本發(fā)明涉及一種用于激光精密成形技術(shù)的過程監(jiān)控系統(tǒng)及其監(jiān)控方法，屬于激光3D打印技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

激光3D打印精密成形技術(shù)是以三維CAD模型為基礎(chǔ)，利用專用軟件對模型按照一定的厚度切片分層，將切片分層數(shù)據(jù)輸入到精密成形打印設(shè)備中。精密成形打印設(shè)備解讀切片數(shù)據(jù)后，采用激光束將粉末狀金屬或塑料等可粘合材料逐層熔化打印堆積，最終構(gòu)造出三維實體產(chǎn)品。

由于在激光精密成形過程中是一層接著一層熔化并且快速凝固，所以零件經(jīng)歷了涉及定向熱傳遞的復(fù)雜的熱演化歷程。一些合金零件甚至可能會遇到反復(fù)的固態(tài)相變。這些因素使得對成品顯微結(jié)構(gòu)屬性的分析，相對那些使用傳統(tǒng)方式制造的零件而言，變得更為復(fù)雜，這就要求建立在線、閉環(huán)的過程控制系統(tǒng)，來確保精密成形的質(zhì)量。而目前的激光精密成形設(shè)備現(xiàn)有技術(shù)存在缺點如下：

（1）目前系統(tǒng)主要包括成形平臺溫度、成形艙室的氧含量等方面，但沒有形成良好的閉環(huán)控制，當成形平臺溫度過高、成形艙室的氧含量超標超出極限時，設(shè)備只能自動暫停，沒有形成閉環(huán)，無法做到有效控制，對零件的質(zhì)量以及穩(wěn)定性造成了極大的影響；

（2）在激光精密成形前，激光功率值是固化且設(shè)定好的。但是在由于長時間使用或者煙塵污染等問題，導(dǎo)致激光器功率衰弱和光斑波動較大，由于沒有監(jiān)測及控制措施，會使粉末不能完全熔化，導(dǎo)致零件內(nèi)部存在熔合不良和氣孔缺陷，從而影響了零件質(zhì)量和性能。

（3）每一層鋪粉后的粉床鋪粉平整度以及是否完全鋪粉，零件局部高點區(qū)域未完全熔化或者局部缺少粉末虧肉，致使無法正常順利成形下去，從而影響了零件質(zhì)量和性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種用于激光精密成形技術(shù)的過程監(jiān)控系統(tǒng)及其監(jiān)控方法。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明提供了一種用于激光精密成形技術(shù)的過程監(jiān)控系統(tǒng)，其包括：

用于監(jiān)測激光精密成形設(shè)備成形艙室內(nèi)部的氧含量濃度的氧傳感監(jiān)測模塊，當氧含量偏差超過極限時，形成閉環(huán)控制，系統(tǒng)會立即切斷激光器，防止成形零件發(fā)生氧化，自動調(diào)節(jié)氣氛控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)成形艙室內(nèi)部氧含量，待氧含量低于要求時，系統(tǒng)會自動開啟激光并繼續(xù)打印工作；

用于檢測成形平臺溫度的溫度監(jiān)測模塊，在成形前會將成形平臺加熱到需求的溫度，在成形過程中平臺溫度會升高當超出極限時，中央控制系統(tǒng)會控制溫控模塊，降低平臺的溫度，確保設(shè)備繼續(xù)成形和成形質(zhì)量；

用于檢測每層到達粉床的功率情況和光斑直徑大小的光學監(jiān)測模塊，中央控制單元根據(jù)實際值與設(shè)定值進行對比，當偏差超出極限偏差時，中央控制單元將控制輸出功率和光斑補償，并在下一層成形過程中實現(xiàn)，確保能充分熔化每層金屬粉末，從而保證了零件的內(nèi)部質(zhì)量以及性能；

用于拍攝每一層鋪粉后的粉床情況照片的粉床監(jiān)測模塊，拍攝每一層鋪粉后的粉床的照片，通過對比系統(tǒng)中標準的照片數(shù)據(jù)，監(jiān)測平整度以及是否完全鋪粉。如果平整度超出偏差或者零件上未鋪滿粉末，中央控制系統(tǒng)控制成形平臺不動，料缸提升一層粉末高度，鋪粉刮刀重新鋪粉，調(diào)控平整度到要求的范圍內(nèi)，或者將零件上鋪滿粉末，從而保證成形零件的質(zhì)量；

以及用于控制所述氧傳感監(jiān)測模塊、溫度監(jiān)測模塊、光學監(jiān)測模塊、粉床監(jiān)測模塊的中央控制單元。

作為優(yōu)選方案，所述氧傳感監(jiān)測模塊包括氧傳感器、清洗閥以及補氣閥。在金屬粉末激光快速成型過程中，氧傳感器監(jiān)測成型艙室內(nèi)的氧含量，確保艙室內(nèi)氧含量低于0.05%；當氧含量超過0.05%時，中央控制系統(tǒng)會立即開啟補氣閥和清洗閥，通過置換艙室內(nèi)氣體方式，將氧含量調(diào)節(jié)至0.05%以下，確保成形過程安全以及成形質(zhì)量。

作為優(yōu)選方案，所述溫度監(jiān)測模塊為包括溫度傳感器、冷熱臺以及氣冷附件。在激光精密成形前，需將成形平臺預(yù)熱到需求溫度，待達到需求溫度時，才可以開始成形，在成形過程中，由于熱輸入作用，導(dǎo)致成形平臺溫度升高，當溫度傳感器監(jiān)測成形平臺溫度超過極限偏差±5%時，中央控制系統(tǒng)啟動氣冷附件，逐漸將成形平臺的溫度到要求的范圍內(nèi)，不會對激光精密成形產(chǎn)生影響。

作為優(yōu)選方案，所述光學監(jiān)測模塊用于監(jiān)測激光精密成形過程中的實時功率和光學直徑情況，當功率偏差超過極限偏差±2%或光斑直徑偏差超過±3%時，中央控制系統(tǒng)計算控制調(diào)整激光功率或光斑直徑補償，并應(yīng)用于下一層打印，確保激光功率和光斑直徑處于要求范圍內(nèi)，進一步保證粉末充分熔化和零件的成形質(zhì)量。

作為優(yōu)選方案，所述粉床監(jiān)測模塊包括CCD攝像機和圖像對比系統(tǒng)。采用CCD高速攝像機，拍攝每一層鋪粉后的粉床的照片，對比系統(tǒng)中標準的照片數(shù)據(jù)，監(jiān)測平整度以及是否完全鋪粉。如果平整度超出偏差或者零件上未鋪滿粉末，中央控制系統(tǒng)控制成形平臺不動，料缸提升一層粉末高度，鋪粉刮刀重新鋪粉，調(diào)控平整度到要求的范圍內(nèi)，或者將零件上鋪滿粉末，從而保證成形零件的質(zhì)量。

一種如前述的用于激光精密成形技術(shù)的過程監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控方法，其包括如下步驟：

在激光精密成形過程中，采用氧傳感器監(jiān)測成型艙室內(nèi)的氧含量，當艙室內(nèi)氧含量低于0.05%時，激光精密成形設(shè)備正常工作；當由于某種原因?qū)е鲁尚闻撌覂?nèi)部的氧含量超過0.05%時，中央控制系統(tǒng)會立即開啟補氣閥和清洗閥，通過置換方式，將氧含量快速調(diào)節(jié)至0.05%以下，然后關(guān)閉補氣閥和清洗閥，在此過程中保持繼續(xù)成形，確保成形過程安全以及成形質(zhì)量。

在激光精密成形前，中央控制系統(tǒng)根據(jù)要求溫度，開啟冷熱臺，將成形平臺預(yù)熱到要求溫度，待達到要求溫度時，關(guān)閉冷熱臺，方可開始成形；在成形過程中，由于激光熱輸入作用，可能導(dǎo)致成形平臺溫度不斷升高，當平臺溫度超過要求溫度±5%時，中央控制系統(tǒng)啟動氣冷附件，快速將成形平臺的溫度冷卻到要求的范圍內(nèi)，降低平臺溫度對激光精密成形過程以及零件質(zhì)量造成不良影響。

采用光學檢測模塊監(jiān)測激光精密成形過程中的激光功率情況，要求功率波動偏差為±2%。功率檢測儀會實時檢測激光精密成形每一層的功率情況，并將實時數(shù)據(jù)傳遞給中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)會計算出該層激光功率的平均偏差，當偏差超過±2%時，中央控制系統(tǒng)會調(diào)整下一層的激光功率補償值，并應(yīng)用于下一層成形，確保激光功率處于正常范圍內(nèi)，從而保證激光精密成形過程以及零件質(zhì)量的穩(wěn)定性；同時采用光學監(jiān)測模塊到達粉床上的光斑直徑大小，會將每一層的檢測數(shù)據(jù)傳遞給中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)會計算出該層光斑直徑的平均偏差，當偏差超過±3%時，中央控制系統(tǒng)會調(diào)整下一層的激光光斑直徑補償值，并應(yīng)用于下一層成形，確保激光光斑直徑處于正常范圍內(nèi)，從而保證激光精密成形過程以及零件質(zhì)量的穩(wěn)定性。

粉床監(jiān)測模塊包括CCD攝像機和圖像對比系統(tǒng)。采用CCD高速攝像機，拍攝每一層鋪粉后的粉床的照片，對比系統(tǒng)中標準的照片數(shù)據(jù)，監(jiān)測平整度以及是否完全鋪粉。如果平整度超出偏差或者零件上未鋪滿粉末，中央控制系統(tǒng)控制成形平臺不動，料缸提升一層粉末高度，鋪粉刮刀重新鋪粉，調(diào)控平整度到要求的±0.02mm范圍內(nèi)，或者將零件上鋪滿粉末，從而保證成形零件的質(zhì)量。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1、獲得更多的過程的信息，用來更好的理解激光精密成形工藝過程的現(xiàn)象；

2、提升激光精密成形零件質(zhì)量，有利于減少零件內(nèi)部缺陷；

3、建立激光精密成形過程的閉環(huán)控制，實現(xiàn)激光精密成形的智能化；

4、可以嚴密監(jiān)控過程狀態(tài)的變化，為實時調(diào)節(jié)工藝參數(shù)提供依據(jù)，保證工藝的可重復(fù)性以及質(zhì)量的穩(wěn)定性。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明的監(jiān)控系統(tǒng)的原理框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明提供了一種用于激光精密成形技術(shù)的過程監(jiān)控系統(tǒng)，其包括：

用于監(jiān)測激光精密成形設(shè)備成形艙室內(nèi)部的氧含量濃度的氧傳感監(jiān)測模塊，生產(chǎn)廠家為北京仙塔納克機電技術(shù)有限責任公司，型號為XT0012；

用于檢測成形平臺溫度的溫度監(jiān)測模塊，生產(chǎn)廠家為上海恒商精密儀器有限公司，型號為HCS410；

用于檢測模塊檢測每層到達粉床的功率情況和光斑直徑大小的光學監(jiān)測模塊，生產(chǎn)廠家為廣州固潤光電科技有限公司，型號為定制；

用于拍攝每一層鋪粉后的粉床情況照片的粉床監(jiān)測模塊，生產(chǎn)廠家為南通金源智能技術(shù)有限公司，該模塊主要包括CCD攝像機和圖像對比系統(tǒng)；

以及用于控制所述氧傳感監(jiān)測模塊、溫度監(jiān)測模塊、光學監(jiān)測模塊和粉床監(jiān)測模塊的中央控制系統(tǒng)。

作為優(yōu)選方案，所述氧傳感監(jiān)測模塊包括氧傳感器、清洗閥以及補氣閥。在鈦合金激光快速成型過程中，要求成形艙室內(nèi)部氧含量低于0.05%，激光精密成形設(shè)備才能開始打印成形。而采用氧傳感器模塊監(jiān)測成型艙室內(nèi)的氧含量，中央控制系統(tǒng)會根據(jù)實時的氧含量數(shù)據(jù)進行判斷，當成形艙室內(nèi)部氧含量超過0.05%時，會立即開啟補氣閥和清洗閥，通過置換艙室內(nèi)氣體的方式，快速將氧含量調(diào)節(jié)至0.05%以下，確保成形過程安全以及成形質(zhì)量。

作為優(yōu)選方案，所述溫度監(jiān)測模塊為包括溫度傳感器、冷熱臺以及氣冷附件。在鈦合金激光精密成形前，需將成形平臺預(yù)熱到40℃+5%，中央控制系統(tǒng)啟動冷熱臺將成形平臺加熱到要求溫度后，方可開始成形。在鈦合金激光精密成形過程中，由于激光反復(fù)掃描的熱輸入作用，可能會導(dǎo)致成形平臺溫度升高超過要求，當溫度傳感器監(jiān)測成形平臺溫度超過極限偏差+5%時，中央控制系統(tǒng)啟動氣冷附件，冷卻介質(zhì)為液氬，逐漸將成形平臺的溫度冷卻到要求的溫度范圍內(nèi)，不會對激光精密成形產(chǎn)生影響。

作為優(yōu)選方案，所述光學監(jiān)測模塊包括功率檢測儀和光譜儀，用于監(jiān)測激光精密成形過程中的實時功率情況和光斑直徑大小，當功率偏差超過±2%或光斑直徑偏差超過±3%時，中央控制系統(tǒng)計算控制調(diào)整激光功率補償或光斑直徑補償，并應(yīng)用于下一層打印，直至激光功率或光斑直徑處于正常范圍內(nèi)，使激光功率密度滿足激光精密成形要求，從而確保粉末充分熔化和零件成形質(zhì)量。

作為優(yōu)選方案，所述粉床監(jiān)測模塊包括CCD攝像機和圖像對比系統(tǒng)。采用CCD高速攝像機，拍攝每一層鋪粉后的粉床的照片，對比系統(tǒng)中標準的照片數(shù)據(jù)，監(jiān)測平整度以及是否完全鋪粉。如果平整度超出偏差或者零件上未鋪滿粉末，中央控制系統(tǒng)控制成形平臺不動，料缸提升一層粉末高度，鋪粉刮刀重新鋪粉，調(diào)控平整度到要求的范圍內(nèi)，或者將零件上鋪滿粉末，從而保證成形零件的質(zhì)量。

一種如前述的用于激光精密成形技術(shù)的過程監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控方法，如圖1所示，其包括如下步驟：

一、在激光精密成形過程中，采用氧傳感器監(jiān)測成型艙室內(nèi)的氧含量，當艙室內(nèi)氧含量低于0.05%時，激光精密成形設(shè)備正常工作；當由于某種原因?qū)е鲁尚闻撌覂?nèi)部的氧含量超過0.05%時，中央控制系統(tǒng)會立即開啟補氣閥和清洗閥，通過置換方式，將氧含量快速調(diào)節(jié)至0.05%以下，然后關(guān)閉補氣閥和清洗閥，在此過程中保持繼續(xù)成形，確保成形過程安全以及成形質(zhì)量。

二、在激光精密成形前，中央控制系統(tǒng)根據(jù)要求溫度，開啟冷熱臺，將成形平臺預(yù)熱到要求溫度，待達到要求溫度時，關(guān)閉冷熱臺，方可開始成形；在成形過程中，由于激光熱輸入作用，可能導(dǎo)致成形平臺溫度不斷升高，當平臺溫度超過要求溫度±5%時，中央控制系統(tǒng)啟動氣冷附件，快速將成形平臺的溫度冷卻到要求的范圍內(nèi)，降低平臺溫度對激光精密成形過程以及零件質(zhì)量造成不良影響。

三、采用光學檢測模塊監(jiān)測激光精密成形過程中的激光功率情況，要求功率波動偏差為±2%。功率檢測儀會實時檢測激光精密成形每一層的功率情況，并將實時數(shù)據(jù)傳遞給中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)會計算出該層激光功率的平均偏差，當偏差超過±2%時，中央控制系統(tǒng)會調(diào)整下一層的激光功率補償值，并應(yīng)用于下一層成形，確保激光功率處于正常范圍內(nèi)，從而保證激光精密成形過程以及零件質(zhì)量的穩(wěn)定性；同時采用光學監(jiān)測模塊到達粉床上的光斑直徑大小，會將每一層的檢測數(shù)據(jù)傳遞給中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)會計算出該層光斑直徑的平均偏差，當偏差超過±3%時，中央控制系統(tǒng)會調(diào)整下一層的激光光斑直徑補償值，并應(yīng)用于下一層成形，確保激光光斑直徑處于正常范圍內(nèi)，從而保證激光精密成形過程以及零件質(zhì)量的穩(wěn)定性。

四、粉床監(jiān)測模塊包括CCD攝像機和圖像對比系統(tǒng)。采用CCD高速攝像機，拍攝每一層鋪粉后的粉床的照片，對比系統(tǒng)中標準的照片數(shù)據(jù)，監(jiān)測平整度以及是否完全鋪粉。如果平整度超出偏差或者零件上未鋪滿粉末，中央控制系統(tǒng)控制成形平臺不動，料缸提升一層粉末高度，鋪粉刮刀重新鋪粉，調(diào)控平整度到要求的±0.02mm范圍內(nèi)，或者將零件上鋪滿粉末，從而保證成形零件的質(zhì)量。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。