專利名稱：回轉體表面激光快速成形方法及其系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及快速成形技術，具體地說是一種回轉體表面激光快速成形 方法及其系統。
背景技術：
快速成形技術是八十年代末興起并得到迅速發展的嶄新制造技術，被 認為是近二十年來制造技術領域的一次重大突破，其對制造業的影響可與 數控技術的出現相比。
在快速成形技術的發展歷程中，按照成形材料劃分可將快速成形技術 分為以下三個階段基于非金屬材料的原型件快速成形技術、基于傳統快 速原型設備的金屬零件直接成形技術、金屬零件直接快速成形技術。金屬 零件直接快速成形技術因其可直接由金屬粉末經高功率激光烙覆制造成形 金屬功能零件而倍受人們的關注，并且取得了非常長足的發展。
快速成形技術是將計算機數據處理、機械工程、CAD、數控技術、激
光技術及材料科學技術熔合為一體的一項技術，其中數據處理算法是人們
一直研究的熱點之一。通常快速成形數據處理的步驟是首先在計算機上
制作出零件三維CAD模型，將零件三維CAD模型進行網格化處理后存儲 成STL格式文件；然后對STL格式文件進行分層切片處理，得到各層截面 的二維輪廓信息；最后按照這些輪廓信息自動生成快速成形加工路徑。在 目前快速成形的各種工藝技術中，均是通過各種各樣的計算機數據處理算 法，將CAD實體模型離散成STL文件后，用二維平面進行切片分層處理， 所得到的各個分層輪廓均在一個二維平面內。因此在成形加工的過程中， 均是選擇適當的一個平面材料做為支撐的基體。而采用圓柱曲面作為三維 空間內的分層切片曲面進行分層切片數據處理仍然未見報道，因此以回轉 體為支撐基體的回轉體表面激光快速成形技術是一項新的快速成形技術。

發明內容
為了能夠在回轉體表面進行快速成形加工，制造出能夠直接進行功能 性應用的回轉類金屬零件，本發明提供--種回轉體表面激光快速成形加工 方法及其系統。
本發明技術方案如下回轉體表面激光快速成形方法以回轉面分層 切片、回轉掃描路徑填充方法形成系統加工路徑的數據依據；采用高功率 聚焦激光束為能量源，進行激光熔覆成形；利用擺動式同軸送粉，實現粉末在垂直和水平方向任意角度送給；并使金屬粉末在運動控制單元的自動 控制下、在直線與回轉三軸聯動的執行機構上，完成掃描填充成形過程，
從而直接、自動、快速地制備成形全密度金屬功能零件；
所述回轉分層切片方法指在回轉體零件的CAD建模時，以一定直徑 的回轉體為基體，在基體上設計出零件的形狀特征，將該CAD模型離散， 將離散數據以STL格式保存；將一系列同心圓柱曲面作為STL文件的分層 曲面，再進行分層切片數據處理，得到相應各層同心圓柱曲面上的輪廓形 狀；所述回轉掃描路徑填充方法是以回轉掃描形式對圓柱曲面上的輪廓形 狀進行掃描路徑填充處理，將得到的掃描路徑數據保存為CLI格式的文件， 作為系統加工路徑的數據依據；
其中所述高功率聚焦激光束選自橫流、多模、針板式3KWC02激光器， 激光輸出功率不穩定度小于±2%，電子光閘反應速度小于50ms。
回轉體表面激光快速成形系統由激光光源、運動執行機構、擺動式 同軸送粉機構、存有分層切片數據處理程序及運動控制程序的運動控制單 元組成。激光光源輸出激光束經過運動執行機構、擺動式同軸送粉機構的 光路至基體表面，運動執行機構末端與擺動式同軸送粉機構相連接，運動 控制單元一方面與激光光源電連接，控制激光開關；另一方面分別與運動 執行機構中的各軸電機電連接，按分層切片數據處理程序及運動控制程序 指令控制各軸運動。
本發明具有如下特點
1. 本發明采用同心圓柱曲面對回轉體零件進行分層切片數據處理，采 用螺旋掃描形式對圓柱曲面內的各輪廓進行掃描路徑填充處理，提供了回 轉體零件激光直接快速成形制造技術的一個新的技術路線。
2. 與傳統的激光氣動光閘不同，在本發明的系統中采用了可控硅電子 光閘技術，并且可由計算機進行激光的開關控制。其特點的反應迅速、可 控性好、無機械振動、節約能源、能量穩定。
3. 本發明在原有的粉末噴嘴基礎上，設計了可在水平面與垂直面間實 現90。角內的任意角擺動的送粉結構，實現了垂直面、水平面以及其間的任 意角度的成形加工，極大地提高了粉末噴嘴的工作能力和成形適用范圍。
4. 本發明基于PC機的運動控制單元以及運動執行機構，其標準化程 度高、柔性好、開放性強、節約成本、操作簡單、可充分發揮PC機的強大 功能。采用伺服電機、步進電機以及精密的滾珠絲杠和滾珠導軌組成運動 執行機構，定位精度與重復定位精度均極高。


圖1是本發明的系統總體結構圖。
圖2是圖1中擺動粉末噴嘴機構結構示意圖。圖3是本發明采用圖2所示擺動粉末噴嘴機構用于回轉體表面激光快 速成形的一個實施例。
圖4是圖1中運動控制單元結構示意圖。
圖5是圖4中分層切片數據處理程序流程圖。 圖6是圖4中運動控制程序流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
本發明回轉體表面激光快速成形方法以回轉面分層切片、回轉掃描 路徑填充方法形成系統加工路徑的數據依據；采用高功率聚焦激光束為能 量源，進行激光熔覆成形；利用擺動式同軸送粉，實現粉末在垂直和水平 方向任意角度送給；并使用金屬粉末在運動控制單元的自動控制下、在直 線與回轉三軸聯動的執行機構上，完成掃描填充成形過程，從而直接、自 動、快速地制備成形全密度金屬功能零件；
所述回轉分層切片方法指在回轉體零件的CAD建模時，以一定直徑 的回轉體為基體，在基體上設計出零件的形狀特征，將該CAD模型離散， 將離散數據以STL格式保存；將一系列同心圓柱曲面作為STL文件的分層 曲面，再進行分層切片數據處理，得到相應各層同心圓柱曲面上的輪廓形 狀；所述回轉掃描路徑填充方法是以回轉掃描形式對圓柱曲面上的輪廓形 狀進行掃描路徑填充處理，將得到的掃描路徑數據保存為CLI格式的文件， 作為系統加工路徑的數據依據；
其中所述高功率聚焦激光束選自橫流、多模、針板式3KWC02激光器， 激光輸出功率不穩定度小于±2%，電子光閘反應速度小于50ms;
采用高功率聚焦激光束為能量源的情況下，可以通過計算機進行激光 開關的反應迅速的自動控制，進行激光熔覆成形。
本發明回轉體表面激光快速成形系統由激光光源l，運動執行機構， 擺動式同軸送粉機構，存有分層切片數據處理程序及運動控制程序的運動 控制單元9組成，其中激光光源1輸出激光束2經運動執行機構、擺動式 同軸送粉機構的光路至基體表面，運動執行機構末端與擺動式同軸送粉機 構相連接，運動控制單元9 一方面與激光光源1電連接，控制激光開關； 另一方面分別與運動執行機構中的各軸電機電連接，按分層切片數據處理 程序及運動控制程序指令控制各軸運動。
運動執行機構由F軸4，與Z軸伺服電機3相連的Z軸5， f/軸7，機 座8，回轉基體18組成，機座8為L型結構，置有回轉基體18的f/軸7 作為回轉轉臺，安裝在機座8水平方向上，Z軸5位于t/軸7上方，下端 與擺動粉末噴嘴機構6安裝在一起，上端與Z軸伺服電機3， Z軸5通過導 軌與7軸4垂直安裝在一起；r軸4位于垂直方向的機座8上；其中.F軸4、t/軸7的伺服電機分別位于機座8內；Z軸5和r軸4內設與激光光源1 光路相通的通道。
圖4是運動控制單元9，由插入工業控制計算機中的運動控制器和I/O 控制器組成，其中運動控制器為市購產品，采用研華PCI-1240型卡，I/O 控制器為市購產品，采用研華PCI-1755型卡，運動控制器輸出至Y軸4、 Z軸5、 U軸7、 V軸四軸驅動器，用以驅動各軸伺服電機及步進電機；I/O 控制器控制激光光源1中的冷水機組、真空泵、風機、高壓以及電子光閘 的開關；工業控制計算機內還存有分層切片數據處理程序及運動控制程序， 驅動Y軸4、 Z軸5、 U軸7、 V軸運動。
所述分層切片數據處理程序具體流程(如圖5所示)為首先進行回 轉體零件的CAD建模；然后將該CAD模型離散成三角面片，并將離散數 據以STL格式保存；第三步是STL文件的檢測與修復；第四步是基于圓柱 曲面的分層切片數據處理，得到輪廓形狀；第五步是基于回轉掃描的輪廓 填充處理；最后將得到的掃描路徑數據保存為CLI格式的文件，作為系統 加工路徑的數據依據。
所述運動控制程序具體流程(如圖6所示)為首先對運動控制器進 行初始化；然后各個運動軸執行歸零運動；第三步是進行運動控制判斷， 即在不進行運動控制時，執行各軸位置調整運動；在進行運動控制時， 進行由CLI數據文件驅動的成形加工運動；最后判斷是否進行新的運動(即 新的運動控制)，如果選"是"則跳轉執行，如果選"否"則退出運動控制 程序。
擺動式同軸送粉機構由固定筒IO，同步帶ll，粉末噴射口 13，激光輸 出口 14，旋轉筒16，歩進電機17組成，旋轉筒16、步進電機17安裝在固 定筒10上，步進電機17通過同步帶11與在垂直方向安裝有粉末噴射口 13 的旋轉筒16連接，使旋轉筒16可帶動粉末噴射口 13在水平面與垂直面間 實現90。角擺動，用于傳遞旋轉扭矩；激光輸出口 14位于旋轉筒16的激光 光路上，激光輸出口 14設于噴射口 13內部；激光輸出口 14經旋轉筒16、 固定筒10與運動執行機構中的光路相通。
光路由一次反射鏡，二次反射鏡12、三次反射鏡15，其中一次反射鏡 安裝在Z軸5中，位于光路上，二次反射鏡12安裝在固定筒IO底部，與 安裝旋轉筒16端部的三次反射鏡15在同一光路上。二次反射鏡12及三次 反射鏡15均45度角安裝，并相互平行(三次反射鏡15通過旋轉筒16與 二次反射鏡12平行、位于在激光輸出口 14上方)。
本發明原理所述運動執行機構由帶動成形零件(安裝在t/軸7上方 的回轉轉臺上)做旋轉運動的t/軸7、帶動擺動式同軸送粉機構進行徑向 進給運動的F軸4、帶動擺動式同軸送粉機構進行軸向進給運動的Z軸5、帶動擺動式同軸送粉機構的粉末噴射口 13在水平面與垂直面間實現90°角
擺動的r軸(參見圖3，旋轉筒16的回轉中心線即為V軸，實際是繞X軸 的回轉軸)，Z軸5—端與Z軸伺服電機3相連接，另一端與擺動式同軸送 粉機構6相連，做徑向進給運動的Y軸4 一端與垂直方向上的機座8安裝 在一起，且通過滑動機構(導軌)與Z軸5水平向滑動連接，實現分層厚 度上的間歇進給，可執行獨立運動；Y軸4 、 Z軸5分別采用伺服電機驅 動；而U-V-Z三軸實現三軸聯動(即U軸為繞Z的旋轉軸，V軸為繞X 軸的旋轉軸，其聯動的實現通過三軸插補運動實現)，從而實現精確的掃描 填充成形過程。"、K二軸采用步進電機驅動。可成形的回轉體最大直徑 1000ww、最小直徑100ww、最大高度500/ww、最小高度20mm。
在圖1中，在基于工業PC機以及運動控制器的運動控制單元9集成控 制下，激光器1采用可控硅電子光閘技術，激光器1發出的高功率激光束2 經過導光光路三次反射并且聚焦，經粉末噴嘴6的出口處，將熔化的金屬 粉末熔覆到基體上，U軸7帶動成形零件做回轉運動，同時Y軸4、 Z軸5 完成軸向和徑向進給運動，即可完成成形運動的全部過程。
在圖2中，聚焦激光束經過二次反射鏡12和三次反射鏡15的反射， 從激光輸出口14輸出，照射在作為加工零件的基體上形成熔池；安裝在固 定筒10上的步進電機17通過同步帶11將旋轉扭矩傳遞給旋轉筒16，形成 V軸(旋轉筒16的回轉中心線即為V軸)，從而帶動噴嘴機構13實現其旋 轉擺動；金屬粉末經過粉末噴射口 B匯聚噴出，噴入熔池內，在激光的照 射下實現熔覆。
如圖3所示，回轉體表面激光快速成形實施例中，回轉基體18裝夾在 U軸7上并且調整好回轉中心，作為回轉轉臺的U軸7在伺服電機的驅動 下做連續回轉運動；歩進電機17帶動V軸旋轉，將粉末噴嘴轉至水平噴射 位置并且固定不動；擺動式同軸送粉機構6在Z軸的伺服電機的驅動下做 軸向進給運動，并與U軸7的運動合成螺旋進給方式；擺動式同軸送粉機 構6在Y軸的伺服電機的驅動下做間歇徑向進給運動，實現熔覆層的遞增。 回轉掃描熔覆路徑規劃執行分層切片數據處理程序，回轉掃描熔覆路徑通 過運動控制程序實現。
本發明回轉體表面激光快速成形系統主要技術參數指標
可成形的回轉體零件最大尺寸O1000X500;
系統外型尺寸4500X2000X1800;
系統自重4000
成形速度0.05 50 mm/s;
聚焦激光光斑直徑0.5 5 mm。
權利要求
1. 一種回轉體表面激光快速成形方法，其特征在于以回轉面分層切片、回轉掃描路徑填充方法形成系統加工路徑的數據依據；采用高功率聚焦激光束為能量源，進行激光熔覆成形；利用擺動式同軸送粉，實現粉末在垂直和水平方向任意角度送給；并使用金屬粉末在運動控制單元的自動控制下、在直線與回轉三軸聯動的執行機構上，完成掃描填充成形過程，從而直接、自動、快速地制備成形全密度金屬功能零件。
2. 按權利要求1所述回轉體表面激光快速成形方法，其特征在于所 述回轉分層切片方法是指在回轉體零件的CAD建模時，以一定直徑的回 轉體為基體，在基體上設計出零件的形狀特征，將該CAD模型離散，將離 散數據以STL格式保存;將一系列同心圓柱曲面作為STL文件的分層曲面， 再進行分層切片數據處理，得到相應各層同心圓柱曲面上的輪廓形狀。
3. 按權利要求1所述回轉體表面激光快速成形方法，其特征在于所 述回轉掃描路徑填充方法是以回轉掃描形式對圓柱曲面上的輪廓形狀進行 掃描路徑填充處理，將得到的掃描路徑數據保存為CLI格式的文件，作為 系統加工路徑的數據依據。
4. 按權利要求1所述回轉體表面激光快速成形方法，其特征在于所述高功率聚焦激光束選自橫流、多模、針板式3KWC02激光器，激光輸出 功率不穩定度小于±2%，電子光閘反應速度小于50ms。
5. 按權利要求1 4之一所述回轉體表面激光快速成形方法，其特征在 于采用高功率聚焦激光束為能量源的情況下，可以通過計算機進行激光 開關的反應迅速的自動控制，進行激光熔覆成形。
6. —種按權利要求1所述回轉體表面激光快速成形方法所用系統，其 特征在于由激光光源(1)，運動執行機構，擺動式同軸送粉機構，存有 分層切片數據處理程序及運動控制程序的運動控制單元(9)組成，其中激 光光源(1)輸出激光束(2)經運動執行機構、擺動式同軸送粉機構的光 路至基體表面，運動執行機構末端與擺動式同軸送粉機構相連接，運動控 制單元(9) 一方面與激光光源(1)電連接，控制激光開關；另一方面分別與運動執行機構中的各軸電機電連接，按分層切片數據處理程序及運動 控制程序指令控制各軸運動。
7. 按權利要求6所述回轉體表面激光快速成形方法所用系統，其特征 在于運動執行機構包括機座(8)，為L型結構；U軸(7)，作為回轉轉臺，其上置有回轉基體(18)，安裝在機座(8)水平方向上，用于帶動安裝在其上的成形零件做旋轉運動；Z軸(5)，位于t/軸(7)上方，下端與擺動粉末噴嘴機構(6)安裝 在一起，上端安裝有Z軸伺服電機(3)，用于帶動擺動式同軸送粉機構進 行軸向進給運動；F軸(4)位于垂直方向的機座(8)上，通過導軌與Z軸(5)垂直安 裝在一起，用于帶動擺動式同軸送粉機構進行徑向進給運動；Z軸(5)和F軸(4)內設與激光光源(1)光路相通的通道。
8. 按權利要求7所述回轉體表面激光快速成形方法所用系統，其特征 在于其中r軸(4)、 t/軸(7)的伺服電機分別位于機座(8)內。
9. 按權利要求6所述回轉體表面激光快速成形方法所用系統，其特征 在于運動控制單元(9)，由由插入工業控制計算機中的運動控制器和1/0 控制器組成，工業控制計算機中存有分層切片數據處理程序及運動控制程 序，驅動r軸(4)， Z軸(5)，t/軸(7)， F軸。
10. 按權利要求6所述回轉體表面激光快速成形方法所用系統，其特 征在于所述擺動式同軸送粉機構由固定筒(10)，同步帶(11)，粉末噴 射口 (13)，激光輸出口 (14)，旋轉筒(16)，步進電機(17)組成，旋轉 筒(16)、步進電機(17)安裝在固定筒(10)上，步進電機(17)通過同 步帶(11)與在垂直方向安裝有粉末噴射口 (13)的旋轉筒(16)連接， 使旋轉筒(16)可帶動粉末噴射口 (13)在水平面與垂直面間實現90。角擺 動，用于傳遞旋轉扭矩；激光輸出口 (14)位于旋轉筒(16)的激光光路 上，激光輸出口 (14)設于噴射口 (13)內部；激光輸出口 (14)經旋轉 筒(16)、固定筒(10)與運動執行機構中的光路相通。
全文摘要
本發明涉及快速成形技術，具體地說是一種回轉體表面激光快速成形方法及其系統。其方法是以回轉面分層切片、回轉掃描路徑填充方法形成系統加工路徑的數據依據；采用高功率聚焦激光束為能量源，進行激光熔覆成形；利用擺動式同軸送粉，實現粉末在垂直和水平方向任意角度送給；并使用金屬粉末在運動控制單元的自動控制下、在直線與回轉三軸聯動的執行機構上，完成掃描填充成形過程，從而直接、自動、快速地制備成形全密度金屬功能零件。采用本發明能夠使金屬粉末在運動控制單元的自動控制下、在直線與回轉聯動的執行機構上，實現在回轉體表面進行快速成形加工，制造出直接進行功能性應用的回轉類金屬零件。
文檔編號B22F7/04GK101468395SQ20071015921
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月26日 優先權日2007年12月26日
發明者劉偉軍, 尚曉峰, 論 李, 光 楊, 田鳳杰 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所