CN112453428A

CN112453428A - 一种双通道激光增材制造数控***

Info

Publication number: CN112453428A
Application number: CN202011247159.5A
Authority: CN
Inventors: 刘金肖; 李英; 李悦
Original assignee: Beijing Institute of Computer Technology and Applications
Current assignee: Beijing Institute of Computer Technology and Applications
Priority date: 2020-11-10
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2021-03-09
Anticipated expiration: 2040-11-10
Also published as: CN112453428B

Abstract

本发明公开了一种双通道激光增材制造数控***，所述***包括控制***、数据采集***、在线监控***和HMI单元，其中：所述控制***采用基于总线的多功能模块设计，包含核心控制单元、轴控制单元、位置反馈单元、数字输入输出控制单元；数据采集***集成有模拟量采集卡、数字I/O采集卡；在线监控***包括工控机、CCD高速摄像机、红外成像仪；所述HMI单元与所述控制***连接，包括液晶屏、全功能键盘和下操作面板，用于实现工艺参数的输入、加工程序的编辑、沉积轴/运动轴位置坐标和报警信息的显示。上述***能提高在增材制造加工过程中对双通道加工工艺结合数据的分析能力，并实时监测加工状态，提高加工质量。

Description

一种双通道激光增材制造数控***

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种双通道激光增材制造数控***。

背景技术

目前，增材制造也叫3D打印技术，是融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术，以数字模型文件为基础，通过软件与数控***将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除切削、组装的减材制造加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有，这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。

但现有技术在激光增材制造过程中存在加工效率低，进行加工大型结构件工期长的缺陷，而且在进行自适应控制时无法对双通道同时进行控制，制约了增材制造技术的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种双通道激光增材制造数控***，该***能提高在增材制造加工过程中对双通道加工工艺结合数据的分析能力，并实时监测加工状态，提高加工质量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种双通道激光增材制造数控***，所述***包括控制***、数据采集***、在线监控***和HMI单元，其中：

所述控制***采用基于总线的多功能模块设计，包含核心控制单元、轴控制单元、位置反馈单元、数字输入输出控制单元；所述核心控制单元用于对双通道多沉积轴同步控制算法及防干涉防碰撞算法进行设计；所述轴控制单元用于对伺服驱动单元和电机的运动进行控制；所述位置反馈单元用于激光头运动位置的实时检测反馈；所述数字输入输出控制单元用于实现对双通道多沉积轴限位开关、阀门、急停输入输出信号的控制；

所述数据采集***集成有模拟量采集卡、数字I/O采集卡，用于实现激光器功率、激光器水温、激光头水流量、水冷机水压、水冷机水温、水冷机水流量、气源气压、箱体气压、头气流量、氧份仪气体含量参数的实时采集，并通过以太网将采集的数据传送给所述控制***；

所述在线监控***包括工控机、CCD高速摄像机、红外成像仪，用于实现对增材制造熔池的纵截面形貌、单层沉积层厚度、熔池侧面形态进行在线监测，同时对熔池局部区域附近及已形成零件整体范围的温度场及最高温度分布进行监测，并将监测的数据由所述工控机传输给所述控制***；

所述HMI单元与所述控制***连接，包括液晶屏、全功能键盘和下操作面板，用于实现工艺参数的输入、加工程序的编辑、沉积轴/运动轴位置坐标和报警信息的显示。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述***能提高在增材制造加工过程中对双通道加工工艺结合数据的分析能力，并实时监测加工状态，提高加工质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的双通道激光增材制造数控***的整体结构示意图；

图2为本发明所举实例双通道同步控制G代码执行过程示意图；

图3为本发明实施例所述各局部坐标系分布的示意图；

图4为本发明实施例所述***硬件架构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的双通道激光增材制造数控***的整体结构示意图，所述***包括控制***、数据采集***、在线监控***和HMI单元，其中：

具体实现中，所述控制***控制的双通道能执行两个数控程序而互不影响地并行运行或协调同步运行，其中，双通道并行控制要求两个通道独立执行自己的G代码互不影响，表现在实际加工过程中就是两个通道各自负责完成自己的加工工序而不会互相干扰。

举例来说，智能制造专用数控***利用INIT()指令和START()指令实现一个通道在运行加工程序时，同时让另一个通道运行指定的程序，之后，两个通道各自运行数控程序，互不影响，假设有一个双通道机床，通道1在运行程序的过程中要让通道2同时加载并执行程序0001。

N1 INIT(2，”0001”)；装载的程序名为0001

N2 START(2)；通道2运行程序

.......

M30

当通道1执行完N3行后，通道2开始运行程序0001，这是两个通道并行执行各自的G代码程序。

本申请所采用的是动梁式龙门导轨，由于两个通道的两个激光器都是通过安装在横梁上的鞍座来控制其沿着横梁的方向的运动，如果让两个激光器同时工作容易产生干涉，一般情况是两者分时控制，即一个通道工作时另外一个通道等待，等这个通道的加工工序完成后该通道进入等待状态，另一个通道执行加工程序，相应地X轴也切换至另一个通道，双通道同步控制，协同工作。增材制造专用控制***通过指令M60\M61\M70\M71实现两个通道之间的同步。当活动通道执行该指令时，发出信号；非活动通道执行该指令时，进入等待状态，当所等待的信号值到达时非活动通道切换成活动通道。如图2所示为本发明所举实例双通道同步控制G代码执行过程示意图，通道0和通道1内的数控程序分时执行，当通道0在执行程序时通道1等待，当通道1执行程序时通道0等待，执行执行顺序为：①→②→③→④→⑤→......→程序结束。

以动梁式龙门导轨的X轴在两个通道之间进行切换为例来说明核心控制单元如何实现通道之间的同步控制，假设两个通道共用轴X轴默认配置在通道0内。

表1双通道数控程序

如表1所示，通道1和通道2装载了各自的程序后循环启动，其运行过程如下所示：

1、通道1执行到N3，发送同步信号，并处于等待状态，等待通道2执行到N3；

2、通道2执行N3，应答通道1同步信号，通道1可以继续向下执行；

3、通道2执行到N5，发送同步信号，并处于等待状态，等待通道1执行到N5；

4、通道1执行N5，应答通道2同步信号，通道2可以继续向下执行，通道1也继续向下执行。

另外，所述控制***控制的双通道以机床零点坐标系为世界坐标系WCS，第一通道1的激光头坐标系和第二通道2的激光头坐标系均为局部坐标系UCS，如图3所示为本发明实施例所述各局部坐标系分布的示意图，防干涉防碰撞算法的目的是防止第一通道1的激光头与第二通道2的激光头发生位置干涉导致碰撞，所以所述控制***采取当两通道的激光头之间的间距小于15mm时触发急停的操作。

具体来说，触发急停操作的运算过程如下：

1.确定通道1的激光头和通道2的激光头在激光器坐标系中的坐标值。

a)通道1的激光头：

设在x轴局部坐标系中，坐标为x，在全局坐标系中为X。

由于x轴坐标系原点距离全局坐标系原点间距为Offset_x1，且位于全局坐标系负方向。故：

X＝(x+Offset_x1)；

b)通道2的激光头：

设通道2的激光头在局部坐标系中为p，全局坐标系中为P：

由于通道2的激光头坐标系原点距离全局坐标系原点间距为Offset_x2，且位于全局坐标系正方向。故：

P＝(Offset_x2+p)；

2.确定机通道1的激光头和通道2的激光头二者在全局坐标系之间的相对位置M。

a)当X<P时，M＝P–X＝Offset_x2+p–x–Offset_x1＝(Offset_x2-Offset

_x1)+p–x；

b)当X≥P时，M＝X–P＝x–p–(Offset_x2–Offset_x1)。

综上所述，M＝|X–P|。

3.确定两个轴之间限位关系。

要求M≤10时发生报警急停。则有：

|x–p–(Offset_x2-Offset_x1)|≤15

由此可推出急停触发条件为：

(Offset_x2-Offset_x1)–15≤x–p≤(Offset_x2-Offset_x1)+15

x即con_x[0].work_coordinate通道1的激光头实际位置；

p即con_x_ii[0].work_coordinate_ii通道2的激光头实际位置。

具体实现过程中，所述控制***还连接有通信模块，所述控制***利用该通信模块与外部的激光加工轨迹规划***进行通信，根据实际加工的情况对运动轨迹进行动态规划以及对加工参数进行修正。

另外，上述***整体可以采用基于DSP、FPGA与ARM相结合的硬件架构，如图4所示为本发明实施例所述***硬件架构示意图，所采用的DSP具有较强的运算能力；FPGA具有高度灵活的可配置性和逻辑时序控制能力；ARM作为嵌入式核心工控平台能有效的满足***设计要求。

上述双通道激光增材制造数控***的具体工艺流程为：

在零件加工过程中，首先采用三维造型软件设计出零件的三维CAD模型，由切片软件处理后保存为STL文件，通过FTP将STL文件的数据信息输送到激光增材制造快速成形装备。

采用送粉式激光熔化方法对当前切片层进行加工，通过***分析切片模型，为防止出现双通道行程轴发生机械碰撞以及避免冷热成型过程中防止内应力造成零件弯曲变形或断裂，进行路径规划。由于双通道激光加工设备的特殊结构，两个通道的激光头加工同一切片文件的会进行工艺规划路径以保证加工的零件完整性。然后根据加工参数，将执行参数下发到主控***，主控***根据加工参数开始进行加工，一层约为0.02mm厚度、粒径为lOμm的金属粉末，激光输出功率根据实际加工的材料以及运行速度根据数据库中的设备加工工艺库进行自动设置。

加工过程中通过数据采集***中的温湿度传感器、氧份仪、水温计、流量计等设备对加工过程进行监控，通过程序进行判定当前加工状态是否符合正常。通过状态监测，可对异常状态进行快速反应，避免造成不可逆的后果。

同时，通过在线监控***中的CCD高速摄像机、红外成像仪实时监测熔池的纵截面形貌、追踪捕捉单层沉积层厚度、熔池侧面形态、捕捉短时内粉末流及熔池交互作用行为。通过获取红外热成像仪中加工图层上激光头所在位置的加工温度，通过改变设备送粉流量以及激光头加工功率，保证在加工过程中，零件表面温度保持恒定，并且通过调节送风装置的流量保证在整体运行过程中，加工的设备表面厚度基本保持一致。

在加工作业完毕后，***自检状态，两个激光通道回到初始位置，上下料装置将零件从加工仓移出，并通过***提示，加工完毕。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

综上所述，本发明实施例所述***可进行单通道零件的自动化加工制造，解决了激光增材制造加工过程中效率慢、工时长的问题，并且在加工过程中能通过结合环境数据分析调节流量、移动速度等加工参数来提高加工质量，从而保证了焊接质量，增加了良品率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种双通道激光增材制造数控***，其特征在于，所述***包括控制***、数据采集***、在线监控***和HMI单元，其中：

2.根据权利要求1所述双通道激光增材制造数控***，其特征在于，所述控制***还连接有通信模块，所述控制***利用该通信模块与外部的激光加工轨迹规划***进行通信，根据实际加工的情况对运动轨迹进行动态规划以及对加工参数进行修正。

3.根据权利要求1所述双通道激光增材制造数控***，其特征在于，所述控制***控制的双通道能执行两个数控程序而互不影响地并行运行或协调同步运行；

其中，双通道并行控制要求两个通道独立执行自己的G代码互不影响，表现在实际加工过程中就是两个通道各自负责完成自己的加工工序而不会互相干扰。

4.根据权利要求1所述双通道激光增材制造数控***，其特征在于，所述控制***控制的双通道以机床零点坐标系为世界坐标系WCS，第一通道的激光头坐标系和第二通道的激光头坐标系均为局部坐标系UCS；

防干涉防碰撞算法的目的是防止第一通道的激光头与第二通道的激光头发生位置干涉导致碰撞，所以所述控制***采取当两通道的激光头之间的间距小于15mm时触发急停的操作。

5.根据权利要求1所述双通道激光增材制造数控***，其特征在于，所述***整体采用基于DSP、FPGA与ARM相结合的硬件架构，其中：

DSP具有较强的运算能力；FPGA具有高度灵活的可配置性和逻辑时序控制能力；ARM作为嵌入式核心工控平台能有效的满足***设计要求。