Устройство контроля и адаптивного управления при прямом лазерном выращивании

Полезная модель относится к области гетерофазной порошковой металлургии и может быть использована в различных отраслях промышленности при создании сложных изделий методом аддитивных технологий.
Известны способ и устройство для лазерной наплавки с контролем в режиме реального времени процесса наплавки и размеров слоя (патент РФ № 2228243, опубл. 20.12.2002 по классу МПК B23K 26/34). Способ реализуется с применением средства оптического детектирования с оптоэлектрическим чувствительным элементом для выдачи электрического сигнала как функции высоты слоя наплавленного материала и регулятора с обратной связью для регулирования скорости наплавки. При изготовлении изделия оптически отслеживается высота слоя наплавленного материала. Изобретение позволяет регулировать размеры и свойства покрытия. Недостатками данного способа является контроль части наплавленного слоя и отсутствие контроля общих размеров получаемого изделия, что снижает точность изготовления изделия.
В изобретении по патенту РФ № 2321678 «Способ формирования металлической части на металлической подложке посредством осаждения накладываемых друг на друга слоев (варианты)» предполагается считывание параметров ванны расплава в группе выбранных координат, запоминание считанных параметров в каждой из выбранных координат и обработку сохраненных параметров с определением соответствующей мощности лазера для нанесения следующего слоя. Изменение мощности при нанесении последующих слоев осуществляется таким образом, чтобы получить ванну расплава, соответствующую той, которая получалась при нанесении нижнего оптимального слоя. Способ реализуется устройством, содержащим головку с дозатором, подложку, закрепленную на рабочем столе, соединенным с контроллером устройства числового программного управления, видеокарту, включающую блок программного обеспечения обработки изображения, программный блок устройства числового программного управления, связывающий их интерфейсный драйвер и пару ПЗС - камер (камер с зарядовой связью), закрепленных на рабочем столе. Недостатками данного способа является косвенность способа контроля процесса и размеров выращиваемого изделия, так как ванна расплава по своим размерам из-за несоответствия её ширины ширине получаемого слоя, с недостаточной точностью определяет толщину стенки будущего изделия.
Известен способ управления процессом селективного лазерного спекания объёмного изделия из порошков и устройство для его осуществления (патент РФ № 2595072, опубл. 20.08.2016 по классам МПК G01N 25/02, B33Y 40/00). В заявленном способе используют устройство, содержащее сканер лазерного излучения с объективом, оптически связанные оптический пирометр с объективом, видеокамеру с анализатором изображения и объективом, источник подсветки поверхности, компьютер, 2D сканер и модуль управления, включающий регулятор управления сканером лазерного излучения и регулятор управления мощностью лазера, выполненные с возможностью поддержания на заданном уровне мощности лазерного излучения, размера пятна лазерного излучения в зоне воздействия и скорости сканирования пятна по поверхности порошковой насыпки. Также устройство оснащено 3D сканером изображений спеченного изделия, предназначенным для контроля геометрии выращенного изделия. Основным недостатком устройства являются громоздкость и высокая стоимость. Также не понятна необходимость одновременного использования оптического пирометра с объективом, видеокамеры с анализатором изображения и объективом, 2D сканера и 3D сканера.
За прототип выбрано устройство контроля и адаптивного управления процессом прямого лазерного выращивания изделий из металлических порошковых материалов, включающее видеокамеру и блок управления, отличающееся тем, что блок управления соединен с видеокамерой по интерфейсу Ethernet и включает в себя вычислительное устройство с программным ПИД алгоритмом регулирования мощности лазерного луча, для видео-регистрации используется видеокамера с одним или двумя узкополосными фильтрами, соединенная с лазерной головкой через оптический коннектор коаксиально ее оптической оси (см. патент РФ № 162341, опубл. 10.06.2016 по классам МПК G01N 21/63, B23K 26/34). Недостатками прототипа является недостаточная точность измерения геометрии наплавляемого валика и общих размеров выращиваемого изделия.
Технической проблемой заявляемой полезной модели является создание конструкции устройства для прямого лазерного выращивания изделий из металлических порошковых материалов, обеспечивающей высокую точность управления геометрическими размерами получаемых трехмерных изделий, а также увеличение экономичности оборудования.
Техническим результатом заявляемого решения является обеспечение высокой точности контроля получаемого изделия, что достигается за счет управления процессом выращивания изделия и общими размерами выращенной части изделия, путем обеспечения контроля ширины наплавленного слоя.
Устройство контроля и адаптивного управления при прямом лазерном выращивании, содержащее лазер, соединенный с блоком управления, включающим в себя вычислительное устройство с программным ПИД алгоритмом регулирования мощности лазерного луча, видеокамеру, оснащенную узкополосным оптическим фильтром и соединенную с лазерной головкой через оптический коннектор коаксиально ее оптической оси, при этом блок управления по интерфейсу Ethernet соединен с видеокамерой, отличающееся тем, что видеокамера с лазерной головкой расположены в рабочей камере, лазерная головка снабжена триангуляционным лазерным датчиком и линейным приводом, а блок управления соединен по интерфейсу Ethernet с триангуляционным лазерным датчиком и лазером, оптически соединенным через оптоконнектор с лазерной головкой.
В процессе выращивания изделия металлический порошок подаётся локально в зону обработки (коаксиально или не коаксиально оптической оси лазерного излучения). Оснащение лазерной головки триангуляционным лазерным датчиком позволяет увеличить точность измерения ширины наплавленного слоя по изображению ванны расплава (благодаря введению коррелирующего коэффициента по результатам сравнения ширины изображения ванны расплава и наплавляемого слоя), передаваемому от видеокамеры, установленной коаксиально оптической оси лазерного излучения. Видеокамера по интерфейсу Ethernet постоянно передает видеопоток с изображением ванны расплава на вычислительное устройство блока управления, которое регистрирует изображение, фильтрует изображение, бинаризует изображение, детектирует границы ванны расплава с помощью метода Канни, определяет диаметр ванны расплава с помощью преобразования Хафа, сравнивает с заданным значением в компьютерной модели изделия, а затем, в случае их отличия, вырабатывает управляющий сигнал по изменению мощности лазерного излучения и/или линейной скорости перемещения выращиваемого изделия относительно лазерного луча: запускает пропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) алгоритм регулирования. При этом, ширина наплавленного слоя поддерживается в пределах допустимого значения, непосредственно в ходе наложения текущего слоя.
Контроль общих размеров изделия осуществляется с помощью триангуляционного лазерного датчика, соединенного с блоком управления. После наложения как минимум одного слоя изделия, триангуляционный лазерный датчик производит замер общих размеров выращиваемого изделия или его части и по интерфейсу Ethernet передает в вычислительное устройство блока управления, где они сравниваются с габаритными размерами модели изделия, записанными в память устройства и, в случае расхождения, вычислительное устройство корректирует координаты для перемещения осей манипулятора на следующем слое, до момента его наложения.
Так как контролируется несколько параметров, а не только ширина наплавленного слоя, это дает возможность корректировки неточностей при изготовлении изделия в процессе его создания, с большей скоростью реагирования на все отклонения от заданной модели изделия, возникающие в процессе создания. Таким образом, достигается повышение точности контроля толщины стенки выращиваемого изделия и общих размеров выращиваемого изделия или части изделия.
Заявленное решение поясняется чертежом, где схематично изображено устройство контроля и адаптивного управления при прямом лазерном выращивании.
Устройство контроля и адаптивного управления при прямом лазерном выращивании снабжено видеокамерой 1, установленной при помощи коннектора 2 на лазерной головке 3 с соплом, коаксиально оптической оси лазерного луча. Лазерный луч, генерируемый лазером 5, направляется по транспортирующему волокну 6 в оптоконнектор 7, а из него в лазерную головку 3 и затем на металлическую подложку 8, на поверхности которой под воздействием лазерного луча образуется наплавленный валик 9. Видеокамера 1 по интерфейсу Ethernet 10 соединена с блоком управления 11, который включает в себя вычислительное устройство 12 с программным ПИД алгоритмом регулирования мощности лазерного луча и линейной скорости перемещения выращиваемого изделия относительно лазерного луча и модулем корректировки координат для перемещения осей манипулятора. Комплекс содержит также триангуляционный лазерный датчик 13, предназначенный для корректировки ширины слоя и замера общих размеров изделия на определённом этапе выращивания или части изделия 14 и корректировки координат для перемещения осей манипулятора 15. Видеокамера 1 представляет собой монохромную цифровую видеокамеру, оснащенную узкополосным оптическим фильтром 4 для того, чтобы отсекать отраженное лазерное излучение в зоне наблюдения. Триангуляционный лазерный датчик 13 может прикрепляться к лазерной головке 3 или устанавливаться стационарно, в зависимости от размеров изделия. При необходимости может быть использовано два и более триангуляционных лазерных датчиков.
Устройство контроля и адаптивного управления при прямом лазерном выращивании изделий из металлических порошковых материалов работает следующим образом.
Перед началом технологического процесса изготовления изделия создают трехмерную компьютерную модель, разделенную на множество поперечных сечений (STL-модель), которая загружается в блок управления 11. В порошковый питатель (на чертеже не показан) устройства засыпают металлический порошок требуемого химического состава с фракцией 50-150 мкм. С помощью системы управления порошкового питателя выставляется расход порошка и расход транспортного газа (аргона). После выставления необходимых параметров подачи порошка порошковый питатель переводится в автоматический режим работы. С помощью блока управления 11 задают параметры лазерного излучения: скорость перемещения лазерной головки 3 с соплом, через которое подается металлический порошок в виде газопорошковой струи, относительно изделия. На манипулятор, расположенный в рабочей камере, устанавливают металлическую подложку 8. Процесс прямого лазерного выращивания может осуществляться как в герметичной камере, заполненной инертными газами требуемой чистоты, так и с локальной защитой ванны расплава.
Генерируют лазерный луч и коаксиально ему или под углом, подают через сопло лазерной головки 3 металлический порошок, поступающий в сопло от порошкового питателя. При этом осуществляют перемещение лазерной головки 3 относительно подложки 8 с использованием числового управления по программируемой траектории, построенной на базе STL-модели с периодическим формированием зоны расплава. Металлическая подложка 8 перемещается относительно головки 3 по программируемой траектории под управлением контроллера устройства числового управления (ЧПУ).
Контроль и управление геометрии выращиваемого изделия осуществляется следующим образом.
В ходе наложения слоя при процессе прямого лазерного выращивания изделий из порошковых материалов видеокамера 1 с помощью фильтра 4 отфильтровывает коротковолновую часть видимого спектра и рабочую длину волны лазерного луча 1070 нм, генерируемого лазером 5 и направляемого по транспортирующему волокну 6 в оптоконнектор 7, а из него в лазерную головку 3 и затем на подложку 8, таким образом, чтобы регистрировался диапазон длин волн 800-1000 нм, соответствующий ближнему ИК диапазону. На указанный диапазон длин волн приходится пик интенсивности излучения горячего наплавленного слоя 9, образующегося на поверхности подложки 8 под воздействием лазерного луча в ходе процесса. Видеокамера 1 по интерфейсу Ethernet 10 постоянно передает на блок управления 11 видеопоток с изображением наплавленного слоя 9. Вычислительное устройство 12, находящееся в блоке управления 11, регистрирует изображение, фильтрует изображение, бинаризует изображение, поступающее от видеокамеры 1 согласно установленной программе, также оно выполняет корректировку изображения, исправление аберраций, вносимых оптической системой камеры и его распознавание с использованием алгоритмов компьютерного зрения (детектирует границы ванны расплава с помощью метода Канни, определяет диаметр ванны расплава с помощью преобразования Хафа). С помощью программного обеспечения блока управления 11 вычисляет текущую ширину наплавленного слоя 9 и сравнивает со значением толщины стенки модели с учётом припуска на последующую механическую обработку. В случае несоответствия текущей ширины наплавленного слоя 9 допустимому значению, вычислительное устройство 12 запускает ПИД алгоритм регулирования мощности лазерного излучения и/или линейной скорости перемещения выращиваемого изделия относительно лазерного луча. За счет ПИД алгоритма регулирования измеряемая ширина наплавленного слоя 9 поддерживается в пределах допустимого значения, в режиме реального времени. Время цикла распознавания видеокамеры 200 кад/с, что обеспечивает высокую скорость регулирования процесса. После наложения минимум одного слоя изделия 14, с помощью триангуляционного лазерного датчика 13 производится замер общих размеров слоя изделия или части изделия 14. Точность контроля общих размеров получаемого слоя или части изделия 14 зависит от точности измерения используемого триангуляционного лазерного датчика 13, а скорость от быстроты передачи им сигнала на вычислительное устройство 12 блока управления 11 комплексом для прямого лазерного выращивания. По интерфейсу Ethernet 10 вычислительное устройство 12 получает данные от триангуляционного лазерного датчика 13, которые сравниваются с данными модели изделия, записанными в память этого устройства после создания STL-модели изделия и, в случае расхождения, вычислительное устройство 12 корректирует координаты для перемещения осей манипулятора 15 на следующем слое до момента его наложения. Таким образом, уменьшается неточность в изготовлении изделия, накапливающаяся от слоя к слою.
С использованием системы контроля и адаптивного управления методом прямого лазерного выращивания были изготовлены высоконапорные осевые вентиляторы. В качестве присадочного материала использовали металлический порошок марки 316L. Способ лазерного выращивания изделий из металлических порошковых материалов с контролем и адаптивным управлением геометрии выращиваемых изделий осуществляется при определенных параметрах режима: диаметр пятна лазерного луча 1-2 мм, мощность лазерного луча 800-3000 Вт, скорость перемещения лазерного луча относительно подложки при наложении слоя материала 20-50 мм/с. Толщина стенки выращиваемого изделия от 0,8 до 1,5 мм. Используемый металлический порошок имеет дисперсность от 50 до 150 мкм. В качестве защитного газа используют Ar. Также с использованием данной системы контроля и адаптивного управления методом прямого лазерного выращивания можно изготавливать изделия из различных порошковых материалов включая сплавы на никелевой, кобальтовой, титановой и железной основе.
Заявленное решение применимо для процесса прямого лазерного выращивания с использованием коаксиального или некоаксиального сопла подачи порошка.