获取金属激光熔覆增材制造的熔池图像流信息；
[0009]步骤2、基于熔池图像流信息从多帧熔池图像进行感兴趣区域选取；
[0010]步骤3、基于感兴趣区域，采用表面拟合方法拟合ROI熔池图像，通过拟合获得拟合公式系数以及拟合优度统计量；
[0011]步骤4、对获得的多个拟合公式系数以及拟合优度统计量进行特征参数降维处理，确定其中的n个影响熔池的关键特征作为平整化特征向量；
[0012]步骤5、以平整化特征向量以及激光熔覆的工艺参数向量作为数据集，并基于matlab系统辨识工具箱进行多输入多输出的系统辨识，得到平整度特征参数和对应工艺参数数据间关系的时间常数、稳态增益、时间延迟及对应的状态空间模型；其中所述时间常数、稳态增益、时间延迟对应一组状态空间模型的状态系数；其中工艺参数包括激光功率、激光扫描速度和送粉速率；
[0013]步骤6、以所述状态空间模型作为模型预测控制器的结构，建立模型预测控制器，其输入为平整度特征参数，输出为激光熔覆的工艺参数调整量，并配置模型预测控制器控制参数；
[0014]步骤7、在金属激光熔覆增材制造过程中，实时采集熔池图像数据，提取平整化特征向量，并将提取的平整化特征向量作为模型预测控制器的输入，模型预测控制器输出工艺参数调整量，并发送至激光熔覆系统控制器；以及
[0015]步骤8、激光熔覆系统控制器根据工艺参数调整量将对应的工艺参数调整指令分别发送至激光器、机器人以及送粉器，实时调整激光功率、激光扫描速度和送粉速率。
[0016]根据本专利技术目的的第二方面还提出一种激光熔覆平整化控制系统，包括激光器、激光熔覆加工头、机器人、工作台、变位机、送粉器、保护气装置、视觉采集单元、激光熔覆系统控制器以及计算机系统；
[0017]所述送粉器，用于向工作台表面进行送粉；
[0018]所述保护气装置，被设置通过激光熔覆加工头向工作台表面输送保护气；
[0019]所述激光器用于发射激光束，通过激光熔覆加工头内的光学系统进行波束整形后在工作台表面形成激光光斑，对工作台表面的粉末进行熔化沉积成型；
[0020]所述工作台，安装在变位机上，并且被设置成可随变位机运动而运动；
[0021]所述视觉采集单元，包括至少一个图像采集装置，采集位于工作台表面的熔池图像；
[0022]所述激光熔覆加工头，安装在所述机器人上，并可由所述机器人驱动实现位置移动与变换；
[0023]其中，所述激光熔覆系统控制器用于控制所述激光器、激光熔覆加工头、机器人、工作台、变位机、送粉器、保护气装置的运行；
[0024]所述视觉采集单元与所述计算机系统连接，将采集的熔池图像发送至计算机系统；
[0025]所述计算机系统内设置有至少一个处理器以及至少一个存储器，所述至少一个存储器存储可被操作的指令，所述指令在通过所述一个或多个处理器执行时使得所述一个或多个处理器执行操作，所述操作包括前述的激光熔覆平整化控制方法的过程。
[0026]作为可选的实施方式，所述至少一个图像采集装置为CCD相机，CCD相机的光轴以垂直于激光熔覆加工头的中心轴线方向地安装，所述CCD相机通过设置在激光熔覆加工头
内的45
°
反射镜获取熔池图像。
[0027]作为可选的实施方式，所述激光熔覆系统控制器通过I/O分别连接激光器、机器人、送粉器、保护气装置，并被设置成能够控制激光功率、送粉速率、激光扫描速度以及保护气流量。
[0028]由此，根据本专利技术以上实施例的激光熔覆平整化控制系统，基于该系统的控制方法可在线监测熔池特征信息并在预测控制模型的基础上实时作出反馈，通过对多工艺参数的实时调整，补偿加工过程中每一点的几何误差，使成型零件表面均匀平整化，提高激光熔覆工件表面质量和尺寸精度。
[0029]应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的专利技术主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的专利技术主题的一部分。
[0030]结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本专利技术教导的前述和其他方面、实施例和特征。本专利技术的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光熔覆平整化控制方法，其特征在于，包括：步骤1、获取金属激光熔覆增材制造的熔池图像流信息；步骤2、基于熔池图像流信息从多帧熔池图像进行感兴趣区域选取；步骤3、基于感兴趣区域，采用表面拟合方法拟合ROI熔池图像，通过拟合获得拟合公式系数以及拟合优度统计量；步骤4、对获得的多个拟合公式系数以及拟合优度统计量进行特征参数降维处理，确定其中的n个影响熔池的关键特征作为平整化特征向量；步骤5、以平整化特征向量以及激光熔覆的工艺参数向量作为数据集，并基于matlab系统辨识工具箱进行多输入多输出的系统辨识，得到平整度特征参数和对应工艺参数数据间关系的时间常数、稳态增益、时间延迟及对应的状态空间模型；其中所述时间常数、稳态增益、时间延迟对应一组状态空间模型的状态系数；其中工艺参数包括激光功率、激光扫描速度和送粉速率；步骤6、以所述状态空间模型作为模型预测控制器的结构，建立模型预测控制器，其输入为平整度特征参数，输出为激光熔覆的工艺参数调整量，并配置模型预测控制器控制参数；步骤7、在金属激光熔覆增材制造过程中，实时采集熔池图像数据，提取平整化特征向量，并将提取的平整化特征向量作为模型预测控制器的输入，模型预测控制器输出工艺参数调整量，并发送至激光熔覆系统控制器；以及步骤8、激光熔覆系统控制器根据工艺参数调整量将对应的工艺参数调整指令分别发送至激光器、机器人以及送粉器，实时调整激光功率、激光扫描速度和送粉速率。2.根据权利要求1所述的激光熔覆平整化控制方法，其特征在于，所述步骤2中，所述采用表面拟合方法拟合ROI熔池图像，所使用的拟合公式为高阶多项式，表达为：z＝p
00
+p
10
*x+p
01
*y+p
20
*x2+
…
+p
21
*x2*y+p
12
*x*y2+p
03
*y3其中，(x，y)表示像素点的像素坐标，z表示坐标为(x，y)的像素点的灰度值，p
00
，p
10
，p
01
，p
20
，p
11
，p
02
，p
21
，p
12
，p
03
分别为多项式系数；通过对熔池的表面拟合，获得14个特征参数，包括前述的9个多项式系数及5个拟合优度统计量，所述5个拟合优度统计量分别为和方差(SSE)、确定系数(R
‑
squre)、均方差(MSE)、校正确定系数(adj R
‑
square)和均方根(RMSE)。3.根据权利要求1所述的激光熔覆平整化控制方法，其特征在于，所述步骤3中，基于主成分分析法，将14个特征参数进行重要性排序，选取对熔池特征累计影响达到...

【专利技术属性】
技术研发人员：张琪，石拓，唱丽丽，孙业旺，张荣伟，邢月华，
申请(专利权)人：苏州中科煜宸激光智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：