用于铺粉式金属增材制造设备的旋转轴健康监测装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种用于铺粉式金属增材制造设备的旋转轴健康监测装置与方法，包括：沿着铺粉式金属增材制造设备的旋转轴设置的第一电涡流传感器和第二电涡流传感器，分别用于检测在预设的时间周期范围内旋转轴的轴体转动状态以及轴体转动振动状态；数据采集卡；在线监测装置，与数据采集卡数据连接，用于根据第一电涡流传感器和第二电涡流传感器的检测结果与预设标准的比对，判断旋转轴的损伤风险。本发明专利技术通过3D打印过程中旋转轴的旋转特性来持续在线监测，基于对轴体的转动状态以及转动振动状态的持续检测，对于细微损伤以及旋转轴转动故障、轴体细微损伤可实现在线、快速、精确的检测。的检测。的检测。

【技术实现步骤摘要】
用于铺粉式金属增材制造设备的旋转轴健康监测装置与方法


[0001]本专利技术涉及铺粉式增材制造
，尤其是故障检测，具体而言涉及一种用于铺粉式金属增材制造设备旋转轴健康监测的装置与方法。

技术介绍

[0002]激光选区熔化成型技术(SLM)是现代金属增材制造技术的典型代表，通过高能量密度的激光束被聚焦到成型平面上并由扫描振镜控制以一定速率和路径进行运动，将扫描区域的金属粉末快速熔化并凝固而形成实体，通过逐层累积的方式逐层生长沉积，最终实现复杂三维结构的加工。
[0003]激光选区熔化成型设备也称为铺粉式金属增材制造设备，主要包括光学系统、铺粉成型系统、气体循环净化系统、计算机控制系统以及其他辅助器件。光学系统主要由激光器、扩束镜、扫描振镜、f
‑
θ镜等组成。在激光选区熔化成型过程中，光学系统通过激光器发出激光束并经过柔性光纤传输后，通过扩束镜以扩展激光束直径，以减少作用于扫描振镜的激光能量密度，最后通过f
‑
θ透镜消除枕形畸变以得到光束质量高、聚焦光斑精确的激光束。该激光束被聚焦于成型表面，并在振镜运动控制卡与计算机控制系统的协同控制下，以设定速度与预定路径进行加热熔化金属粉末并快速凝固形成实体。
[0004]铺粉成型系统位于激光选区熔化成型设备的成型舱体，包括粉末存储缸、送粉组件、刮刀组件等，通过挂刀将金属粉末以非常薄的层分布在整个基材或基板上，然后高功率激光束通过有选择地熔化粉末状材料来熔化零件的2D切片而沉积成型，每沉积一层后，基板向下移动一定的距离，例如与单层厚度响应的下移距离，然后再重新铺粉，再通过激光束熔化成型，由此逐层打印沉积直到完整整个打印过程。其中，在基板下方设置通过成型缸来控制其下移过程，例如通过丝杠传送机构来实现，丝杆旋转轴被驱动转动时，将旋转运动转换成上下的直线运动，带动基板下移。
[0005]铺粉式金属增材制造设备在完成整个打印成型工作时，各个缸体(例如成型缸、粉缸等)的驱动轴都会连续的工作，易出现轴体的故障，例如轴体损坏、磨损、轴体转动异常等，从而影响打印的质量和效率，例如送粉量与预期不符，成型基板下移距离与预期的距离不一致等，造成打印件的质量存在缺陷。尤其是对于使用服役周期比较久的设备和旋转轴来说，轴体的损伤、磨损、磕碰等缺陷，属于易发型故障，当损伤、磨损、磕碰比较小时，引起打印零件的沉积层质量以及内部组织不良时，受到仓内复杂的打印环境影响，夹杂烟气影响较大，通过传统的人工观测、计算机视觉手段难以识别。

技术实现思路

[0006]根据本专利技术的第一方面提出一种用于铺粉式金属增材制造设备的旋转轴健康监测装置，包括：
[0007]沿着铺粉式金属增材制造设备的旋转轴设置的第一电涡流传感器和第二电涡流传感器，分别用于检测在预设的时间周期T1范围内所述旋转轴的轴体转动状态以及轴体转
动振动状态；
[0008]数据采集卡，与所述第一电涡流传感器和第二电涡流传感器电连接；以及
[0009]在线监测装置，与所述数据采集卡数据连接，用于根据所述第一电涡流传感器和第二电涡流传感器的检测结果与预设标准的比对，判断所述旋转轴的损伤风险。
[0010]在可选的实施例中，旋转轴为成型缸内设置的用于驱动成型基板在竖直位置上移动的丝杆轴，所述丝杆轴的表面设置有螺旋齿圈，所述丝杆轴在被驱动旋转时，基于与丝杆螺母的配合而驱动与丝杆轴固定连接的成型基板沿着丝杆轴的轴线方向直线升降运动；所述丝杆轴在每个预设的时间周期T1的直线位移高度为h，直线位移高度h根据增材制造工艺确定的每一层沉积层的厚度决定。
[0011]在可选的实施例中，第一电涡流传感器根据以下方式检测所述轴体转动状态：
[0012]根据增材制造工艺，获取标准状态的丝杆轴在每成型一层沉积层而在每个预设的时间周期T1的直线位移高度h，结合丝杆轴的设计参数计算出在预设的时间周期T1内旋转过的齿圈数N1；
[0013]获取所述第一电涡流传感器检测的预设的时间周期T1内输出的周期信号从而确定对应旋转过的实际齿圈数N2；
[0014]如果实际齿圈数N2与齿圈数N1不同，则判定所述丝杆轴存在异常，否则判定正常。
[0015]在可选的实施例中，第二电涡流传感器根据以下方式检测所述轴体转动振动状态：
[0016]通过第二电涡流传感器检测所述丝杆轴的连续振动，生成振动波形；
[0017]对振动波形按照预设的时间周期T2进行连续的时序划分，获得实际的振动时序波形序列X，X＝[X1，X2，X3，...,X
n
]，其中X
n
表示第n个振动时序波形序列；
[0018]以标准状态的丝杆轴的振动信号对应的标准振动波形为基础，对标准振动波形按照预设的时间周期T2进行连续的时序划分，获得参考的振动时序波形序列C，C＝[C1，C2，C3，...,C
n
],，其中C
n
表示第n个参考波形序列；
[0019]以参考波形序列为基准，对比每一个振动时序波形序列，计算序列幅值相对差A
i
：
[0020]A
i
＝{|p
i1
‑
q
i1
|+|p
i2
‑
q
i2
|+|p
i3
‑
q
i3
|
…
|p
im
‑
q
im
|}/m
[0021]其中，m表示第i个振动时序波形序列中采样点的总数；i＝1,2,3,...,n；p
im
表示第i个振动时序波形序列中第m个采样点的幅值；q
im
表示第i个参考波形序列中第m个采样点的幅值；
[0022]当出现任意两个连续的振动时序波形序列的序列幅值相对差以超过预设阈值时，则判定旋转轴存在损坏风险。
[0023]在另外的一些实施例中，第一电涡流传感器根据以下方式检测所述轴体转动状态：
[0024]获取所述第一电涡流传感器检测的预设的时间周期T1内输出的周期信号从而确定对应旋转过的实际齿圈数N2；
[0025]计算丝杆轴的实际转速rad：
[0026]如果丝杆轴的实际转速rad与预设的转速R0不同，则判定所述丝杆轴存在异常，否则判定正常。
[0027]在一些实施例中，第二电涡流传感器被设置成根据以下方式检测所述轴体转动振
动状态：
[0028]通过第二电涡流传感器检测所述丝杆轴的连续振动，生成振动波形；
[0029]对振动波形按照预设的时间周期T2进行连续的时序划分，获得实际的振动时序波形序列X，X＝[X1，X2，X3，...,X
n
]，其中X
n
表示第n个振动时序波形序列；
[0030]以标准状态的丝杆轴的振动信号对应的标准振动波形为基础，对标准振动波形按照预设的时间周期T2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于铺粉式金属增材制造设备的旋转轴健康监测装置，其特征在于，包括：沿着铺粉式金属增材制造设备的旋转轴设置的第一电涡流传感器(10)和第二电涡流传感器(20)，分别用于检测在预设的时间周期T1范围内所述旋转轴的轴体转动状态以及轴体转动振动状态；数据采集卡(30)，与所述第一电涡流传感器(10)和第二电涡流传感器(20)电连接；以及在线监测装置(40)，与所述数据采集卡(30)数据连接，用于根据所述第一电涡流传感器(10)和第二电涡流传感器(20)的检测结果与预设标准的比对，判断所述旋转轴的损伤风险。2.根据权利要求1所述的用于铺粉式金属增材制造设备的旋转轴健康监测装置，其特征在于，所述第一电涡流传感器(10)和第二电涡流传感器(20)被设置成安装位于旋转轴的两侧。3.根据权利要求1所述的用于铺粉式金属增材制造设备的旋转轴健康监测装置，其特征在于，所述第一电涡流传感器(10)和第二电涡流传感器(20)被设置成安装位于中轴线同一侧，并沿着旋转轴位于上下位置。4.根据权利要求1所述的用于铺粉式金属增材制造设备的旋转轴健康监测装置，其特征在于，所述旋转轴为成型缸内设置的用于驱动成型基板在竖直位置上移动的丝杆轴，所述丝杆轴的表面设置有螺旋齿圈，所述丝杆轴在被驱动旋转时，基于与丝杆螺母的配合而驱动与丝杆轴固定连接的成型基板沿着丝杆轴的轴线方向直线升降运动；所述丝杆轴在每个预设的时间周期T1的直线位移高度为h，直线位移高度h根据增材制造工艺确定的每一层沉积层的厚度决定。5.根据权利要求4所述的用于铺粉式金属增材制造设备的旋转轴健康监测装置，其特征在于，所述第一电涡流传感器(10)被设置成根据以下方式检测所述轴体转动状态：根据增材制造工艺，获取标准状态的丝杆轴在每成型一层沉积层而在每个预设的时间周期T1的直线位移高度h，结合丝杆轴的设计参数计算出在预设的时间周期T1内旋转过的齿圈数N1；获取所述第一电涡流传感器(10)检测的预设的时间周期T1内输出的周期信号从而确定对应旋转过的实际齿圈数N2；如果实际齿圈数N2与齿圈数N1不同，则判定所述丝杆轴存在异常，否则判定正常。6.根据权利要求5所述的用于铺粉式金属增材制造设备的旋转轴健康监测装置，其特征在于，所述第二电涡流传感器(20)被设置成根据以下方式检测所述轴体转动振动状态：通过第二电涡流传感器(20)检测所述丝杆轴的连续振动，生成振动波形；对振动波形按照预设的时间周期T2进行连续的时序划分，获得实际的振动时序波形序列X，X＝[X1，X2，X3，...,X
n
]，其中X
n
表示第n个振动时序波形序列；以标准状态的丝杆轴的振动信号对应的标准振动波形为基础，对标准振动波形按照预设的时间周期T2进行连续的时序划分，获得参考的振动时序波形序列C，C＝[C1，C2，C3，...,C
n
],，其中C
n
表示第n个参考波形序列；以参考波形序列为基准，对比每一个振动时序波形序列，计算序列幅值相对差A
i
：A
i
＝{|p
i1
‑
q
i1
|+|p
i2
‑
q
i2
|+|p
i3
‑
q
i3
|
…
|p
im
‑
q
im
|}/m
其中，m表示第i个振动时序波形序列中采样点的总数；i＝1,2,3,...,n；p
im
表示第i个振动时序波形序列中第m个采样点的幅值；q
im
表示第i个参考波形序列中第m个采样点的幅值；当出现任意两个连续的振动时序波形序列的序列幅值相对差以超过预设阈值时，则判定旋转轴存在损坏风险。7.根据权利要求4所述的用于铺粉式金属增材制造设备的旋转轴健康监测装置，其特征在于，所述第一电涡流传感器(10)被设置成根据以下方式检测所述轴体转动状态：获取所述第一电涡流传感器(10)检测的预设的时间周期T1内输出的周期信号从而确定对应旋转过的实际齿圈数N2；计算丝杆轴的实际转速rad：rad＝N2/T1；如果丝杆轴的实际转速rad与预设的转速R0不同，则判定所述丝杆轴存在异常，否则判定正常，其中所述预设的转速rad被设置成根据增材制造工艺对应的每成型一层沉积层的直线位移高度h确定。8.根据权利要求7所述的用于铺粉式金属增材制造设备的旋转轴健康监测装置，其特征在于，所述第二电涡流传感器(20)被设置成根据以下方式检测所述轴体转动振动状态：通过第二电涡流传感器(20)检测所述丝杆轴的连续振动，生成振动波形；对振动波形按照预设的时间周期T2进行连续的时序划分，获得实际的振动时序波形序列X，X＝[X1，X2，X3，...,X
n
]，其中X
n
表示第n个振动时序波形序列；以标准状态的丝杆轴的振动信号对应的标准振动波形为基础，对标准振动波形按照预设的时间周期T2进行连续的时序划分，获得参考的振动时序波形序列C，C＝[C1，C2，C3，...,C
n
],，其中C
n
表示第n个参考波形序列；以参考波形序列为基准，对比每一个振动时序波形序列，计算序列幅值相对差A
i
：A
i
＝{|p
i1
‑
q
i1
|+|p
i2
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：孙韬，张巍，王凌风，邢飞，唱丽丽，
申请(专利权)人：南京中科煜宸激光技术有限公司，
类型：发明
国别省市：