新型L式雙向智能刮刀的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

郭云夢(mèng)，秦正旺，高椿明，張 萍

(電子科技大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610054)

0 引言

激光選區(qū)熔化技術(shù)(SLM)是基于分層疊加原理[1]，利用高能激光束對(duì)鋪平后的金屬粉末進(jìn)行選擇性熔化，逐層堆積材料，所得金屬零件具有較低的孔隙率和良好的力學(xué)性能[2-3]。SLM成型技術(shù)加工過(guò)程不需要工裝模具、卡具、刀具，特別是在一些帶有曲面、復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的零件制造方面，相對(duì)于傳統(tǒng)加工方法有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[4]。

目前SLM設(shè)備的研究主要集中在國(guó)外，如英國(guó)的RENISHAW、美國(guó)的3Dsystem、德國(guó)MCP、EOS、ConceptLaser 等公司都具有出色的SLM設(shè)備研發(fā)與制造能力[5]。其中，德國(guó)EOS公司推出的M400設(shè)備采用1 000 W功率激光器，鋪粉裝置為雙刮刀系統(tǒng)，添加了循環(huán)過(guò)濾模塊，可以自動(dòng)清洗，以降低成本和提高生產(chǎn)效率[6]。德國(guó)Concept Laser公司推出的X2000設(shè)備打印規(guī)格為800 mm×400 mm×500 mm，打印效率達(dá)100 cm3/h；其鋪粉裝置采用壓緊式鋪粉刷，激光模塊采用雙激光系統(tǒng)，功率可達(dá)1 000 W[7]。來(lái)自美國(guó)3D system公司的SLM設(shè)備Phenix PXM和來(lái)自英國(guó)RENISHAW公司的AM250采用的鋪粉裝置都是壓緊式鋪粉輥, Phenix PXM的半自動(dòng)鋪粉模塊可以完成材料的自動(dòng)收粉[8]，而AM250的送粉裝置設(shè)置在外部，以保證打印所需足夠的原料[9]。在傳統(tǒng)的鋪粉方式中，鋪粉質(zhì)量主要通過(guò)人工目視檢測(cè),該方法耗時(shí)耗力,不僅依賴主觀經(jīng)驗(yàn),誤檢率較高,且需要手動(dòng)處理鋪粉過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題,效率較低。因此，為了提高激光選區(qū)熔化鋪粉質(zhì)量,本文研發(fā)了智能刮刀鋪粉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 智能刮刀設(shè)計(jì)

1.1 刮刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的刮刀采用L式結(jié)構(gòu)，以PZT-5H陶瓷壓電片(以下簡(jiǎn)稱PZT-5H)作為傳感器，通過(guò)被動(dòng)檢測(cè)方式檢測(cè)鋪粉質(zhì)量。

圖1為智能刮刀結(jié)構(gòu)圖。刮刀設(shè)有12個(gè)凹槽，每個(gè)凹槽內(nèi)置1片PZT-5H，其基底尺寸為10 mm×10 mm×0.3 mm、陶瓷+鍍銀層尺寸為9 mm×9 mm×0.5mm；每?jī)蓚€(gè)凹槽間有一條狹縫,以保證每個(gè)PZT-5H獨(dú)立工作；每個(gè)狹縫頂部設(shè)有一個(gè)高出刮刀平面的固定孔以固定內(nèi)置電路；刮刀中上部分內(nèi)置信號(hào)采集與處理電路；刮刀正面設(shè)有出線口，側(cè)面設(shè)有橫貫刮刀的工形槽，用于穩(wěn)固放置橡膠條；側(cè)面設(shè)置寬為1 mm 的L形槽橫貫刮刀，增大了鋪粉過(guò)程中刮刀形變量。

圖1 智能刮刀結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為智能刮刀爆炸圖和封裝圖。刮刀固定于刮刀外殼內(nèi)，刮刀外殼與刮刀架通過(guò)螺絲相連，刮刀架固定于鋪粉系統(tǒng)中，刮刀架、刮刀外殼與刮刀間各有1 mm的距離，從J30J-9接口輸出電路信號(hào)，刮刀外殼中設(shè)有水冷管道給設(shè)備降溫。

圖2 智能刮刀爆炸及封裝圖

控制系統(tǒng)主要分為電源供電模塊、信號(hào)采集模塊和信號(hào)處理模塊。供電模塊利用USB的5 V電壓，經(jīng)降壓電路將電壓降至3.3 V，信號(hào)采集模塊采用3個(gè)CS53L32A芯片，信號(hào)處理模塊采用STM32F103C8T6作為核心控制器。圖3為刮刀控制系統(tǒng)流程圖。12片PZT-5H將形變量轉(zhuǎn)換為壓電信號(hào)，通過(guò)壓簧按鍵傳輸給內(nèi)置電路板，信號(hào)采集模塊采集壓電信號(hào)并進(jìn)行模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換，再由單片機(jī)將數(shù)字信號(hào)傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)向刮粉式激光增材制造(SLM)系統(tǒng)發(fā)出指令。

圖3 控制系統(tǒng)流程圖

1.2 刮刀應(yīng)變檢測(cè)仿真

圖4為刮刀的簡(jiǎn)化三維模型。對(duì)其進(jìn)行材料參數(shù)設(shè)定和網(wǎng)格劃分，并采用COMSOL進(jìn)行有限元仿真和分析。

圖4 刮刀簡(jiǎn)化和網(wǎng)絡(luò)分割三維模型

為了測(cè)試刮刀下部施加位移對(duì)PZT-5H的影響，以及理想條件下智能刮刀系統(tǒng)的靈敏度，對(duì)模型中部PZT-5H進(jìn)行了仿真模擬分析。采集該P(yáng)ZT-5H中部和左、右兩邊緣共3個(gè)點(diǎn)位的電勢(shì)隨位移變化的信息。

設(shè)置仿真模型的物理場(chǎng)，在模型下端垂直于PZT-5H的方向施加隨時(shí)間變化的位移，位移函數(shù)為u=vt(其中u為位移，v為速度，t為時(shí)間)，初始位移為0。隨著位移的增大可以得到PZT的最小響應(yīng)位移，將仿真信號(hào)與系統(tǒng)噪聲進(jìn)行對(duì)比，可以得到智能刮刀的理論靈敏度。其中系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)噪聲信號(hào)電勢(shì)為50 mV。

仿真結(jié)果如圖5所示。由圖可知，隨著位移的增大，PZT-5H中部的電勢(shì)-位移曲線變化比左、右兩邊緣點(diǎn)位變化更明顯，說(shuō)明對(duì)刮刀下端施加位移時(shí)，PZT-5H中間部分的靈敏度高于兩邊點(diǎn)位。刮刀表面的PZT-5H電勢(shì)信號(hào)在位移3 μm附近明顯開(kāi)始上升，說(shuō)明PZT-5H的最小響應(yīng)位移為3 μm；當(dāng)電勢(shì)信號(hào)在約3.3 μm時(shí)超過(guò)系統(tǒng)噪聲，在3.5 μm時(shí)為系統(tǒng)噪聲的2倍，壓電信號(hào)明顯。因此，智能刮刀信號(hào)監(jiān)測(cè)的理論靈敏度可達(dá)3.5 μm。

圖5 位移-電勢(shì)變化曲線

為了模擬刮刀結(jié)構(gòu)中PZT-5H的橫向分辨率，在圖4所示的仿真模型正中間橫向設(shè)置一條穿越3個(gè)PZT-5H的直線。對(duì)模型下方中間位置施加3.5 μm的位移，得到所設(shè)直線上的橫向分辨率仿真曲線如圖6所示。

圖6 PZT-5H橫向分辨率仿真曲線圖

圖6(a)為所設(shè)直線上各點(diǎn)的位移量，橫坐標(biāo)表示直線上各點(diǎn)到直線左端點(diǎn)的距離，由此可見(jiàn)刮刀的形變量在距離直線左端35 mm(模型正中心)的位置達(dá)到最大，峰值較明顯，能有效辨別刮刀受力部位。圖6(b)為直線上各點(diǎn)的壓電電勢(shì)，橫坐標(biāo)表示直線上各點(diǎn)到直線左端點(diǎn)的距離，由此可見(jiàn)PZT-5H的電勢(shì)也在距離直線左端點(diǎn)35 mm處達(dá)到了峰值，且峰值明顯，能有效辨別受力位置，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的智能刮刀具有較高的橫向分辨率。

2 實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析

2.1 刮刀進(jìn)給阻力分析

圖7為刮刀進(jìn)給阻力測(cè)試方案圖。將智能刮刀固定在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，將激光測(cè)距儀固定在刮刀左側(cè)，使檢測(cè)激光和橡膠條底端位于同一水平線上；將電動(dòng)位移臺(tái)固定在刮刀右側(cè)，在電動(dòng)位移臺(tái)上固定一根直徑為?0.5 mm的金屬小棒，使金屬小棒和刮刀橡膠條底端水平。金屬小棒以不同的速度向刮刀底端移動(dòng)，繪制刮刀壓電信號(hào)隨小棒位移量變化的折線圖，進(jìn)而研究刮刀的監(jiān)測(cè)性能。

圖7 刮刀進(jìn)給阻力測(cè)試方案圖

采用激光測(cè)距儀檢測(cè)橡膠條形變量，橡膠條內(nèi)部的微小擠壓忽略不計(jì)。當(dāng)激光測(cè)距儀檢測(cè)到橡膠條有0.1 μm的形變時(shí)，實(shí)驗(yàn)認(rèn)為金屬小棒到達(dá)觸碰臨界點(diǎn)。

刮刀進(jìn)給阻力測(cè)試步驟為：

1) 按圖7所示安裝并固定實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

2) 連接智能刮刀硬件與軟件系統(tǒng)，連接激光測(cè)距儀和電動(dòng)位移臺(tái)。

3) 利用電動(dòng)位移臺(tái)控制小棒的速度和觸碰臨界點(diǎn)后的位移量，利用激光測(cè)距儀測(cè)量橡膠條被觸碰點(diǎn)的形變量，同時(shí)采集智能刮刀的壓電信號(hào)。

4) 分析測(cè)試結(jié)果。

設(shè)置金屬小棒運(yùn)行的速度分別為50 mm/s、100 mm/s和200 mm/s，位移量分別為10 μm、30 μm、50 μm、70 μm、90 μm和100 μm，依次以不同速度或不同位移(共18組)條件進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，并對(duì)每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求取電勢(shì)均值。繪制同一速度下不同位移的曲線圖(見(jiàn)圖8)，測(cè)試分析智能刮刀的工作性能。

圖8 刮刀進(jìn)給過(guò)程電勢(shì)-位移折線圖

由圖8可知，隨著位移量的增加，3條曲線都在不斷升高，即橡膠條的形變量越大，刮刀接收到的壓電信號(hào)越明顯。運(yùn)行速度200 mm/s對(duì)應(yīng)的電勢(shì)高于100 mm/s電勢(shì)，而100 mm/s對(duì)應(yīng)的電勢(shì)高于50 mm/s電勢(shì)，這說(shuō)明智能刮刀的靈敏度隨刮刀速度的加快而提升。在SLM設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中，常用的刮刀鋪粉速度為100～3 500 mm/s；誤差棒(表示測(cè)量數(shù)據(jù)的不確定度大小)隨著位移量和速度的減小而減小，在最小位移10 μm時(shí)，誤差棒被數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值淹沒(méi)，因此，在實(shí)驗(yàn)室條件下，智能刮刀系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度為10 μm。

2.2 刮刀回程受力分析

由于智能刮刀結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，刮刀橡膠條的受力方向也會(huì)影響PZT壓電信號(hào)，所以需要設(shè)計(jì)刮刀回程方向受力的對(duì)比試驗(yàn)，如圖9所示。

圖9 刮刀回程受力測(cè)試方案圖

刮刀回程受力的測(cè)試條件與進(jìn)給阻力測(cè)試實(shí)驗(yàn)相似，但需要翻轉(zhuǎn)智能刮刀的左右兩面，使金屬小棒從另一側(cè)靠近刮刀，從而測(cè)試智能刮刀的壓電信號(hào)與刮刀運(yùn)行方向的關(guān)系。

刮刀回程受力的測(cè)試結(jié)果如圖10所示。由圖可知，200 mm/s速度對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅度值高于其他速度，最低速度50 mm/s對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅度值最低，表明在改變了金屬小棒的碰觸方向后，智能刮刀的壓電信號(hào)仍隨著位移的增加而提升，智能刮刀的靈敏度依舊隨著刮刀速度的加快而提升，其監(jiān)測(cè)靈敏度可達(dá)10 μm。但在相同條件下，刮刀回程測(cè)試的壓電信號(hào)幅度相對(duì)于刮刀進(jìn)給測(cè)試總體偏小，表明智能刮刀在進(jìn)給過(guò)程中靈敏度更高。

圖10 刮刀回程電勢(shì)-位移折線圖

2.3 鋪粉模擬實(shí)驗(yàn)

鋪粉模擬測(cè)試方案如圖11所示。在三維手動(dòng)位移平臺(tái)上固定模擬障礙物，調(diào)節(jié)位移臺(tái)使模擬障礙物頂端超出刮刀橡膠條底部指定距離，控制刮刀移動(dòng)經(jīng)過(guò)障礙物，采集刮刀對(duì)障礙物的響應(yīng)，研究刮刀系統(tǒng)整體靈敏度及其鋪粉效果。

圖11 鋪粉模擬測(cè)試方案圖

根據(jù)圖11搭建鋪粉模擬系統(tǒng)，主要包括滑動(dòng)導(dǎo)軌、刮刀架、鋪粉平臺(tái)和收粉倉(cāng)。在鋪粉平臺(tái)底板上放置模擬障礙物，刮刀固定在刮刀架上的手動(dòng)位移臺(tái)表面，調(diào)節(jié)刮刀與鋪粉平臺(tái)的距離，滑動(dòng)導(dǎo)軌可以移動(dòng)刮刀架，收粉倉(cāng)不固定可以從上方取出，且底部低于鋪粉平臺(tái)，收集鋪粉時(shí)的剩余粉末，采用300目的高純鐵粉，用帶有3個(gè)金屬小棒的L形金屬架模擬障礙物，小棒頂部直徑分別是?0.5 mm、?1 mm和?1.5 mm，模擬尺寸不一的障礙物。

在開(kāi)始測(cè)試前先對(duì)刮刀系統(tǒng)進(jìn)行一致性調(diào)試。首先挑選電阻一致的PZT-5H安裝在智能刮刀上，然后用函數(shù)發(fā)生器調(diào)節(jié)刮刀信號(hào)采集模塊的放大倍數(shù)為500倍，保證所有信號(hào)放大倍數(shù)相同。

模擬鋪粉測(cè)試步驟如下：

1) 連接刮刀系統(tǒng)，將適量鐵粉送到橡膠條前，使其沿橡膠條方向均勻分布。

2) 在鋪粉平臺(tái)上安裝模擬障礙物，并使其3個(gè)金屬小棒的頂端超過(guò)橡膠條底端100 μm。

3) 運(yùn)行刮刀，并采集刮刀的壓電信號(hào)。

4) 升高模擬障礙物100 μm，重復(fù)第3)步。

設(shè)置刮刀鋪粉速度為100 mm/s,模擬障礙物突起高度分別為100 μm、200 μm、300 μm、400 μm 和500 μm,進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，得到圖12所示的測(cè)試結(jié)果。由圖可知，隨著突起高度增加，刮刀接收到的壓電信號(hào)也隨之增大，當(dāng)突起高度為100 μm時(shí)，刮刀的響應(yīng)電勢(shì)為1 000 mV。因此，在實(shí)驗(yàn)室條件下可以認(rèn)為刮刀信號(hào)靈敏度在100 μm以下。

圖12 整體信號(hào)靈敏度測(cè)試分析圖

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，智能刮刀對(duì)模擬障礙物的響應(yīng)受鋪粉工作產(chǎn)生的震動(dòng)和環(huán)境噪聲影響較大，但仍可將響應(yīng)從這些背景噪聲中區(qū)分出來(lái)。正式的SLM設(shè)備中鋪粉系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行，環(huán)境噪聲和震動(dòng)小，系統(tǒng)的信噪比高。

2.4 刮刀性能總結(jié)

通過(guò)以上對(duì)刮刀性能的仿真和測(cè)試，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的智能刮刀的可行性和可靠性，其性能指標(biāo)如表1所示。

表1 刮刀性能指標(biāo)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)激光選區(qū)熔化技術(shù)的需求，設(shè)計(jì)了一種基于PZT-5H陣列的被動(dòng)型L式雙向鋪粉刮刀。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該智能刮刀能實(shí)現(xiàn)均勻鋪粉，同時(shí)檢測(cè)鋪粉質(zhì)量，進(jìn)而提高3D打印工件的質(zhì)量，同時(shí)延長(zhǎng)刮刀壽命。