激光再制造現(xiàn)場粉末輸送系統(tǒng)的研究狀況綜述剖析

1、激光再制造現(xiàn)場粉末輸送系統(tǒng)的研究狀況1、引言再制造技術(shù)是目前非常前沿的學(xué)科，中國再制造專家徐濱士院士等認(rèn)為,再制造是指以產(chǎn)品全壽命周期理論為指導(dǎo)， 以廢舊產(chǎn)品性能實現(xiàn)跨越式提升為目 標(biāo)，以優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保為準(zhǔn)則，以先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)為手段， 對廢舊產(chǎn)品進(jìn)行修復(fù)和改造的一系列技術(shù)措施或工程活動的總稱。簡言之，再制造就是廢舊產(chǎn)品高技術(shù)維修的產(chǎn)業(yè)化。再制造的重要特征是：再制造產(chǎn)品的質(zhì)量和性能達(dá)到甚至超過新品，成本只為新品的 50%，節(jié)能60%，節(jié)材70%，對環(huán) 境的不良影響顯著降低。在當(dāng)前，國家號召建設(shè)資源節(jié)約型，環(huán)境友好型社會 的背景下，再制造的意義更加明顯。1.1 激光再制造技術(shù)激

2、光再制造技術(shù)是一種新穎的先進(jìn)再制造技術(shù)，它融合了先進(jìn)的激光熔覆加 工工藝技術(shù)、激光熔覆材料技術(shù)和自動化控制技術(shù)等技術(shù)于一體，不僅可以恢復(fù)損傷的零部件外形尺寸，還可以使其使用性能達(dá)到甚至超過新品的水平， 是現(xiàn)代 工程裝備修復(fù)新的發(fā)展方向。激光再制造技術(shù)利用高能量激光束作為能源， 與傳 統(tǒng)的機(jī)械加工成形等減法修復(fù)技術(shù)及堆焊等加法修復(fù)技術(shù)相比，在裝備零件再制造成形與加工方面具有顯著優(yōu)勢，其特點和技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在如下幾方面3-6:（1）實現(xiàn)無接觸加工，對工件無直接沖擊，因此基體無機(jī)械變形；（2）激光再制造成形和加工過程中，無“刀具”磨損；（3）激光束能量密度高，適用的材料體系廣泛，可以對多種金屬、非

3、金屬 進(jìn)行修復(fù)和加工，特別是可以加工高硬度和高熔點的材料；（4）激光束聚焦性好，可以實現(xiàn)零部件局部或選區(qū)再制造成形以及性能提 升，并且熱影響區(qū)域小，工件熱變形?。唬?）易于實現(xiàn)多種激光技術(shù)手段的復(fù)合應(yīng)用，根據(jù)零件形狀和性能特點實 現(xiàn)激光復(fù)合再制造；（6）可以實現(xiàn)缺損零件選定區(qū)域的“近凈成形”再制造，后續(xù)加工余量??；（7）激光束易于導(dǎo)向、聚焦、實現(xiàn)方向變換，易與數(shù)控系統(tǒng)和工業(yè)機(jī)器人 配合，對復(fù)雜工件進(jìn)行再制造和加工，因此，其工藝柔性好，是極為靈活的加工和修復(fù)方法；(8) 是綠色環(huán)保型的先進(jìn)技術(shù)，再制造產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、性能可靠，經(jīng)濟(jì)效 益和社會效益好。鑒于激光再制造技術(shù)顯著的技術(shù)優(yōu)勢和特點，近年來，

4、激光再制造技術(shù)方面 的研究不斷深入，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。在國外，英國P.R航空發(fā)動機(jī)公司已將它用于渦輪發(fā)動機(jī)葉片的修復(fù)，美國海軍實驗室用于修復(fù)艦船螺旋槳葉 ，美 國和日本在汽缸、活塞等汽車發(fā)動機(jī)零件上也有很多應(yīng)用 9。在我國，以沈陽大 陸激光技術(shù)有限公司作為龍頭企業(yè)的一批激光再制造專業(yè)化公司不斷涌現(xiàn)，有許多激光再制造技術(shù)成功應(yīng)用的實例，如：石化行業(yè)的煙氣輪機(jī)、風(fēng)機(jī)和電機(jī)；電 力行業(yè)的汽輪機(jī)和電機(jī)；冶金行業(yè)的熱卷板連軋線、棒材連軋線、高速線材連軋 線；鐵路行業(yè)的貨車車輪、道岔、鐵路機(jī)車曲軸；航空發(fā)動機(jī)熱端部件和大型船 舶內(nèi)燃發(fā)動機(jī)熱端部件等等。1.2激光再制造系統(tǒng)先進(jìn)的激光再制造技術(shù)需要先進(jìn)的設(shè)備

5、系統(tǒng)作為支撐。激光再制造系統(tǒng)主要 設(shè)備一般包含激光器、送粉系統(tǒng)、運動執(zhí)行機(jī)構(gòu)(例如數(shù)控系統(tǒng)、工裝卡具工作 臺等)，還可配備成形過程監(jiān)測和控制系統(tǒng)等10，如圖1.1所示。它的基本原理 就是通過激光發(fā)出平行激光束，然后通過反射或者折射進(jìn)行聚焦，根據(jù)實際情況， 選擇合理的工藝參數(shù)，將激光作用在材料上，完成材料在基體表面的熔覆，實現(xiàn) 再制造過程。1.1激光再制造系統(tǒng)示意圖送粉系統(tǒng)作為激光再制造設(shè)備系統(tǒng)的重要組成部分，送料裝置、送料方法及 其控制技術(shù)成為激光再制造過程中關(guān)鍵及核心的技術(shù)，也是目前激光再制造研究 的重點方向之一。激光再制造過程中，對送料裝置性能要求是能夠提供高度連續(xù)、 均勻、穩(wěn)定、可控的送

6、料速度，將材料準(zhǔn)確地送達(dá)熔池，形成高質(zhì)量熔覆軌跡， 并很好地適應(yīng)掃描方向的變化。送料裝置的性能直接影響零件的成形質(zhì)量，是系 統(tǒng)中極為重要的一部分。 目前用于熔覆的金屬形狀既有粉末， 又有絲狀或帶狀， 相應(yīng)的送料方式稱為送粉法和送絲法11 0送粉法的主要優(yōu)點在于材料來源廣、易 于合金化、易于加工、成形精度高，但也存在著粉末利用率低、生產(chǎn)效率低及粉 塵對工作環(huán)境有污染的問題。如何保證幾何成形精度情況下實現(xiàn)粉末材料利用率 高且提高生產(chǎn)效率，成為本領(lǐng)域研究熱點與難點之一。2激光再制造粉末輸送裝置的研究在激光熔覆、再制造過程中，根據(jù)材料的供應(yīng)方式不同分為兩大類12:預(yù)置法和同步送粉法。同步送粉法具有工藝

7、過程簡單，合金材料利用率高，可控性 好，容易實現(xiàn)自動化，使其成為激光熔覆技術(shù)的首選方法，國內(nèi)外實際生產(chǎn)中采用較多。激光再制造同步送粉裝置主要由送粉器和噴嘴組成。送粉器的主要作用是將粉斗中的粉末變成均勻連續(xù)的粉流；噴嘴是將送粉器輸送的粉流轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌?的形狀并送入熔池。在激光同步送粉熔覆工藝中，加工質(zhì)量主要依賴的參數(shù)有 13:加工速度、粉末單位時間輸送率、激光功率密度分布、光斑直徑、粉末的 輸送速度、穩(wěn)定性以及粉末束質(zhì)量等；其中粉末單位時間輸送率和粉末的輸送速 度，穩(wěn)定性是由送粉器的輸送特性決定的，粉末束的輸出質(zhì)量由送粉噴嘴決定。 所以對送粉裝置的研究對提高激光熔覆、再制造加工質(zhì)量具有重要意義。2

8、.2送粉器的種類及發(fā)展送粉器是激光熔覆技術(shù)中的核心元件之一，它按照加工工藝，向激光熔池輸送設(shè)定好的粉末。送粉器性能的好壞，直接影響熔覆層的質(zhì)量和加工零件尺寸等。 所以開發(fā)高性能的送粉器，對激光熔覆加工、激光再制造顯得尤為重要。隨著激光熔覆、再制造技術(shù)的快速發(fā)展，以及對熔覆層的加工精度和質(zhì)量要 求的提高，國內(nèi)外相繼研發(fā)了基于不同原理的送粉器 14。根據(jù)工作原理的不同， 可以分為：基于氣體動力學(xué)的送粉原理，如刮吸式送粉器：基于機(jī)械力學(xué)的送粉 原理，如螺旋式送粉器：基于超聲振動的送粉原理，如毛細(xì)管式送粉器：基于電 磁振動力學(xué)的送粉原理，如磁珠激勵振動式送粉器：基于轉(zhuǎn)動碎團(tuán)的送粉原理 ， 如研磨轉(zhuǎn)針式

9、送粉器；基于轉(zhuǎn)動研磨的送粉原理，如轉(zhuǎn)動刷式送粉器；基于流化 床原理，如沸騰式送粉器等。沸騰式送粉器的工作原理是：沸騰進(jìn)氣l與沸騰進(jìn)氣2將粉末流化或者使粉末 達(dá)到臨界流化狀態(tài)，而粉末輸送管中間有一孔洞與送粉器內(nèi)腔相通，當(dāng)粉末流化或處于臨界流化狀態(tài)時，送粉進(jìn)氣通過粉末輸送管，便可將粉末連續(xù)地輸送出。 其中，為使粉末能夠順利通過小孔洞進(jìn)入粉末輸送管中，腔內(nèi)的沸騰氣壓應(yīng)大于送粉進(jìn)氣的氣壓。對于沸騰式送粉器，使氣體與粉末混合均勻，不易發(fā)生堵塞；調(diào)節(jié)氣體流量 的大小便可以實現(xiàn)對粉末輸送速率的調(diào)節(jié)，可靠方便；而且不像刮吸式與螺旋式 等機(jī)械式送粉器，粉末輸送過程中與送粉器內(nèi)部發(fā)生機(jī)械擠壓和摩擦容易發(fā)生粉 末堵

10、塞現(xiàn)象，造成送粉量的不穩(wěn)定；而對于不同的粉末或者是合金粉末， 沸騰式 送粉器也可以進(jìn)行輸送，對粉末的粒度和形狀有較寬的適用范圍。沸騰式送粉器， 是基于氣固兩相流原理設(shè)計的，工作時，載流氣體在氣體流化區(qū)域直接將粉末吹 出送至激光熔池。但是，同樣要求所送粉末干燥；沸騰式送粉器對于粉末的流化 和吹送都是通過氣體來完成的，需要單獨的供氣裝置。（5）其他類型送粉器華中科技大學(xué)鄒海平等人為了滿足功能梯度材料零件快速成形和制備的需 要，開發(fā)了高精度數(shù)字化功能梯度送粉系統(tǒng) 19。該系統(tǒng)采用同步送粉帶結(jié)構(gòu)、 優(yōu)化的落粉調(diào)節(jié)裝置和全程封閉負(fù)壓式載氣系統(tǒng)， 實現(xiàn)了實時精確配比的多粉末 梯度變比例送粉，送粉單元的原理

11、圖如圖 2.6所示。13】一儲粉桶：2振動裝3詵板：4落粉開節(jié)裝 賈池一殼體# 6落粉沂；7同步送粉帶；呂一張緊 輪用一出粉口； io送粉缺nj 11 送粉氣加連孔; 丨2主動輪；13送粉氣入LI圖2.6送粉單元原理圖該送粉單元采用同步送粉帶結(jié)構(gòu)，包括儲粉桶、振動裝置、落粉調(diào)節(jié)裝置、同步送粉帶及送粉氣體加速裝置、 送粉電機(jī)及其控制裝置等。在送粉過程中，粉末在振動裝置和重力的作用下由儲粉桶中落到同步送粉帶上，振動裝置用于增強(qiáng)超精細(xì)粉末的輸送能力。落粉調(diào)節(jié)裝置用于消除落粉管下端的導(dǎo)粉槽與同步送粉 帶的間隙，使落粉量只由導(dǎo)粉槽口半徑尺寸決定， 保證了落粉量的準(zhǔn)確性。同步 送粉帶將落入的粉末連續(xù)地送入

12、出粉通道， 最終粉末由經(jīng)過加速的送粉氣體從出 粉口送出，送粉氣體能夠增長粉末的輸送距離， 減少送粉管道布置的影響。整個 送粉器采用封閉式載氣系統(tǒng)，工作時送粉腔內(nèi)充滿平衡氣體，全部通道由氬氣 保護(hù)，以避免粉末氧化。該送粉系統(tǒng)在常速和低速送粉率下，具有送粉量精度高、 線性度好、送粉穩(wěn)定和均勻等特點，送粉誤差小于 1 .5 %，送粉重復(fù)誤差在1%以 下，最小送粉速率為0 .005 g/ s,能順暢輸送納米陶瓷粉末。北京工業(yè)大學(xué)武強(qiáng)等設(shè)計了一種送粉量可連續(xù)變化的四路聯(lián)動系統(tǒng)20，可實現(xiàn)多粉末送粉量實時變化控制，來滿足成分及性能連續(xù)變化功能梯度材料（以及功能零件）激光成形制造工藝的需要。該送粉系統(tǒng)的送粉

13、裝置采用負(fù)壓吸附正 壓輸送混合氣力輸送方式的工作原理，如圖 2.7所示。送粉氣體氣-固兩相流粉末輸出部件圖2.7粉末輸送原理圖該送粉過程主要包括粉末鋪展與輸送、 送粉氣體的輸入與輸出、送粉氣體輸 送金屬粉末3個部分。其中，送粉氣體通過進(jìn)氣部件進(jìn)入到粉末輸送裝置內(nèi)的密 封腔內(nèi)，經(jīng)過出粉部件與粉末輸出部件之間的縫隙后，通過粉末輸出部件流出。 由于送粉氣體的流動，在粉末輸出部件通道末端和出粉部件之間形成一個負(fù)壓 區(qū)，粉末輸出部件末端的通道相當(dāng)于負(fù)壓氣力輸送系統(tǒng)的吸嘴，而出粉部件孔道則相當(dāng)于負(fù)壓氣力輸送系統(tǒng)的料斗，出粉部件孔道內(nèi)的金屬粉末在送粉氣體負(fù)壓 吸附的作用下，被吸入到粉末輸出部件的通道內(nèi)，此過

14、程為負(fù)壓輸送過程；在粉 末輸出部件通道內(nèi)形成的粉氣兩相流則是在密封腔內(nèi)正壓送粉氣的作用下，沿著送粉管路輸送至送粉噴嘴，此過程為正壓輸送過程。在送粉過程中，送粉塊和出 粉塊同粉末承載盤之間發(fā)生摩擦運動，所以三者之間的配合間隙及相關(guān)尺寸直接 影響粉末輸送精度和穩(wěn)定性。2.3現(xiàn)有送粉裝置的不足及未來發(fā)展在實際應(yīng)用加工中，不同的送粉器表現(xiàn)出各自的優(yōu)缺點。 隨著激光技術(shù)的發(fā) 展，經(jīng)過多種嘗試，國內(nèi)外已經(jīng)研制出很多類型的送粉器。一般情況下，較大尺 寸的粉末（顆粒直徑100卩m）流動性較好，易于傳送，而顆粒直徑較小的粉末（顆 粒直徑（1卩m）容易聚團(tuán)和粘滯，流動性較差，通常傳送這樣尺寸的粉末是非常 困難的2

15、1，所以，在同步送粉器中，流動性差是超細(xì)粉末輸送的難點，由于細(xì) 粉末的聚團(tuán)和粘滯，而導(dǎo)致送粉不連續(xù)和送粉量不均勻，得到的熔覆層厚度不均 勻、表面質(zhì)量差、嚴(yán)重精密熔覆和微成型的質(zhì)量。比如對于納米相粉這類超細(xì)粉 末在輸送中容易發(fā)生團(tuán)聚，目前的送粉器還沒有得到很好的解決。 所以，對于超細(xì)粉末的輸送和實現(xiàn)微量輸送將是以后送粉器研究的重點。并且對于送粉器綜合化的研究，將更有利于實現(xiàn)激光熔覆加工成套設(shè)備的集成化和一體化。隨著激光熔覆、再制造技術(shù)的快速發(fā)展，送粉器作為核心元件之一，得到了 廣泛的研究和不斷發(fā)展。目前，國內(nèi)外對送粉器的研制目標(biāo)是將送粉器工作時的 連續(xù)性、均勻性、穩(wěn)定性和可控性提高到一個更科學(xué)，

16、更先進(jìn)的水平。對國內(nèi)外 文獻(xiàn)資料的整理和分析可以看出送粉器發(fā)展的特點：（1）多功能化。現(xiàn)有的送粉器基本都能夠?qū)我坏姆勰┻M(jìn)行連續(xù)送粉，以 后送粉器的發(fā)展向著混合送粉、多方式送粉和高精度方向發(fā)展，目前已先后研制 出多料倉混合的送粉器，熔覆材料組成及配比連續(xù)可調(diào)的送粉器以及高度集成帶 有信息反饋附件的送粉器等。（2）微量化?，F(xiàn)有的送粉器都是連續(xù)送粉，送粉量都比較大，僅適合大面 積熔覆應(yīng)用和三維快速制造。目前的激光熔覆技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于精密熔覆和微 成形，在這種加工過程中，需要對激光熔覆加工區(qū)域進(jìn)行微量輸送， 這對送粉器 的性能要求很高。當(dāng)進(jìn)行零件的激光熔覆精密修復(fù)時，大送粉量的送粉器根本無 法滿足

17、工作的要求。（3）超細(xì)化?，F(xiàn)在的送粉器能夠?qū)^大尺寸粉末，進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定的送粉， 因為其流動性好，易于傳輸。然而，對于尺寸在毫米級以下的微細(xì)熔覆粉末，現(xiàn) 有送粉器的輸送粉末顆粒比較大，特別是對于有些工件表面的缺陷特別微小 （如 小的磨損坑、裂痕、小孔洞和腐蝕坑等）無法滿足加工的要求。（4）小型化、模塊化。激光再制造過程中，許多重大設(shè)備不方便拆裝，或需要及時搶修，就需要進(jìn)行現(xiàn)場修復(fù)，即進(jìn)行現(xiàn)場激光再制造，所以要求激光現(xiàn) 場再制造系統(tǒng)要方便靈活，粉末輸送系統(tǒng)作為激光再制造系統(tǒng)的重要組成部分， 實現(xiàn)送粉器小型化、模塊化設(shè)計將是重要趨勢。（5）集成化?，F(xiàn)有的送粉器大多都是獨立的系統(tǒng)體系，其控制單元是專門

18、 的獨立單元，與上位機(jī)的通訊缺失，與激光再制造其它系統(tǒng)集成度差。 隨著技術(shù) 的發(fā)展，未來送粉器的控制系統(tǒng)自身優(yōu)化提升的同時， 必將會實現(xiàn)與激光再制造 其它系統(tǒng)的集成化與融合，從而實現(xiàn)整個激光再制造系統(tǒng)的集成化， 使激光再制 造過程更加自動化與智能化。3、送粉控制策略的研究3.1早期的控制策略對于較早前的以電機(jī)為驅(qū)動元件的送粉器， 采用的是直流電機(jī)簡單的通過旋 轉(zhuǎn)電位器調(diào)整給定電壓，實現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制 22，這種控制方法太簡單，控制 精度不高，送粉量的重復(fù)性不好。隨著步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展，送粉器驅(qū)動器件逐漸由 步進(jìn)電機(jī)取代。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移的運動部件23，它能直接接受數(shù)字信號（電

19、脈沖）并方便地轉(zhuǎn)換為與之嚴(yán)格對應(yīng)的角位移。在控制中 它的轉(zhuǎn)速只與脈沖串的給定頻率有關(guān)， 不受系統(tǒng)電壓、電流以及環(huán)境溫度變化的 影響，而且在一個運行周期中它可以自動消除位置積累誤差使之為零。因而即使用它進(jìn)行開環(huán)位置控制時，也具有較高的位置精度。以前的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)由 步進(jìn)控制器、功率放大器和步進(jìn)電機(jī)組成，這種步進(jìn)控制器線路復(fù)雜，而且成本 高，使用因此受到了限制。3.2現(xiàn)代控制技術(shù)隨著單片微機(jī)的發(fā)展，對步進(jìn)電機(jī)的控制變得簡單方便了。目前的單片機(jī)的 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，集成度高，可靠性高，處理功能強(qiáng)，有豐富的外圍接口芯片，可 方便地構(gòu)成功能強(qiáng)、成本低的步進(jìn)電機(jī)控制器，它不僅簡化了線路，降了成本， 而且提

20、高了可靠性。以單片微機(jī)作為送粉器的控制器，不僅控制精度高，送粉速率的重復(fù)性好， 而且能與激光熔覆加工的其它成套設(shè)備連為一體，便于實現(xiàn)激光加工控制自動 化。采用單片機(jī)系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，有串行控制和并行控制兩種方法24-25。 這兩種方法的一個重要區(qū)別是驅(qū)動電源中是否含有環(huán)形分配器，在串行控制中， 單片機(jī)只輸出脈沖信號、方向信號和方式信號，環(huán)形分配器功能在驅(qū)動電源中實 現(xiàn)，串行控制示意圖如圖3.1所示。單 P1- 脈沖串J片方向電舌機(jī)圖3.1串行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖在并行控制中，是由單片機(jī)的幾個I/O端口直接接在驅(qū)動器的相應(yīng)的各相上, 其環(huán)分功能一般是由計算機(jī)編程（即按照步進(jìn)電機(jī)的控制方式給出

21、相應(yīng)的控制模 型直接進(jìn)行相序的分配）或者是由軟硬件相結(jié)合的方法來實現(xiàn)。并行控制示意圖 如圖3.2所示圖3.2并行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖3.4粉末流的監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)階段，對激光熔覆再制造過程中的粉末輸送技術(shù)的研究大多關(guān)注送粉器、 電機(jī)驅(qū)動等設(shè)計和研究30-33，上述文獻(xiàn)中所采用的送粉裝置對粉末輸送量的調(diào)節(jié) 主要采用對計量容積（凹槽容積、螺紋溝槽容積）和電機(jī)速度的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)， 依 靠輸料裝置的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)來實現(xiàn)粉末輸送的穩(wěn)定性。但實際的粉末輸送過程中，一方面，由于氣壓波動、粉末團(tuán)聚等原因，粉末的輸送量未必與電機(jī)轉(zhuǎn)速具有確定 的對應(yīng)關(guān)系。另一方面，即使送粉器輸出口的粉末輸出量穩(wěn)定，經(jīng)過管道中的輸送，粉料到達(dá)

22、輸送管道出口處的輸送量未必能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定。這是因為粉末在管 道中的流動狀態(tài)實際上很復(fù)雜，與氣流速度、氣流中所含的粉末量、粉末本身料 性等相關(guān)34-370粉末在管道中的輸送狀態(tài)可能是依靠高速流的氣流動壓被輸送的 懸浮流，也可能是依靠氣流的靜壓推送的栓流， 或者是介于兩種氣流狀態(tài)之間的 輸送方式。粉末在管道中的傳送可能是時而停滯時而吹走交替進(jìn)行的狀態(tài)，因此，送粉器輸出粉末的準(zhǔn)確性不能保證通過管道輸送后管道出口處粉末輸出的穩(wěn)定。 因此，通過檢測裝置檢測粉末在送粉管里的流量， 進(jìn)而實現(xiàn)粉末的閉環(huán)控制對提 高表面熔覆質(zhì)量具有重要意義。長春理工大學(xué)薛菲在基于載氣式送粉器的基礎(chǔ)上 ，針對熔覆所需粉末流量的

23、要求,設(shè)計了一種通過流量計檢測來反饋粉末流量的閉環(huán)控制系統(tǒng)38，即粉末經(jīng)出粉口出來后，會流經(jīng)一個流量計。該控制系統(tǒng)總體有以下幾個環(huán)節(jié)組成，如圖3.5所示。圖3.5送粉器控制系統(tǒng)的元器件組成框圖其中,控制部分和被控部分（送粉器）組成了整個閉環(huán)系統(tǒng)，控制部分主要是 處理指令信號和反饋信號，并對被控部分發(fā)出控制信號，而被控部分則是接收控 制信號,發(fā)出反饋信號，從而實現(xiàn)精確控制送粉器按指定要求的流量輸送粉末。釆用流量檢測反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以利用輸入信息與反饋至輸入處的信息兩者 之間的偏差對送粉器的粉末輸出進(jìn)行控制，使送粉器按所需流量的大小來完成送 粉工作。流量計檢測的反饋能夠縮小輸入信息與反饋信息

24、之間的偏差，從而得到希望的送粉量，實現(xiàn)送粉器定量送粉。整個送粉器控制系統(tǒng)的目的就是想要控制 粉末流量，因此監(jiān)測流量的多少是否合理是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。當(dāng)流量監(jiān)測裝 置將測到粉末流量反饋回單片機(jī)時，流量值會和設(shè)定好的值比較。為了讓激光束與經(jīng)過同軸送粉頭的粉末進(jìn)行較好的耦合輸出，同軸送粉工作頭不但具有高匯聚性能，還應(yīng)使輸出的粉末流具有良好的粉末形貌，所以對進(jìn)入熔池前的粉末形貌及相應(yīng)的性能參數(shù)具有一定的觀察及測量手段，為此，天津工業(yè)大學(xué)王非等開發(fā)了一款粉末流場實時在線檢測系統(tǒng)39。該檢測系統(tǒng)檢測金屬粉末流場主要依據(jù)DPIV數(shù)字圖像檢測原理40:如圖3.6所示。co鼻涸 fcedng nozde圖3.

25、6 DPIV檢測系統(tǒng)原理圖其原理是，由能在空間形成二維光平面的高亮度半導(dǎo)體線光源激光器發(fā)出的 激光照亮由同軸送粉嘴輸出的金屬粉末流， 在粉末流被照亮的同時，由高速跨幀 CMOS相機(jī)拍得位于光源平面內(nèi)被照亮的金屬粉末流層的照片，拍得的照片經(jīng)過 數(shù)字圖像處理卡經(jīng)由USB數(shù)據(jù)傳輸線輸入到計算機(jī)，再由自己編制的專用粉末流 場檢測軟件進(jìn)行實時處理和計算并顯示相應(yīng)結(jié)果。該系統(tǒng)由硬件裝置及軟件系統(tǒng)兩部分組成，DPIV檢測系統(tǒng)所包含的硬件裝置為：能在空間形成二維光平面的高亮度半導(dǎo)體線光源激光發(fā)射器、高速跨幀 CMOS相機(jī)、計算機(jī)系統(tǒng)以及實現(xiàn)產(chǎn)品化時所需要的相應(yīng)的安裝結(jié)構(gòu)等。軟件為 在LabVIEW平臺下開發(fā)出

26、能準(zhǔn)確檢測出同軸送粉粉末流場實時形貌特征參數(shù)及 送粉速率的粉末流場實時檢測系統(tǒng)專用軟件。該檢測系統(tǒng)具備能實時顯示同軸送 粉粉末流場具體形貌及精確檢測相應(yīng)的粉末流重要參數(shù)如焦點直徑、焦距及送粉量等；完成了熔覆粉末材料輸送及測控系統(tǒng)的整體集成，可實現(xiàn)對激光熔覆粉末的遠(yuǎn)程同軸輸送及實時檢測控制的較好結(jié)合， 從而進(jìn)一步提高了同軸送粉激光熔 覆的加工效率及加工質(zhì)量。針對激光熔覆制造過程中粉末輸送不均勻的現(xiàn)象，浙江工業(yè)大學(xué)激光加工技術(shù)中心胡曉冬、姚建華、陳智君、張 毅等人提出了一種基于光電傳感器的粉末 流量檢測與控制方法41。該技術(shù)的關(guān)鍵在于在分析粉末流對光線的吸收特性的 基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新型的光電式粉末流量傳感器，該傳感器采用紅色發(fā)光二極管作為光源，二極管所發(fā)出的光線經(jīng)粉末流散射后照射到光電變送器上， 通過信 號調(diào)理可以將傳感器輸出電壓信號與粉末流量相對應(yīng)。其原理如圖3