УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПРЯМОГО ЛАЗЕРНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель может быть использована в авиационной и двигателестроительной отраслях промышленности для изготовления с использованием аддитивных технологий.
Известно устройство контроля процесса осаждения [RU патент №2321678]. Устройство содержит контроллер 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 устройства являются малая скорость регулирования процесса и ограниченность применения системы.
Известна система для мониторинга процесса лазерной наплавки и прямого лазерного выращивания из [US заявка на ИЗ №20040251242 А1 "Метод и система для мониторинга процесса лазерной наплавки и прямого лазерного выращивания в режиме реального времени и контроля высоты осажденного слоя, используя фотоизображение"]. Система включает в себя устройство для создания фотоизображения ванны расплава, состоящее из ПЗС камеры с прикрепленным к ней нейтральным фильтром, вычислительное устройство для обработки фотоизображения ванны расплава, устройство контроля параметров процесса, связанное с остальными элементами системы. Недостатком данной системы является ее громоздкость, малая точность контроля процесса, ограниченность применения системы.
В качестве прототипа выбрана система управления осаждением порошка в ванну расплава из [US патент №6605795]. Система управления процессом осаждения порошка в ванну расплава состоит из соединенных между собой видеокамеры и блока управления. Блок управления включает в себя: процессор для обработки изображений с видеокамеры, регулятор параметров процесса.
Недостатком является малая точность контроля процесса, ограниченность применения системы и малая скорость регулирования процесса.
Задачами полезной модели являются повышение точности контроля и скорости регулирования процесса, расширение границ применения устройства.
Для решения поставленных задач предложено устройство контроля и адаптивного управления процессом прямого лазерного выращивания изделий из металлических порошковых материалов. Устройство состоит из монохромной цифровой видеокамеры и блока управления, соединенных между собой по интерфейсу Ethernet. Видеокамера соединена с лазерной головкой через коаксиальный оптический коннектор. Предусмотрена возможность установки перед видеокамерой нескольких оптических фильтров. Количество фильтров и их спектральные характеристики определяются используемой длиной волны лазерного излучения и температурой материала в зоне ванны расплава. Блок управления соединен по интерфейсу Ethernet с лазером и включает в себя вычислительное устройство с программным ПИД алгоритмом регулирования мощности лазерного луча.
Устройство содержит видеокамеру (1) с оптическим фильтрами (2), блок управления (3), вычислительное устройство (4), интерфейс Ethernet (5) (фиг. 1).
Устройство контроля и адаптивного управления процессом прямого лазерного выращивания изделий из металлических порошковых материалов работает следующим образом.
Лазерный луч направляется по транспортирующему волокну в оптоконнектор, а из него в лазерную головку и затем на подложку. Мощность лазерного луча 500-1500 Вт, скорость перемещения лазерного луча относительно подложки при наложении слоя материала - 40 мм/с., диаметр пятна лазерного луча - 1 мм. Видеокамера (1) соединена оптическим коннектором с лазерной головкой коаксиально проходящему через нее лазерному лучу. Фильтры (2) отфильтровывают коротковолновую часть видимого спектра и рабочую длину волны лазерного луча 1070 нм, таким образом, чтобы регистрировался диапазон длин волн 800-1000 нм, что соответствует ближнему ИК диапазону, на который приходится пик интенсивности излучения ванны расплава. В качестве металлического порошка использованы порошки из сплавов на основе никеля, кобальта и железа. Для первых двух при видеосъемке установлены 2 узкополосных фильтра, а для третьего - один. Дисперсность частиц порошков от 45 до 90 мкм. В качестве защитного газа использован Аr. Видеокамера (1) по интерфейсу Ethernet (5) постоянно передает на блок управления (3) видеопоток с изображением застывшей ванны расплава, наплавляемого валика, кристаллизующегося из расплава в режиме реального времени. Вычислительное устройство (4), находящееся в блоке управления (3), обрабатывает изображение, поступающее с видеокамеры (1) согласно установленной программе, также оно выполняет корректировку изображения, исправление аберраций, вносимых оптической системой камеры и его распознавание с использованием алгоритмов компьютерного зрения. Блок управления с помощью программы вычисляет текущую ширину застывшей ванны расплава и сравнивает со значением ширины наплавляемого валика, полученным на установленных параметрах режима и заранее записанным в память этого устройства. Эти данные получены в ходе измерений валиков после серии экспериментов для разных материалов и параметров режима. В случае не соответствия текущей ширины наплавляемого валика допустимому значению, вычислительное устройство (4) запускает ПИД алгоритм регулирования мощности лазерного излучения. За счет него измеряемая ширина наплавляемого валика поддерживается в пределах допустимого значения, прямо в ходе наложения текущего слоя. Значения мощности лазерного излучения при ПИД регулировании процесса не выходят за выше установленные пределы. В результате получается изделие с толщиной стенки от 0,8 до 1,5 мм. Время цикла распознавания видеокамеры 200 кад/с.
Контроль ведется по одному изображению, получаемому непосредственно из зоны обработки, что повышает скорость регулирования процесса системой, по сравнению с прототипом, в котором используются два изображения, снятые под углом к зоне обработке.
В предлагаемом устройстве выше точность контроля процесса, так как контролируется застывшая ванна расплава, а не жидкая как в прототипе. Полезная модель может быть использована для процесса выращивания изделий с коаксиальным или некоаксиальным соплом подачи порошка. Это дает возможность ее использования для контроля процесса в труднодоступных местах, что расширяет границы применения устройства, за счет возможности контроля процесса выращивания в труднодоступных местах.