回转体表面激光快速成形方法及其系统技术方案

本发明专利技术涉及快速成形技术，具体地说是一种回转体表面激光快速成形方法及其系统。其方法是：以回转面分层切片、回转扫描路径填充方法形成系统加工路径的数据依据；采用高功率聚焦激光束为能量源，进行激光熔覆成形；利用摆动式同轴送粉，实现粉末在垂直和水平方向任意角度送给；并使用金属粉末在运动控制单元的自动控制下、在直线与回转三轴联动的执行机构上，完成扫描填充成形过程，从而直接、自动、快速地制备成形全密度金属功能零件。采用本发明专利技术能够使金属粉末在运动控制单元的自动控制下、在直线与回转联动的执行机构上，实现在回转体表面进行快速成形加工，制造出直接进行功能性应用的回转类金属零件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及快速成形技术，具体地说是一种回转体表面激光快速成形 方法及其系统。
技术介绍
快速成形技术是八十年代末兴起并得到迅速发展的崭新制造技术，被 认为是近二十年来制造
的一次重大突破，其对制造业的影响可与 数控技术的出现相比。在快速成形技术的发展历程中，按照成形材料划分可将快速成形技术 分为以下三个阶段基于非金属材料的原型件快速成形技术、基于传统快 速原型设备的金属零件直接成形技术、金属零件直接快速成形技术。金属 零件直接快速成形技术因其可直接由金属粉末经高功率激光烙覆制造成形 金属功能零件而倍受人们的关注，并且取得了非常长足的发展。快速成形技术是将计算机数据处理、机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学技术熔合为一体的一项技术，其中数据处理算法是人们一直研究的热点之一。通常快速成形数据处理的步骤是首先在计算机上制作出零件三维CAD模型，将零件三维CAD模型进行网格化处理后存储 成STL格式文件；然后对STL格式文件进行分层切片处理，得到各层截面 的二维轮廓信息；最后按照这些轮廓信息自动生成快速成形加工路径。在 目前快速成形的各种工艺技术中，均是通过各种各样的计算机数据处理算 法，将CAD实体模型离散成STL文件后，用二维平面进行切片分层处理， 所得到的各个分层轮廓均在一个二维平面内。因此在成形加工的过程中， 均是选择适当的一个平面材料做为支撑的基体。而采用圆柱曲面作为三维 空间内的分层切片曲面进行分层切片数据处理仍然未见报道，因此以回转 体为支撑基体的回转体表面激光快速成形技术是一项新的快速成形技术。
技术实现思路
为了能够在回转体表面进行快速成形加工，制造出能够直接进行功能 性应用的回转类金属零件，本专利技术提供--种回转体表面激光快速成形加工 方法及其系统。本专利技术技术方案如下回转体表面激光快速成形方法以回转面分层 切片、回转扫描路径填充方法形成系统加工路径的数据依据；采用高功率 聚焦激光束为能量源，进行激光熔覆成形；利用摆动式同轴送粉，实现粉末在垂直和水平方向任意角度送给；并使金属粉末在运动控制单元的自动 控制下、在直线与回转三轴联动的执行机构上，完成扫描填充成形过程，从而直接、自动、快速地制备成形全密度金属功能零件；所述回转分层切片方法指在回转体零件的CAD建模时，以一定直径 的回转体为基体，在基体上设计出零件的形状特征，将该CAD模型离散， 将离散数据以STL格式保存；将一系列同心圆柱曲面作为STL文件的分层 曲面，再进行分层切片数据处理，得到相应各层同心圆柱曲面上的轮廓形 状；所述回转扫描路径填充方法是以回转扫描形式对圆柱曲面上的轮廓形 状进行扫描路径填充处理，将得到的扫描路径数据保存为CLI格式的文件， 作为系统加工路径的数据依据；其中所述高功率聚焦激光束选自横流、多模、针板式3KWC02激光器， 激光输出功率不稳定度小于±2%，电子光闸反应速度小于50ms。回转体表面激光快速成形系统由激光光源、运动执行机构、摆动式 同轴送粉机构、存有分层切片数据处理程序及运动控制程序的运动控制单 元组成。激光光源输出激光束经过运动执行机构、摆动式同轴送粉机构的 光路至基体表面，运动执行机构末端与摆动式同轴送粉机构相连接，运动 控制单元一方面与激光光源电连接，控制激光开关；另一方面分别与运动 执行机构中的各轴电机电连接，按分层切片数据处理程序及运动控制程序 指令控制各轴运动。本专利技术具有如下特点1. 本专利技术采用同心圆柱曲面对回转体零件进行分层切片数据处理，采 用螺旋扫描形式对圆柱曲面内的各轮廓进行扫描路径填充处理，提供了回 转体零件激光直接快速成形制造技术的一个新的技术路线。2. 与传统的激光气动光闸不同，在本专利技术的系统中采用了可控硅电子 光闸技术，并且可由计算机进行激光的开关控制。其特点的反应迅速、可 控性好、无机械振动、节约能源、能量稳定。3. 本专利技术在原有的粉末喷嘴基础上，设计了可在水平面与垂直面间实 现90。角内的任意角摆动的送粉结构，实现了垂直面、水平面以及其间的任 意角度的成形加工，极大地提高了粉末喷嘴的工作能力和成形适用范围。4. 本专利技术基于PC机的运动控制单元以及运动执行机构，其标准化程 度高、柔性好、开放性强、节约成本、操作简单、可充分发挥PC机的强大 功能。采用伺服电机、步进电机以及精密的滚珠丝杠和滚珠导轨组成运动 执行机构，定位精度与重复定位精度均极高。附图说明图1是本专利技术的系统总体结构图。图2是图1中摆动粉末喷嘴机构结构示意图。图3是本专利技术采用图2所示摆动粉末喷嘴机构用于回转体表面激光快 速成形的一个实施例。图4是图1中运动控制单元结构示意图。图5是图4中分层切片数据处理程序流程图。 图6是图4中运动控制程序流程图。 具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。本专利技术回转体表面激光快速成形方法以回转面分层切片、回转扫描 路径填充方法形成系统加工路径的数据依据；采用高功率聚焦激光束为能 量源，进行激光熔覆成形；利用摆动式同轴送粉，实现粉末在垂直和水平 方向任意角度送给；并使用金属粉末在运动控制单元的自动控制下、在直 线与回转三轴联动的执行机构上，完成扫描填充成形过程，从而直接、自 动、快速地制备成形全密度金属功能零件；所述回转分层切片方法指在回转体零件的CAD建模时，以一定直径 的回转体为基体，在基体上设计出零件的形状特征，将该CAD模型离散， 将离散数据以STL格式保存；将一系列同心圆柱曲面作为STL文件的分层 曲面，再进行分层切片数据处理，得到相应各层同心圆柱曲面上的轮廓形 状；所述回转扫描路径填充方法是以回转扫描形式对圆柱曲面上的轮廓形 状进行扫描路径填充处理，将得到的扫描路径数据保存为CLI格式的文件， 作为系统加工路径的数据依据；其中所述高功率聚焦激光束选自横流、多模、针板式3KWC02激光器， 激光输出功率不稳定度小于±2%，电子光闸反应速度小于50ms;采用高功率聚焦激光束为能量源的情况下，可以通过计算机进行激光 开关的反应迅速的自动控制，进行激光熔覆成形。本专利技术回转体表面激光快速成形系统由激光光源l，运动执行机构， 摆动式同轴送粉机构，存有分层切片数据处理程序及运动控制程序的运动 控制单元9组成，其中激光光源1输出激光束2经运动执行机构、摆动式 同轴送粉机构的光路至基体表面，运动执行机构末端与摆动式同轴送粉机 构相连接，运动控制单元9 一方面与激光光源1电连接，控制激光开关； 另一方面分别与运动执行机构中的各轴电机电连接，按分层切片数据处理 程序及运动控制程序指令控制各轴运动。运动执行机构由F轴4，与Z轴伺服电机3相连的Z轴5， f/轴7，机 座8，回转基体18组成，机座8为L型结构，置有回转基体18的f/轴7 作为回转转台，安装在机座8水平方向上，Z轴5位于t/轴7上方，下端 与摆动粉末喷嘴机构6安装在一起，上端与Z轴伺服电机3， Z轴5通过导 轨与7轴4垂直安装在一起；r轴4位于垂直方向的机座8上；其中.F轴4、t/轴7的伺服电机分别位于机座8内；Z轴5和r轴4内设与激光光源1 光路相通的通道。图4是运动控制单元9，由插入工业控制计算机中的运动控制器和I/O 控制器组成，其中运动控制器为市购产品，采用研华PCI-1240型卡，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种回转体表面激光快速成形方法，其特征在于：以回转面分层切片、回转扫描路径填充方法形成系统加工路径的数据依据；采用高功率聚焦激光束为能量源，进行激光熔覆成形；利用摆动式同轴送粉，实现粉末在垂直和水平方向任意角度送给；并使用金属粉末在运动控制单元的自动控制下、在直线与回转三轴联动的执行机构上，完成扫描填充成形过程，从而直接、自动、快速地制备成形全密度金属功能零件。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟军，尚晓峰，李论，田凤杰，杨光，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：89[]