本發明屬于激光技術領域中的增材制造領域。具體來講是一種用于增材制造設備的控制系統及控制方法。

背景技術：

現有的金屬3D打印技術按照送料形式的不同主要有金屬粉末3D打印技術、金屬送絲3D打印技術。而金屬粉末3D打印技術又細分為送粉式金屬3D打印技術以及鋪粉式金屬3D打印技術。相比于送粉式金屬3D打印技術，鋪粉式金屬3D打印技術更加成熟，現已小批量用于汽車、航空以及模具行業的生產制造。鋪粉式金屬3D打印技術的成熟得益于生產工藝的成熟，由此可見送粉式金屬3D打印技術未來的突破口更加傾向于生產工藝的突破。

由于送粉式金屬3D打印技術生產過程復雜，零件成型質量影響因素眾多，各影響因子聯合控制比較困難，因此現階段該技術的生產工藝的控制多停留在開環控制。采用送粉式金屬3D打印技術成型零件的過程中，由于成型時間較長，導致設定的工藝參數隨著環境以及時間的變化而變化，由此導致成型零件材料性能偏低、零件表面形貌粗糙等不良現象。綜合分析送粉式金屬3D打印技術成型過程，可知采用送粉式金屬3D打印設備成型零件過程中熔覆寬度（以下簡稱“熔寬”,當熔池沒有溢出的情況下，熔寬與熔池尺寸大小相同）的改變將會導致設定的搭接率（相鄰掃描道間重疊部分的大小占據單道掃描時熔覆寬度大小的比例）的變化，造成成型零件內部出現孔隙、道與道間搭接不良等現象。間接造成成型零件力學性能低下等缺陷。

而現有的技術解決方法多采用后處理的方式消除零件成型過程中生產工藝參數變化帶來的不良影響。但是采用后處理的方式不僅僅增加企業的制造成本，同時使得產品的生產合格率得不到有效保障，因此急需一種方式能夠有效的控制生產工藝參數在成型過程中保持在設定的范圍之內。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，而提供一種成型過程中搭接良好使成型產品具有穩定力學性能的用于送粉式增材制造設備的控制系統及控制方法。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案如下：

一種用于送粉式增材制造設備的控制系統，所述增材制造設備包括送粉機構、激光器以及送粉噴嘴，其特征在于：所述控制系統包括控制器、圖像采集裝置以及圖像處理器，所述圖像采集裝置用于獲取經噴嘴出料在所述激光器作用下形成的熔池圖像；所述圖像處理器對所述圖像采集裝置采集的熔池圖像進行處理并得到熔池寬度；所述控制器根據所述處理器得到的熔池寬度與設定的熔池寬度進行比較，當圖像處理器得到的熔池寬度大于設定的熔池寬度，則減小所述激光器的功率；當圖像處理器得到的熔池寬度小于設定的熔池寬度，則增大所述激光器的功率，當激光器的功率調整到極限功率仍不能滿足設定熔池寬度，則增加所述送粉機構的送粉量。

所述控制器包括比較模塊、存儲模塊以及控制模塊，所述存儲模塊存儲所述同樣大小的激光光斑下不同搭接率對應的熔池寬度的數據（對應公式：λ= D/W,其中，λ為搭接率，D為相同工藝參數下兩個掃描道之間重疊部分的尺寸，W為同一工藝參數下單道熔池寬度），以及同樣大小的激光光斑下不同激光功率以及送粉量對應的熔池尺寸的數據；所述比較模塊用于比較所述圖像處理模塊獲取的熔池寬度和存儲模塊存儲的熔池寬度；所述控制器根據比較模塊的比較結果和存儲模塊存儲的同樣大小的激光光斑下不同激光功率以及送粉量對應的熔池尺寸的數據，控制所述激光器的輸出功率和送粉機構的送粉量。

所述圖像處理器包括慮噪處理模塊以及圖像識別模塊，所述慮噪處理模塊對所述圖像采集裝置獲取的熔池圖像進行慮噪處理；所述圖像識別模塊根據慮噪處理的圖像進行識別得到熔池寬度。

所述圖像采集裝置為攝像模塊。

所述攝像模塊帶有濾鏡保護，且攝像模塊安裝在送粉噴嘴上并進行實時監控。

所述控制器為工業控制計算機。

一種用于送粉式增材制造設備的控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、實時獲取激光作用在工件上的熔池圖像；

步驟二、對步驟一獲取的熔池圖像進行處理得到實時熔池寬度；

步驟三、將步驟二得到的熔池寬度與設定的熔池寬度進行比較，根據比較結果首先調整激光器的輸出功率，如果還沒滿足設定熔池寬度，則調整打印頭的送粉量。

所述步驟三的具體方法為：將步驟二獲取的當前熔池寬度與設定搭接率對應的熔寬寬度求差，當差值為負數時，根據熔池寬度與激光功率及送粉量相關的數據獲取當前送粉量下的極限功率；若當前激光功率小于極限功率，則增大當前激光功率直到當前熔池尺寸達到設定的搭接率對應的熔池寬度；若激光功率達到極限功率，則增加送粉量來增大當前的熔池尺寸；當差值為正時，減小當前激光功率，直到當前熔池寬度達到設定的搭接率對應的熔池寬度。

通過大量工藝實驗，建立送粉式金屬增材制造技術中不同金屬材料成型過程中同樣大小的激光光斑下設置不同搭接率對應的熔池尺寸的數據庫，并擬合成相應的曲線(如圖1所示)。

通過大量工藝實驗，建立送粉式金屬增材制造技術中不同金屬材料成型過程中同樣大小的激光光斑下不同激光功率對應的熔池尺寸數據庫以及相同激光功率下不同送粉量對應的熔覆寬度數據庫，并擬合成相應的曲線（如圖2、3所示）。

在送粉式金屬增材制造設備的送粉噴嘴上安裝帶有濾鏡保護的攝像模塊，實時將采集的視頻通過數據線傳輸給送粉式金屬增材制造設備配套的工業控制計算機。工業控制計算機接受到數據后，對采集的圖像進行識別，計算出當前熔池的尺寸。并將計算出的熔池尺寸與設定的搭接率對應的熔池大小進行比較。

當“計算出的熔池尺寸”與“設定的搭接率對應的熔池尺寸”的絕對差值超出設定的閾值時，則通過優先調節激光功率的大小、其次調節送粉量的方式來改變當前熔池的大小。

與現有的技術相比，本發明實現了送粉式金屬增材制造技術加工過程中熔池尺寸的閉環控制，可以有效的避免成型過程中由于外部因素的影響導致熔池尺寸的變化進而引起的搭接率的改變的現象。

附圖說明

圖1 為搭接率與熔寬的曲線示意圖。

圖2 為熔池寬度與激光功率的曲線示意圖。

圖3 為熔寬與送粉量的曲線示意圖。

圖4為該控制系統的工作流程圖。

圖5為本發明控制系統與送粉是金屬3D打印設備連接示意圖。

其中，1為工業控制計算機，2為數據線，3為送粉噴嘴，4為攝像模塊，5為反光鏡，6為激光光束，7為成型零件，8為工作臺，11為圖像處理器，12為存儲模塊，13為比較模塊，14為控制模塊，15為激光器控制系統。

具體實施方式

下面結合圖4、圖5對具體的實施過程做進一步的闡述：

圖4所示為該控制系統工作流程圖。本發明一種用于送粉式增材制造設備的控制系統，可廣泛應用于如3D激光打印等增材制造設備中，圖中包含工業控制計算機1，攝像模塊4，圖像處理器11，存儲模塊12，比較模塊13，激光器控制系統15。圖5所示為該閉環控制系統的硬件結構示意圖，包含工業控制計算機1，數據線2，送粉噴嘴3，攝像模塊4，反光鏡5，激光光束6，成型零件7，工作臺8。

如圖5所示，在送粉噴嘴3內部裝有反光鏡5與攝像模塊4，加工過程中熔池場景通過送粉噴嘴3內部的反光鏡5將圖像反射至攝像模塊4（如圖5中虛線表示的反射示意圖）。攝像模塊4將采集的熔池圖像通過數據線2傳送至工業控制計算機1。如圖4所示，工業控制計算機1（控制器）將接受的熔池圖像數據交由內部的圖像處理器11處理，圖像處理器11對接受的圖像數據進行慮噪處理，并進行圖像識別，計算出當前熔池的尺寸，然后將尺寸數據返回給工業控制計算機1。

工業控制計算機1從存儲模塊12中的數據庫內讀取設定搭接率對應的熔寬。然后將讀取的熔寬值與計算出的當前熔池的尺寸值一起發送給比較模塊13。比較模塊13對接受的兩個不同的數字求差，并將差值傳遞給工業控制計算機1。

工業控制計算機1將接受的差值發送給控制模塊14，控制模塊14對接受的差值進行處理。當差值為負數時，則可知當前熔池的尺寸偏小，則通過工業控制計算機1查詢存儲模塊12中存放的熔池尺寸與激光功率及送粉量相關的數據庫獲取當前送粉量下的極限功率（注：送粉量恒定時，熔池的尺寸隨著激光功率的增大會先增大而后逐漸穩定，而穩定后的激光功率即為極限功率）。若當前激光功率小于極限功率，則通過激光器控制系統15增大當前激光功率直到當前熔池尺寸達到設定的搭接率對應的熔寬的大小。若激光功率達到極限功率，則通過激光器控制系統15增加送粉量來增大當前的熔池尺寸。當差值為正時，可知當前熔池的尺寸偏大，只需減小當前激光功率即可，直到當前熔池尺寸達到設定的搭接率對應的熔寬的大小。

圖1 為搭接率與熔寬的曲線示意圖，橫坐標為W（熔池寬度），縱坐標為λ（搭接率），可知隨著熔池寬度的增大，搭接率逐漸變小。圖2 為熔池寬度（W）與激光功率（P）的曲線示意圖。圖2中原點到虛線之間的部分，有激光功率尚不能完全熔覆熔池中的粉末，因此熔寬隨著激光功率的增大而增大；虛線之后，激光功率能夠完全融化熔池中的粉末，且出現功率冗余現象，因此熔寬趨于穩定。此時，取虛線所在位置為極限功率值。

圖3 為熔池寬度（W）與送粉量(Q)的曲線示意圖。當激光功率一定時，圖3中坐標原點到第一個虛線之間由于送入熔池中的粉末能夠完全融入熔池內，因此該部分熔寬與熔池寬度一樣保持不變；第一個虛線與第二個虛線之間，隨著送粉量的增大，送入的粉末都能被激光輸入的能量融化，而熔池的大小由于激光功率恒定后不會隨之改變，因此多出的金屬溶液溢出熔池，最終導致熔寬增大；第二個虛線到X坐標軸的正無窮方向，由于送入的金屬粉末超出了激光輸入能量所能融化的粉末量，因此該部分會隨著送粉量的加大，熔寬趨于穩定。

在采用送粉式金屬3D打印技術成型過程中，持續采集熔池的圖像并對激光功率與送粉量進行調節，達到成型過程中的閉環控制。