[发明专利]基于光栅尺全闭环实时控制提高铺粉工件成形精度的装置及方法

说明书

本发明涉及增材制造技术领域，具体而言涉及基于光栅尺全闭环实时控制提高铺粉工件成形精度的装置及方法，包括成型缸、电机、光栅尺位移传感器、驱动器、控制器，其中，所述电机、光栅尺位移传感器、驱动器和控制器形成闭环反馈系统，所述控制器能与光栅尺位移传感器采集的数据信息交互，利用光栅尺位移传感器检测精度高、响应速度快的特点，对基板移动位置精确测量，并将位置数据实时反馈给控制器，可编程控制器将基板移动位置的实时数据作为基准传递给伺服系统中，使基板升降到指定位置时，位置信息为光栅尺位移传感器实际测量值，实现对铺粉层厚实时全闭环位置控制，控制每次下降的高度保持一致，使每层铺粉的厚度保持一致，提高激光烧结粉末的精度。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体而言涉及基于光栅尺全闭环实时控制提高铺粉工件成形精度的装置及方法。

背景技术

铺粉式金属3D打印是金属增材制造技术中的一个重要分支。该技术以预置于粉末平台上的金属粉末为原料，以零件的三维数字模型为基础，利用激光或电子束等高能束，在三维模型离散出的一系列二维平面上，逐层熔融粉末，并最终制造出三维金属零件。目前应用最广泛的是利用激光作为能量源的铺粉式金属3D打印，又称为选择性激光熔融(Selected Laser Melting,SLM)。

打印开始前，粉末被存储在粉末备料缸内，打印基板放入粉末成型缸。打印开始之后，粉末备料缸向上运动，送出一定量粉末，铺粉刮刀将粉末向粉末成型缸方向刮送，在打印平台上铺展开，形成一层厚度均匀的粉末层；激光光源发出激光，经聚焦光路聚焦后，通过X-Y扫描振镜控制方向，根据STL文件中的扫描路径，扫描打印基板上的粉末层，通过激光能量使扫描路径上的粉末熔融，并与基板(或前次已成型层)形成冶金结合。完成一层粉末的激光扫描熔融后，打印平台下降一层粉末高度，重复进行激光扫描，直至完成数字模型所有二维平面上扫描，即完成了整个三维产品的打印。

3D铺粉打印增材制造中，成型缸内打印基板下降的精度控制对工件尺寸成型起到至关重要的作用，铺粉打印中铺粉的层厚影响工件尺寸的成形，铺粉层厚不均匀直接影响工艺的质量，铺粉太厚激光烧结不充分，会使当前层与上一层脱节导致工件打印失败，铺粉太薄会对工件内部过分烧结造成损伤从而导致工件打印失败。

目前成型缸内基板下降的控制方式主要有两种：

1)采取带编码器的伺服电机，编码器能识别电机的偏转角度，但是由于机械安装电机与丝杆存在物理间隙，这个属于半闭环控制，根据编码器反馈位置不能表征出基板的实际位置；

2)采用外加光栅尺，通过差补算法：打印一层，计算当前层编码器位置值与光栅尺位置值的差值，将差值补偿到下一层，这种控制方式虽说是全闭环控制，精度会有所提升，但是每一层与预想位置值都存在微小差别，不能达到对铺粉层厚的实时精准控制。

发明内容

本发明提出一种技术方案，一种基于光栅尺全闭环实时控制提高铺粉工件成形精度的装置，包括：

成型缸，内部设有能上下移动且用于承载粉末的基板，所述基板的下方通过导杆固定连接有与所述基板平行分布的底板；

电机，被设置通过丝杆传动机构驱动所述基板上下移动；

光栅尺位移传感器，包括与所述基板的移动方向平行设置的光栅尺以及活动安装在所述光栅尺上的光栅尺读头，所述光栅尺读头固定安装在所述底板上，使所述光栅尺读头与所述基板同步产生相同的位移，令所述光栅尺位移传感器能获取所述基板移动距离的数值；

驱动器，被设置用于驱动所述电机；

控制器，被设置与所述光栅尺位移传感器、驱动器电连接；