CN210548098U - 铺粉器机构与可在线检测质量的金属增材制造装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了铺粉器机构与可在线检测质量的金属增材制造装置。现有增材制造零件的检测技术无法满足高精度且快速的检测要求。本实用新型设计了一种高速平稳运行的铺粉器，并通过在铺粉器上安装线阵相机，既保证了线阵相机的平稳运行与图像的高速获取，又保证增材制造过程中不会受到检测***的影响；可对增材制造每一层的制造进行快速实时在线检测与分析，从而反馈激光发生器的激光功率和激光反射扫描机构的扫描速度，确保对金属粉的烧结过程达到零件质量要求的同时，节约资源，避免构件成形完成后因质量问题导致不合格，可降低制造成本，还可提高铺粉式金属增材制造的生产效率。

Description

铺粉器机构与可在线检测质量的金属增材制造装置

技术领域

本实用新型属于增材制造技术领域，更具体地，涉及铺粉器机构与可在线检测质量的金属增材制造装置。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术，又称之为快速成型(RapidPrototyping Manufacturing，RPM)技术，俗称3D打印技术。相对于传统“减材制造”技术的不同之处，是基于离散—堆积原理，通过对材料的层层堆叠来实现制造的新型数字化成型技术。其基本原理是将预先建立好的三维模型进行分层切片，再由增材制造设备自下而上的“打印”出每一层切片，最终堆叠成三维实体模型。这种制造技术既不受传统刀具、模具的限制，又可以进一步实现传统加工工艺难以实现或无法加工的复杂构件制造。由于不受传统刀具、模具限制，显著减少了研发的周期，适用于各类新型产品的研发以及复杂构件、个性化构件以及小批量单件的生产加工。金属增材制造技术现已广泛应用于航空航天、船舶、医疗器械、汽车等众多高精尖行业领域。

对于金属增材制造技术而言，根据送料方式的不同分为铺粉式和送料式两种。其中，铺粉式金属增材制造技术是利用聚焦高能激光束对打印平台上的金属粉进行熔化或烧结，通过控制反射镜的角度来实现激光的选择性熔化，完成零件的单层制造。在完成单层制造后，打印平台下降一个切片层的距离，铺粉器对打印平台进行一个切片层厚度的铺粉，然后重复前一过程，层层堆叠直到完成整体零件的三维成型。由于铺粉式金属增材制成型速度快，熔化效果好，因此广泛应用于航空航天、医疗等领域。

目前，国内研究者在增材制造零件的检测***设计方面已经取得了一定的进展。例如，CN108426839A中公开了一种利用机械手抓取激光超声检测模块来进行增材制造零件检测的方法，其中通过对待检测表面进行网格化并结合机械手夹持的激光检测装置对XY方向进行超声信号检测，再通过相异系数计算，来实现对待侧平面的检测。但是该方案的检测效率并不高，每完成一层增材制造，都需要机械臂将扫描装置放置于待测平面上方，在完成检测后，再由机械臂将扫描装置移出打印区域，方才可以进行下一层的增材制造。因此，该方案影响了增材制造的过程，降低了快速成型的速度，在实际应用中效果有限。CN108489986A中公开了一种基于双CCD相机的增材制造逐层缺陷检测及修复的方案，该方案通过两个CCD工业相机在环形光源照射工件的情况下进行拍照，并对所获取的图像进行分析，最终得到增材制造过程中每一层的精度分析结果，及时反馈来提高加工精度。但是在该方案中CCD相机与被测表面存在一定倾角，由于该倾角的存在，面阵相机所获取的图像必然存在畸变，就算通过一定的还原程序，依然会导致所获取的图像精度下降，从而无法达到预想的检测精度。

此外，国内研究者在电弧增材制造零件的在线检测***方面也有了一定的突破。CN107764798A中公开了一种利用采集并分析光谱来分析电弧增材制造零件质量的方法，该方案通过与焊枪同步运动的可收缩桁架对电弧增材制造过程中的光谱进行采集并最终交由计算机进行分析处理，最终得出当前状态下的打印状态并及时给焊枪反馈，及时修正或停止增材制造的过程。但是该方案采用同步运动的桁架机构，为了保证焊枪与桁架可以同步运动才用了固定板结构，该结构很有可能导致增材制造本身的精度下降。与此同时，光谱分析本身存在着一定的误差，而且光谱分析针对不同增材制造材料都需要收集大量的数据。

因此，现有的检测技术无法满足高精度且快速的检测要求，开发一种可在线检测质量的金属增材制造装置，变得尤为迫切和重要。

发明内容

针对现有技术的以上不足和改进需求，本实用新型的一个目的在于提供一种铺粉器机构，另一个目的在于提供一种通过对铺粉器机构进行改进的基于线阵工业相机的可在线检测质量的金属增材制造装置。

本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型铺粉器机构包括线光源、线阵相机、铺粉器、Y向线性电机、Y向滑动块、角位移平台和X向直线滑台；所述的铺粉器包括第一气缸、第二气缸、铺粉器支架、第三气缸、第四气缸、第一铺粉刷和第二铺粉刷；角位移平台的座体固定在X向直线滑台的X向滑动块上，X向直线滑台的座体固定在位移平台支架上，位移平台支架固定在铺粉器支架上；所述的铺粉器支架与Y向线性电机的Y向滑动块固定；Y向线性电机的底座固定在平台支架上；第一气缸、第二气缸、第三气缸和第四气缸的缸体均固定在铺粉器支架上；第一气缸和第三气缸的活塞杆均与第一铺粉刷固定，第二气缸和第四气缸的活塞杆均与第二铺粉刷固定；第一气缸与第三气缸同步运动，第二气缸与第四气缸同步运动；X方向坐标轴和Y方向坐标轴均位于水平面上，Z方向坐标轴位于竖直面上；第一气缸和第三气缸的两个通气口与换向阀一的两个出气口分别连通，换向阀一的进气口连接气泵；第二气缸和第四气缸与换向阀二的两个出气口分别连通，换向阀二的进气口连接气泵。所述的线阵相机固定在相机支架上，相机支架固定在角位移平台的安装面上；所述的线光源固定在光源支架上，光源支架与Y向滑动块固定；线光源和线阵相机设置在铺粉器支架的同一侧，线光源的出射光与水平面的夹角等于线阵相机的俯角。所述的Y向线性电机、换向阀一和换向阀二均由控制器控制。

所述的角位移平台采用北京卓立汉光仪器有限公司的型号为KSMG15-65的角位移台；所述的X向直线滑台采用北京卓立汉光仪器有限公司的型号为KSM25A-65C的水平位移平台。

本实用新型可在线检测质量的金属增材制造装置，包括激光发生器、激光反射扫描机构、供粉机构、铺粉器机构、平台支架、前挡板、打印平台机构、侧外板、打印平台下板固定板和后外板；供粉机构向打印平台机构的打印平台供粉，铺粉器机构实现铺粉；激光反射扫描机构根据扫描路径指令不断调节其内两个反射镜的角度，实现激光发生器发射的激光烧结金属粉的不同位置，从而实现零件在打印平台上成型；两块侧外板间距且平行设置；两块侧外板的后部均与后外板固定，前部均与前挡板可拆卸连接；平台支架与后外板和两块侧外板顶部均固定；打印平台下板固定板两端与两块侧外板中部分别固定。

所述的打印平台机构包括顶部框架、底部框架、打印平台、第一光轴、第一支座、打印平台顶板、第二支座、第二光轴、第三支座、卧式支座、第四支座、丝杆、第三光轴、打印平台机构固定板、第一直线轴承、丝杆螺母、第二直线轴承、第三直线轴承、第四直线轴承、第四光轴、联轴器、第五支座、电机支架、第六支座、步进电机、第七支座和第八支座；所述的打印平台机构固定板固定在打印平台下板固定板上；所述的丝杆螺母固定在打印平台机构固定板下方，并与丝杆构成螺旋副；卧式支座固定在打印平台顶板底部；丝杆支承在卧式支座上，并与步进电机的输出轴通过联轴器连接；步进电机的底座固定在电机支架上，电机支架固定于底部框架上。打印平台顶板固定于顶部框架上，并与平台支架开设的打印平台过孔对齐设置；打印平台固定在打印平台顶板顶部；第一直线轴承、第二直线轴承、第三直线轴承和第四直线轴承阵列排布，且均固定在打印平台机构固定板下方；第一支座、第二支座、第三支座和第四支座阵列排布，且均固定在顶部框架上；第五支座、第六支座、第七支座和第八支座阵列排布，且均固定在底部框架上；第一光轴中部穿过打印平台机构固定板和第三直线轴承，两端与第一支座和第七支座分别构成转动副。第二光轴中部穿过打印平台机构固定板和第一直线轴承，两端与第二支座和第五支座分别构成转动副。第三光轴中部穿过打印平台机构固定板和第二直线轴承，两端与第四支座和第六支座分别构成转动副。第四光轴中部穿过打印平台机构固定板和第四直线轴承，两端与第三支座和第八支座分别构成转动副。

所述的激光反射扫描机构、供粉机构和步进电机均由控制器控制，激光发生器的激光功率由控制器控制。

所述的顶部框架由第一横梁、第二横梁、第三横梁和第四横梁组成；第二横梁两端分别与第一横梁和第三横梁固定，第四横梁两端分别与第一横梁和第三横梁固定；第一横梁、第二横梁、第三横梁和第四横梁合围成方形。

所述的底部框架由第五横梁、第六横梁、第七横梁和第八横梁；第六横梁两端分别与第五横梁和第七横梁固定，第八横梁两端分别与第五横梁和第七横梁固定；第五横梁、第六横梁、第七横梁和第八横梁合围成方形。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型设计了一种高速平稳运行的铺粉器，并通过在铺粉器上安装线阵相机，既保证了线阵相机的平稳运行与图像的高速获取，又保证增材制造过程中不会受到检测***的影响；可对增材制造每一层的制造进行快速实时在线检测与分析，从而反馈激光发生器的激光功率和激光反射扫描机构的扫描速度，确保对金属粉的烧结过程达到零件质量要求的同时，节约资源，避免构件成形完成后因质量问题导致不合格，可降低制造成本，还可提高铺粉式金属增材制造的生产效率；线阵相机与铺粉器共用一个高速驱动的线性电机，省去了高速驱动线阵相机的机构，简化了结构；线阵相机有效避免了图像获取时产生畸变所导致的误差，从图像本质上提高了检测精度。

附图说明

图1是本实用新型原理示意图；

图2是本实用新型除激光发生器、激光反射扫描机构和供粉机构外的结构示意图；

图3是本实用新型中铺粉器机构、打印平台机构、平台支架、侧外板、打印平台下板固定板和后外板的装配立体图；

图4是本实用新型铺粉器机构的结构示意图；

图5是本实用新型中打印平台机构的立体图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作详细说明。

如图1、图2和图3所示，可在线检测质量的金属增材制造装置，包括激光发生器、激光反射扫描机构、供粉机构、铺粉器机构6、平台支架7、前挡板8、打印平台机构11、侧外板12、打印平台下板固定板13和后外板14；供粉机构向打印平台机构11的打印平台5供粉，铺粉器机构6实现铺粉；激光反射扫描机构根据扫描路径指令不断调节其内两个反射镜的角度，实现激光发生器发射的激光烧结金属粉的不同位置，从而实现零件在打印平台5上成型；激光发生器和供粉机构均为现有技术，比如李素丽在2016年于“中国铸造装备与技术”期刊上发表的论文“不同金属3D打印增材制造技术对比分析”中所记载的激光发生器和供粉机构；两块侧外板12间距且平行设置；两块侧外板12的后部均与后外板14固定，前部均与前挡板8可拆卸连接(本实施例中采用螺钉连接)；平台支架7与后外板14和两块侧外板12顶部均固定；打印平台下板固定板13两端与两块侧外板12中部分别固定。

如图3和图4所示，铺粉器机构6包括线光源1、线阵相机2、铺粉器3、Y向线性电机15、Y向滑动块17、角位移平台20和X向直线滑台21；铺粉器3包括第一气缸9、第二气缸10、铺粉器支架18、第三气缸22、第四气缸24、第一铺粉刷25和第二铺粉刷26；角位移平台20采用北京卓立汉光仪器有限公司的型号为KSMG15-65的角位移台；X向直线滑台21采用北京卓立汉光仪器有限公司的型号为KSM25A-65C的水平位移平台。角位移平台20的座体固定在X向直线滑台21的X向滑动块上，X向直线滑台21的座体固定在位移平台支架23上，位移平台支架23固定在铺粉器支架18上；铺粉器支架18与Y向线性电机15的Y向滑动块17固定；Y向线性电机15的底座固定在平台支架7上；第一气缸9、第二气缸10、第三气缸22和第四气缸24的缸体均固定在铺粉器支架18上；第一气缸9和第三气缸22的活塞杆均与第一铺粉刷25固定，第二气缸10和第四气缸24的活塞杆均与第二铺粉刷26固定；第一气缸9与第三气缸22同步运动实现第一铺粉刷25的Z方向运动，第二气缸10与第四气缸24同步运动实现第二铺粉刷26的Z方向运动；X方向坐标轴和Y方向坐标轴均位于水平面上，Z方向坐标轴位于竖直面上；第一气缸9和第三气缸22的两个通气口与换向阀一的两个出气口分别连通，换向阀一的进气口连接气泵；第二气缸10和第四气缸24与换向阀二的两个出气口分别连通，换向阀二的进气口连接气泵。线阵相机2固定在相机支架19上，相机支架19固定在角位移平台20的安装面上，角位移平台20实现线阵相机2的角度调整；线光源1固定在光源支架16上，光源支架16与Y向滑动块17固定；线光源1和线阵相机2设置在铺粉器支架18的同一侧，线光源1的出射光与水平面的夹角等于线阵相机2的俯角，且线光源1的出射光在打印平台机构11的打印平台上的照射范围处于线阵相机2拍摄视野内。

如图5所示，打印平台机构11包括顶部框架、底部框架、打印平台5、第一光轴27、第一支座28、打印平台顶板30、第二支座32、第二光轴33、第三支座34、卧式支座35、第四支座37、丝杆38、第三光轴40、打印平台机构固定板41、第一直线轴承42、丝杆螺母43、第二直线轴承44、第三直线轴承45、第四直线轴承46、第四光轴47、联轴器48、第五支座50、电机支架51、第六支座52、步进电机53、第七支座56和第八支座57；打印平台机构固定板41固定在打印平台下板固定板13上；丝杆螺母43固定在打印平台机构固定板41下方，并与丝杆38构成螺旋副；顶部框架由第一横梁29、第二横梁31、第三横梁36和第四横梁39组成；第二横梁31两端分别与第一横梁29和第三横梁36固定，第四横梁39两端分别与第一横梁29和第三横梁36固定；第一横梁29、第二横梁31、第三横梁36和第四横梁39合围成方形；底部框架由第五横梁49、第六横梁54、第七横梁55和第八横梁58；第六横梁54两端分别与第五横梁49和第七横梁55固定，第八横梁58两端分别与第五横梁49和第七横梁55固定；第五横梁49、第六横梁54、第七横梁55和第八横梁58合围成方形。卧式支座35固定在打印平台顶板30底部；丝杆38支承在卧式支座35上，并与步进电机53的输出轴通过联轴器48连接；步进电机53的底座固定在电机支架51上，电机支架51固定于底部框架上。打印平台顶板30固定于顶部框架上，并与平台支架7开设的打印平台过孔对齐设置；打印平台5固定在打印平台顶板30顶部；第一直线轴承42、第二直线轴承44、第三直线轴承45和第四直线轴承46阵列排布，且均固定在打印平台机构固定板41下方；第一支座28、第二支座32、第三支座34和第四支座37阵列排布，且均固定在顶部框架上；第五支座50、第六支座52、第七支座56和第八支座阵列排布，且均固定在底部框架上；第一光轴27中部穿过打印平台机构固定板41和第三直线轴承45，两端与第一支座28和第七支座56分别构成转动副。第二光轴33中部穿过打印平台机构固定板41和第一直线轴承42，两端与第二支座32和第五支座50分别构成转动副。第三光轴40中部穿过打印平台机构固定板41和第二直线轴承44，两端与第四支座37和第六支座52分别构成转动副。第四光轴47中部穿过打印平台机构固定板41和第四直线轴承46，两端与第三支座34和第八支座57分别构成转动副。

激光反射扫描机构、供粉机构、Y向线性电机15、换向阀一、换向阀二和步进电机53均由控制器控制，激光发生器的激光功率由控制器控制。

该可在线检测质量的金属增材制造装置，工作原理如下：

第一步，打开线光源1，手动调节好X向直线滑台21和角位移平台20，使得线阵相机2的俯角等于线光源1的出射光与水平面的夹角，且线光源1的出射光在打印平台上的照射范围处于线阵相机2拍摄视野内。

第二步，供粉机构向打印平台5供粉，控制器控制打印平台机构11，实现打印平台5竖直下降一个切片层厚的位移。

第三步，控制器控制换向阀一和换向阀二，使第一气缸9和第三气缸22实现第一铺粉刷25处于抬升状态，第二气缸10和第四气缸24实现第二铺粉刷26处于下降状态。

第四步，控制器控制Y向线性电机15带动铺粉器支架18实现Y方向坐标轴负向上的运动，第二铺粉刷26完成铺粉。

第五步，控制器控制换向阀一和换向阀二换向，使第一气缸9和第三气缸22实现第一铺粉刷25竖直下降，第二气缸10和第四气缸24实现第二铺粉刷26竖直上升。

第六步，控制器控制Y向线性电机15带动铺粉器支架18实现Y方向坐标轴正向上的运动，第一铺粉刷25完成铺粉。控制器控制激光反射扫描机构按照扫描路径指令不断反射激光发生器发出的激光并照射在粉层上，完成零件4的一层打印。

第七步，重复第二步、第三步和第四步，执行第四步的同时控制器控制线阵相机2对零件的上一层打印情况进行图像采集，采集的图像传给计算机处理。

第八步，计算机分析零件当前的尺寸精度是否在尺寸精度阈值的1.1～1.3倍之间，且表面粗糙度是否在表面粗糙度阈值的0.7～0.9之间，若是则执行第十步，否则根据以下两个条件执行不同策略：

条件一：当零件当前的尺寸精度低于尺寸精度阈值的1.1倍并高于尺寸精度阈值，且表面粗糙度高于表面粗糙度阈值的0.9并低于表面粗糙度阈值时，激光发生器的激光功率增大1.3倍或激光反射扫描机构的扫描速度放慢1.3倍，执行第十步；

条件二：当零件当前的尺寸精度高于尺寸精度阈值的1.3倍，且表面粗糙度低于表面粗糙度阈值的0.7时，激光发生器的激光功率减小1.1倍或激光反射扫描机构的扫描速度加快1.1倍，执行第十步；该步骤是为了节约资源。

条件三：其它情况时，执行第九步；

第九步，激光发生器的激光功率增大1.5倍或激光反射扫描机构的扫描速度放慢1.5倍，取下不合格零件，打印平台5复位，回到第二步。该步骤避免构件成形完成后因质量问题导致不合格，可降低制造成本，还可提高铺粉式金属增材制造的生产效率。

第十步，重复第五步和第六步。

第十一步，若还未对最后一个切片层执行第十步，则回到第二步，否则完成整个零件的增材制造，且保证了零件的尺寸精度和表面粗糙度达标。

Claims (5)

1.铺粉器机构，包括铺粉器，其特征在于：还包括线光源、线阵相机、Y向线性电机、Y向滑动块、角位移平台和X向直线滑台；所述的铺粉器包括第一气缸、第二气缸、铺粉器支架、第三气缸、第四气缸、第一铺粉刷和第二铺粉刷；角位移平台的座体固定在X向直线滑台的X向滑动块上，X向直线滑台的座体固定在位移平台支架上，位移平台支架固定在铺粉器支架上；所述的铺粉器支架与Y向线性电机的Y向滑动块固定；Y向线性电机的底座固定在平台支架上；第一气缸、第二气缸、第三气缸和第四气缸的缸体均固定在铺粉器支架上；第一气缸和第三气缸的活塞杆均与第一铺粉刷固定，第二气缸和第四气缸的活塞杆均与第二铺粉刷固定；第一气缸与第三气缸同步运动，第二气缸与第四气缸同步运动；X方向坐标轴和Y方向坐标轴均位于水平面上，Z方向坐标轴位于竖直面上；第一气缸和第三气缸的两个通气口与换向阀一的两个出气口分别连通，换向阀一的进气口连接气泵；第二气缸和第四气缸与换向阀二的两个出气口分别连通，换向阀二的进气口连接气泵；所述的线阵相机固定在相机支架上，相机支架固定在角位移平台的安装面上；所述的线光源固定在光源支架上，光源支架与Y向滑动块固定；线光源和线阵相机设置在铺粉器支架的同一侧，线光源的出射光与水平面的夹角等于线阵相机的俯角；所述的Y向线性电机、换向阀一和换向阀二均由控制器控制。

2.根据权利要求1所述的铺粉器机构，其特征在于：所述的角位移平台采用北京卓立汉光仪器有限公司的型号为KSMG15-65的角位移台；所述的X向直线滑台采用北京卓立汉光仪器有限公司的型号为KSM25A-65C的水平位移平台。

3.采用权利要求1或2所述铺粉器机构的可在线检测质量的金属增材制造装置，包括激光发生器、激光反射扫描机构、供粉机构、铺粉器机构、平台支架、前挡板、打印平台机构、侧外板、打印平台下板固定板和后外板；其特征在于：供粉机构向打印平台机构的打印平台供粉，铺粉器机构实现铺粉；激光反射扫描机构根据扫描路径指令不断调节其内两个反射镜的角度，实现激光发生器发射的激光烧结金属粉的不同位置，从而实现零件在打印平台上成型；两块侧外板间距且平行设置；两块侧外板的后部均与后外板固定，前部均与前挡板可拆卸连接；平台支架与后外板和两块侧外板顶部均固定；打印平台下板固定板两端与两块侧外板中部分别固定；

所述的打印平台机构包括顶部框架、底部框架、打印平台、第一光轴、第一支座、打印平台顶板、第二支座、第二光轴、第三支座、卧式支座、第四支座、丝杆、第三光轴、打印平台机构固定板、第一直线轴承、丝杆螺母、第二直线轴承、第三直线轴承、第四直线轴承、第四光轴、联轴器、第五支座、电机支架、第六支座、步进电机、第七支座和第八支座；所述的打印平台机构固定板固定在打印平台下板固定板上；所述的丝杆螺母固定在打印平台机构固定板下方，并与丝杆构成螺旋副；卧式支座固定在打印平台顶板底部；丝杆支承在卧式支座上，并与步进电机的输出轴通过联轴器连接；步进电机的底座固定在电机支架上，电机支架固定于底部框架上；打印平台顶板固定于顶部框架上，并与平台支架开设的打印平台过孔对齐设置；打印平台固定在打印平台顶板顶部；第一直线轴承、第二直线轴承、第三直线轴承和第四直线轴承阵列排布，且均固定在打印平台机构固定板下方；第一支座、第二支座、第三支座和第四支座阵列排布，且均固定在顶部框架上；第五支座、第六支座、第七支座和第八支座阵列排布，且均固定在底部框架上；第一光轴中部穿过打印平台机构固定板和第三直线轴承，两端与第一支座和第七支座分别构成转动副；第二光轴中部穿过打印平台机构固定板和第一直线轴承，两端与第二支座和第五支座分别构成转动副；第三光轴中部穿过打印平台机构固定板和第二直线轴承，两端与第四支座和第六支座分别构成转动副；第四光轴中部穿过打印平台机构固定板和第四直线轴承，两端与第三支座和第八支座分别构成转动副；

所述的激光反射扫描机构、供粉机构和步进电机均由控制器控制，激光发生器的激光功率由控制器控制。

4.根据权利要求3所述的可在线检测质量的金属增材制造装置，其特征在于：所述的顶部框架由第一横梁、第二横梁、第三横梁和第四横梁组成；第二横梁两端分别与第一横梁和第三横梁固定，第四横梁两端分别与第一横梁和第三横梁固定；第一横梁、第二横梁、第三横梁和第四横梁合围成方形。

5.根据权利要求3所述的可在线检测质量的金属增材制造装置，其特征在于：所述的底部框架由第五横梁、第六横梁、第七横梁和第八横梁；第六横梁两端分别与第五横梁和第七横梁固定，第八横梁两端分别与第五横梁和第七横梁固定；第五横梁、第六横梁、第七横梁和第八横梁合围成方形。

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