CN110093601B - 一种激光熔覆实时测厚及反馈的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光熔覆技术领域，特别公开了一种激光熔覆实时测厚及反馈方法及装置。该激光熔覆实时测厚及反馈的方法，其特征在于：在激光加工头附近安装激光位移传感器，并使之与激光加工头随动，激光位移传感器的测量激光与工件的激光熔覆层垂直，测量激光的测量点设置在与熔池在同一圆弧上且靠近两条激光熔覆层的搭接处；激光位移传感器测量熔覆层的高度，并将测量值反馈至控制器，控制器完成数值的计算、显示及反馈，进而控制激光加工头的熔覆参数，使最终尺寸满足要求。本发明通过闭环控制调节激光加工参数，精确控制熔覆层厚度，降低人工测量误差，减少粉末浪费，有效提升熔覆效率和加工成品合格率。
Description
（一）技术领域
本发明涉及激光熔覆技术领域，特别涉及一种激光熔覆实时测厚及反馈方法及装置。
（二）背景技术
激光熔覆（Laser Cladding）亦称激光包覆或激光熔敷，是一种新的表面改性技术。它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的熔覆层。激光熔覆作为一种新型的表面处理技术，已经广泛的应用于工程机械制造与再制造领域。
关于激光熔覆涂层厚度测量技术的应用，申请号为201810766782.8，专利名称为“一种基于立体视觉的激光熔覆闭环控制方法”，公开了在激光器的相对两侧分别安装一个控制系统连接且同步移动的CCD，对两个CCD进行标定，通过两个CCD实时获取激光器熔覆时的熔池变化图像，然后利用控制系统与预设的标准熔池成形层形状进行对比，并根据误差调整激光功率或离焦量，实现对熔覆层尺寸和质量的控制。
上述控制技术测量精确度较高，但是激光熔覆是一个受激光功率、粉末、基体特性等多因素影响的加工过程，在实际复杂工业生产环境中，捕捉熔池图像会受到诸多因素的干扰，容易被遮挡，而且熔池周围温度较高且存在较多粉尘，对CCD的长时间高温稳定运行和镜头清洁也有较高要求；另外，CCD相机成本较高，增加设备成本，且标定过程较为复杂，在大规模工业应用中也存在一定局限性。
目前，在轴类激光熔覆实际生产中，大多采用人工测量，即采用卡钳卡工件外径，再在直尺上测量尺寸的方式，这种方式操作简单，几乎无设备成本，但是受人为因素影响较大，不同个体因习惯和手感不同测量结果差异较大，尺寸精确度低。另外，有些大型工件的局部熔覆人工测量难度大，对于一些异形面甚至无法测量，只能靠经验估测涂层厚度。
（三）发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种简单易行、成本低、测量精度高的激光熔覆实时测厚及反馈的方法及装置。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种激光熔覆实时测厚及反馈的方法，其特征在于：在激光加工头附近安装激光位移传感器，并使之与激光加工头随动，激光位移传感器的测量激光与工件的激光熔覆层垂直，测量激光的测量点设置在与熔池在同一圆弧上且靠近两条激光熔覆层的搭接处；激光位移传感器测量熔覆层的高度，并将测量值反馈至控制器，控制器完成数值的计算、显示及反馈，进而控制激光熔覆参数，使最终尺寸满足要求。
本发明主要应用于激光熔覆加工过程中及加工后涂层厚度测量，并与机床、送粉器、激光器等集成，实时调控激光加工参数，确保涂层厚度达到加工尺寸要求，提升熔覆效率和加工成品合格率，解决了激光熔覆加工过程中厚度测量不精确或者无法测量的问题。
本发明的更优技术方案为：
所述激光位移传感器的激光测量点在熔池后2-10mm处，实现激光熔覆大面积涂层尺寸的精确控制。
所述控制器通过控制单元采集测量数据，通过Labview等语言算法计算熔覆层厚度，并将实际厚度数据与预设厚度进行比对，将相应调整指令反馈至激光熔覆设备的送粉器或者激光器，将熔覆层厚度数据在显示器上显示。
所述激光位移传感器为扩散反射型数显激光位移传感器；激光位移传感器测量精度高，响应速度快，测量的是熔覆层，可以精确反应熔覆层厚度，与CCD等手段相比较，受干扰的因素少，测量更为稳定、高效。
所述控制单元的厚度计算方法为，确定预设熔覆层尺寸为a，测量未熔覆时激光位移传感器读数为b，则满足预设尺寸的前提下，激光位移传感器的示数c=b-a，将c作为标准数值进行标定，激光位移传感器测量熔覆层时的数值显示即为d，则实际熔覆层厚度与预设厚度之差e=c-d，通过Labview等语言算法，实时计算高度差e，设置高度差e允许的误差范围≤0.3mm，控制单元完成数值e的显示及反馈，进而控制熔覆参数。
所述熔覆参数包括送粉器的送粉量、激光熔覆速度、激光功率。
实现上述激光熔覆实时测厚及反馈的方法的装置，包括激光熔覆装置的激光加工头以及与其对应的工件，所述激光加工头附近安装有与之随动的激光位移传感器，激光位移传感器通过导线连接控制器，控制器连接激光熔覆装置和激光熔覆装置的送粉器；激光位移传感器的激光与工件上的熔覆层垂直。
所述控制器包括控制单元和显示器。
人工测量手段精度低、误差大，有时候为了保证后续加工余量，会有意识的提升熔覆层厚度，无形中增加了粉末用量，造成了粉末的浪费，本发明的实时测厚及反馈装置，形成整套闭环系统，保证熔覆层厚度与预设尺寸一致，避免粉末浪费和因加工余量不足导致的二次加工。
目前针对激光熔覆涂层厚度尚没有精确的在线无损测量手段，通过本发明可以有效控制熔覆层厚度，保证参数稳定性，进而保证产品质量。
本发明设备成本低，适用于工业生产，测量的是高度差，对工件形状要求低，可应用于各种人工测量难度大的不同形状工件熔覆层尺寸的测量。
本发明整套装置可以拆分利用，在一些临时应用场合，可利用传感器自带数值显示，人工读取数值后计算高度差，作为加工参数调整的参考，适用于现场熔覆、差异性产品加工等。
本发明通过闭环控制调节激光加工参数，精确控制熔覆层厚度，降低人工测量误差，减少粉末浪费，有效提升熔覆效率和加工成品合格率。
（四）附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明方法的原理框图。
图中，1激光加工头，2激光位移传感器，3工件，4激光熔覆层，5控制器，6送粉器，7控制单元，8显示器。
（五）具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
如附图1所示，本发明装置包括一个激光位移传感器2和控制器5，激光位移传感器2安装在激光加工头1附近，并与之随动，激光位移传感器2测量激光与激光熔覆层4垂直，为保证测量位置为激光熔覆层4的低点，测量点设置在与熔池在一个同一圆弧上且靠近两条激光熔覆层4的搭接处。
激光位移传感器2为扩散反射型数显激光位移传感器，主要作用是测量高度，基于三角测量原理，可以辐射一条激光线段到物体上，通过CMOS感光元件接受漫反射投影，获得线段上所有点的高度，将测量值反馈至控制器5；
控制器5含控制单元7和显示器8。
控制单元7的作用为采集测量数据，控制单元7可以是PLC，也可以是嵌入式微处理器等，通过Labview语言等算法计算熔覆层厚度，并将实际厚度数据与预设厚度进行比对，将相应调整指令反馈至激光熔覆设备的送粉器6，以此改变送粉量，进而改变激光熔覆层4厚度。此处不局限于送粉器6，其余可改变激光熔覆层4厚度的加工参数也可，例如通过反馈至机床或者机械手等运动控制单元，加快或者降低熔覆速度。
控制单元7的厚度计算思想：确定预设激光熔覆层4尺寸为a，测量未熔覆时激光位移传感器2读数为b，则满足预设尺寸的前提下，激光位移传感器2的示数c=b-a，将c作为标准数值进行标定，激光位移传感器2测量激光熔覆层4时的数值显示记为d，则实际激光熔覆层4厚度与预设厚度之差e=c-d，通过Labview语言等算法，实时计算高度差e，设置高度差e允许的误差范围为≤0.3mm，控制单元7完成数值e的显示及反馈，进而控制送粉量、熔覆速度、激光功率等熔覆参数，使最终尺寸满足要求。
显示器8就是显示激光熔覆层4厚度数据，便于观察。
Claims (6)
1.一种激光熔覆实时测厚及反馈的方法，其特征在于：在激光加工头附近安装激光位移传感器，并使之与激光加工头随动，激光位移传感器的测量激光与工件的激光熔覆层垂直，测量激光的测量点设置在与熔池在同一圆弧上且靠近两条激光熔覆层的搭接处；激光位移传感器测量熔覆层的高度，并将测量值反馈至控制器，控制器完成数值的计算、显示及反馈，进而控制激光熔覆参数，使最终尺寸满足要求；
所述激光位移传感器的激光测量点在熔池后2-10mm处；
所述控制器通过控制单元采集测量数据，通过Labview语言算法计算熔覆层厚度，并将实际厚度数据与预设厚度进行比对，将相应调整指令反馈至激光熔覆设备的送粉器或者激光器，将熔覆层厚度数据在显示器上显示。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆实时测厚及反馈的方法，其特征在于：所述激光位移传感器为扩散反射型数显激光位移传感器。
3.根据权利要求1所述的激光熔覆实时测厚及反馈的 方法，其特征在于：所述控制单元的厚度计算方法为，确定预设熔覆层尺寸为a，测量未熔覆时激光位移传感器读数为b，则满足预设尺寸的前提下，激光位移传感器的示数c=b-a，将c作为标准数值进行标定，激光位移传感器测量熔覆层时的数值显示即为d，则实际熔覆层厚度与预设厚度之差e=c-d，通过Labview语言算法，实时计算高度差e，设置高度差e允许的误差范围≤0.3mm，控制单元完成数值e的显示及反馈，进而控制熔覆参数。
4.根据权利要求1所述的激光熔覆实时测厚及反馈的方法，其特征在于：所述熔覆参数包括送粉器的送粉量、激光熔覆速度、激光功率。
5.实现权利要求1所述的激光熔覆实时测厚及反馈的方法的装置，包括激光熔覆装置的激光加工头（1）以及与其对应的工件（3），其特征在于：所述激光加工头（1）附近安装有与之随动的激光位移传感器（2），激光位移传感（2）器通过导线连接控制器（5），控制器（5）连接激光熔覆装置和激光熔覆装置的送粉器（6）；激光位移传感器（2）的激光与工件（3）上的激光熔覆层（4）垂直。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述控制器（5）包括控制单元（7）和显示器（8）。
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