激光再制造现场粉末输送系统的研究状况课题综述.

激光再制造现场粉末输送系统的研究状况

王云生1

（1浙江工业大学激光加工技术工程研究中心，浙江 杭州 310014）

摘要 激光再制造技术作为现代先进制造技术的代表，因其显著的优势在实际加工制造，特别是现场修复再制造过程中得到了广泛应用。粉末输送系统作为激光再制造技术中的关键技术，国内外学者对其研究日益深入。本文结合激光再制造技术及粉末输送系统的发展，就送粉装置尤其送粉器以及送粉控制技术的研究状况作了概述，并对其存在的问题和未来发展方向做了初步探讨。 关键词 激光 再制造 粉末输送

A Review of Laser Remanufacturing Powder Conveying System

Wang Yunsheng1

(1Research Center of Laser Processing Technology and Engineering, Zhejiang University of

Technology, Hangzhou, Zhejiang, 310014, China）

Abstract Laser remanufacturing technology as a representative of the modern advanced manufacturing technology, because of its significant advantages in the actual processing and manufacturing, especially the restoration has been widely applied in the process of remanufacturing.Powder conveying system as the key technology of laser remanufacturing technology, the research for further.Combining with the development of laser remanufacturing technology and powder conveying system, feeding device, in particular, is to send powder feeding control technology and the research status, and the existing problems and make a preliminary discussion on the future development direction.

Keywords Laser remanufacturing ; powder conveying system; development;

1、引言

再制造技术是目前非常前沿的学科，中国再制造专家徐滨士院士等认为[1]，再制造是指以产品全寿命周期理论为指导，以废旧产品性能实现跨越式提升为目标，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，以先进技术和产业化生产为手段，对废旧产品进行修复和改造的一系列技术措施或工程活动的总称。简言之，再制造就是废旧产品高技术维修的产业化。再制造的重要特征是:再制造产品的质量和性能达到甚至超过新品，成本只为新品的50%，节能60%，节材70%，对环境的不良影响显著降低[2]。在当前，国家号召建设资源节约型，环境友好型社会的背景下，再制造的意义更加明显。

1.1激光再制造技术

激光再制造技术是一种新颖的先进再制造技术，它融合了先进的激光熔覆加工工艺技术、激光熔覆材料技术和自动化控制技术等技术于一体，不仅可以恢复损伤的零部件外形尺寸，还可以使其使用性能达到甚至超过新品的水平，是现代工程装备修复新的发展方向。激光再制造技术利用高能量激光束作为能源，与传统的机械加工成形等减法修复技术及堆焊等加法修复技术相比，在装备零件再制造成形与加工方面具有显著优势，其特点和技术优势主要体现在如下几方面[3-6]：

（1）实现无接触加工，对工件无直接冲击，因此基体无机械变形；

（2）激光再制造成形和加工过程中，无“刀具”磨损；

（3）激光束能量密度高，适用的材料体系广泛，可以对多种金属、非金属进行修复和加工，特别是可以加工高硬度和高熔点的材料；

（4）激光束聚焦性好，可以实现零部件局部或选区再制造成形以及性能提升，并且热影响区域小，工件热变形小；

（5）易于实现多种激光技术手段的复合应用，根据零件形状和性能特点实现激光复合再制造；

（6）可以实现缺损零件选定区域的“近净成形”再制造，后续加工余量小；

（7）激光束易于导向、聚焦、实现方向变换，易与数控系统和工业机器人配合，对复杂工件进行再制造和加工，因此，其工艺柔性好，是极为灵活的加工和修复方法；

（8）是绿色环保型的先进技术，再制造产品质量稳定、性能可靠，经济效

益和社会效益好。

鉴于激光再制造技术显著的技术优势和特点，近年来，激光再制造技术方面的研究不断深入，应用领域不断扩大。在国外，英国P.R 航空发动机公司已将它用于涡轮发动机叶片的修复[7]，美国海军实验室用于修复舰船螺旋桨叶[8]，美国和日本在汽缸、活塞等汽车发动机零件上也有很多应用[9]。在我国，以沈阳大陆激光技术有限公司作为龙头企业的一批激光再制造专业化公司不断涌现，有许多激光再制造技术成功应用的实例，如：石化行业的烟气轮机、风机和电机；电力行业的汽轮机和电机；冶金行业的热卷板连轧线、棒材连轧线、高速线材连轧线；铁路行业的货车车轮、道岔、铁路机车曲轴；航空发动机热端部件和大型船舶内燃发动机热端部件等等。

1.2激光再制造系统

先进的激光再制造技术需要先进的设备系统作为支撑。激光再制造系统主要设备一般包含激光器、送粉系统、运动执行机构（例如数控系统、工装卡具工作台等），还可配备成形过程监测和控制系统等[10]，如图1.1所示。它的基本原理就是通过激光发出平行激光束，然后通过反射或者折射进行聚焦，根据实际情况，选择合理的工艺参数，将激光作用在材料上，完成材料在基体表面的熔覆，实现再制造过程。

1.1 激光再制造系统示意图

送粉系统作为激光再制造设备系统的重要组成部分，送料装置、送料方法及其控制技术成为激光再制造过程中关键及核心的技术，也是目前激光再制造研究的重点方向之一。激光再制造过程中，对送料装置性能要求是能够提供高度连续、均匀、稳定、可控的送料速度，将材料准确地送达熔池，形成高质量熔覆轨迹，

并很好地适应扫描方向的变化。送料装置的性能直接影响零件的成形质量，是系统中极为重要的一部分。 目前用于熔覆的金属形状既有粉末，又有丝状或带状，相应的送料方式称为送粉法和送丝法[11]。送粉法的主要优点在于材料来源广、易于合金化、易于加工、成形精度高，但也存在着粉末利用率低、生产效率低及粉尘对工作环境有污染的问题。如何保证几何成形精度情况下实现粉末材料利用率高且提高生产效率，成为本领域研究热点与难点之一。

2 激光再制造粉末输送装置的研究

在激光熔覆、再制造过程中，根据材料的供应方式不同分为两大类[12]：预置法和同步送粉法。同步送粉法具有工艺过程简单，合金材料利用率高，可控性好，容易实现自动化，使其成为激光熔覆技术的首选方法，国内外实际生产中采用较多。激光再制造同步送粉装置主要由送粉器和喷嘴组成。送粉器的主要作用是将粉斗中的粉末变成均匀连续的粉流；喷嘴是将送粉器输送的粉流转变为不同的形状并送入熔池。在激光同步送粉熔覆工艺中，加工质量主要依赖的参数有

[13]：加工速度、粉末单位时间输送率、激光功率密度分布、光斑直径、粉末的输送速度、稳定性以及粉末束质量等；其中粉末单位时间输送率和粉末的输送速度，稳定性是由送粉器的输送特性决定的，粉末束的输出质量由送粉喷嘴决定。所以对送粉装置的研究对提高激光熔覆、再制造加工质量具有重要意义。

2.1送粉喷嘴的研究

送粉喷嘴是将送粉器输送的粉流转变为不同的形状并送入熔池。喷嘴的具体结构与其放置位置有关。当它偏置于激光束一侧时，称为侧向送粉；当它与激光束同轴时，称为同轴送粉。侧向送粉方式中，粉末的流入方向可分两种：一种是正向送入法，即工件的运动方向与粉末流的运动方向夹角小于90°；另一种为逆向送粉法，即工件的运动方向与粉末流的运动方向夹角大于90°。喷嘴的出口形状有圆形，用于同轴送粉；也有矩形，适用于侧向宽带熔覆，侧向送粉喷嘴结构简单，粉末出口因距激光束的出口较远也不会出现被阻塞现象，得到了广泛的应用。喷嘴的出口尺寸确定应尽可能保证流出的粉末束流的宽度不大于光斑尺寸，以提高粉末利用率。

针对激光宽带熔覆送粉喷嘴的研究，北京工业大学、苏州大学等相关科研单位取得了较好的进展[42-43]，但是在数值模拟方面少有涉及。对于送粉喷嘴的数值

模拟，主要集中于同轴送粉，密苏里大学的Heng Pan, Frank Liou建立了同轴送粉头二维模型[44]，研究了激光辅助沉积加工的同轴送粉二维数值模拟。天津工业大学的杨洗陈教授[45]等研究了激光制造中同轴送粉粉末流场二维分布。中国石油大学的李继涛[46]采用流体动力学CFD 方法对送粉流场进行了数值模拟，研究了气固两相流场、粉末运动轨迹、粉末聚焦浓度及聚焦半径的规律，并对喷嘴结构进行了优化。

2.2送粉器的种类及发展

送粉器是激光熔覆技术中的核心元件之一，它按照加工工艺，向激光熔池输送设定好的粉末。送粉器性能的好坏，直接影响熔覆层的质量和加工零件尺寸等。所以开发高性能的送粉器，对激光熔覆加工、激光再制造显得尤为重要。

随着激光熔覆、再制造技术的快速发展，以及对熔覆层的加工精度和质量要求的提高，国内外相继研发了基于不同原理的送粉器[14]。根据工作原理的不同，可以分为：基于气体动力学的送粉原理, 如刮吸式送粉器：基于机械力学的送粉原理, 如螺旋式送粉器：基于超声振动的送粉原理, 如毛细管式送粉器：基于电磁振动力学的送粉原理, 如磁珠激励振动式送粉器：基于转动碎团的送粉原理, 如研磨转针式送粉器；基于转动研磨的送粉原理, 如转动刷式送粉器；基于流化床原理，如沸腾式送粉器等。

（1）螺旋式送粉器

如图2.1所示L.Li 和 W.M.Steen 设计的螺旋式送粉器[15]，是把螺杆置于料斗的底部，通过螺纹把粉末送到混合器，再用气体将粉末输送出去。螺旋式送粉器, 工作原理主要是基于机械力学, 它主要有粉末存储仓、料斗、螺旋杆、振动器和混合器等组成。工作时, 由电机驱动螺旋杆旋转, 由粉桶内壁螺旋槽带着粉末运动, 从而送到混合器内, 混合器中通有压缩气体, 所以粉末以流体的形式输送出去。为了使粉末充满螺旋杆的间隙, 在粉末存储仓底部安装振动器, 以便更充分的利用粉末, 螺旋杆、粉末存储仓、料斗、混合器同时也都处于有载流气体的密封仓内, 送粉量的大小与螺旋杆的旋转速度成正比, 调节电机的转动速度就可以精确的控制送粉量的大小。

图2.1螺旋式送粉器原理图

螺旋式送粉器稳定性高, 输送的粉末均勾性和连续性好, 而且对粉末的干湿程度没有特别要求, 可以输送略微潮湿的粉末。但是这种送粉器不适合输送大颗粒的粉末和比重不同、材料不同的混合粉末, 只比较适合微小颗粒粉末的输送。

（2）转盘式刮板送粉器

如图 2.2 所示B.Grunenwald 和St.Nowotny 设计的刮板式送粉器[16]。

图2.2 转盘式刮板送粉器原理示意图

刮板式送粉器主要由存储粉末的粉斗、转盘、刮板、接粉斗等组成。工作时粉末从粉斗经过漏粉孔（导粉头）靠自身的重力和载流气体的压力流至转盘，在转盘上方固定一个与转盘表面紧密接触的刮板，当转盘转动时，不断将粉末刮下至接粉斗，在载流气体作用下，通过送粉管送至激光加工区域。送粉量大小是通

过转盘的转速来决定的，通过对转盘转速的调节便可以控制送粉量的大小，同时调节粉斗和转盘的高度和漏粉孔的大小，可以使送粉量的调节达到更宽的范围。 原有的转盘式刮板送粉器由于承粉装盘因为存在加工误差，转盘在水平方向存在一定的偏心，即造成在转盘转动的时候与导粉头的距离不恒定，出现周期性的偏差，造成粉末堆积量不恒定，最终导致了粉末最终的输出量不均匀稳定。较大粉量波动性直接导致每层层高的较大波动, 最终导致成形质量差甚至失败。为此，武汉理工大学姚纯等人针对这一问题对粉斗与转盘相接触的导粉头进行了改进[17]，如图2.3所示：将原来单一结构的导粉头改为由主次导粉管的复合式导粉头，主导粉管与次导粉管可以相对移动，其中次导粉管下端安装两个滚珠与承粉转盘接触，次导粉管上端由弹簧与外套管连接以保证滚珠与转盘面时刻接触，这样采用接触约束的方式来保持滚珠半径大小的距离，从而保证了粉末堆积量的恒定，使得粉末输送变得均匀、稳定。

图2.3 改进的导粉头结构

（3）自重式鼓轮送粉器

如图2.4所示的是一种自重式鼓轮送粉器原理示意图。它依靠粉末自重输送粉末。鼓轮式送粉器工作时，粉末由料斗经漏粉孔靠自重自动流进鼓轮圆周上的小槽内，随着鼓轮的转动，小槽内的粉末依次从出粉口流出。通过调节鼓轮的转速、漏粉孔直径和漏粉孔与鼓轮间的间隙，就能精确控制送粉量。这种送粉器主要优点是：可适用于混合粉末的送粉，不会造成分层，不过，它同样要求粉末具

有较好的球形和流动性。且由于没有载流气体, 对于长距离送粉、侧向送粉和同轴送粉较为困难。

图2.4 鼓轮式送粉器示意图

（4）沸腾式送粉器

沸腾式送粉器一种基于流化床气固两相流原理的沸腾式送粉器[18]，它具有结构简单，送粉率小且可调，送粉量均匀、稳定，可输送不同粉末的特点，对激光再制造加工有着积极意义。沸腾式送粉器工作原理与结构图如图2.5所示。

图2.5 沸腾式送粉器原理结构图

沸腾式送粉器的工作原理是：沸腾进气l 与沸腾进气2将粉末流化或者使粉末达到临界流化状态，而粉末输送管中间有一孔洞与送粉器内腔相通，当粉末流化

或处于临界流化状态时，送粉进气通过粉末输送管，便可将粉末连续地输送出。其中，为使粉末能够顺利通过小孔洞进入粉末输送管中，腔内的沸腾气压应大于送粉进气的气压。

对于沸腾式送粉器，使气体与粉末混合均匀，不易发生堵塞；调节气体流量的大小便可以实现对粉末输送速率的调节，可靠方便；而且不像刮吸式与螺旋式等机械式送粉器，粉末输送过程中与送粉器内部发生机械挤压和摩擦容易发生粉末堵塞现象，造成送粉量的不稳定；而对于不同的粉末或者是合金粉末，沸腾式送粉器也可以进行输送，对粉末的粒度和形状有较宽的适用范围。沸腾式送粉器，是基于气固两相流原理设计的，工作时，载流气体在气体流化区域直接将粉末吹出送至激光熔池。但是，同样要求所送粉末干燥；沸腾式送粉器对于粉末的流化和吹送都是通过气体来完成的，需要单独的供气装置。

（5）其他类型送粉器

华中科技大学邹海平等人为了满足功能梯度材料零件快速成形和制备的需要，开发了高精度数字化功能梯度送粉系统[19]。该系统采用同步送粉带结构、优化的落粉调节装置和全程封闭负压式载气系统，实现了实时精确配比的多粉末梯度变比例送粉，送粉单元的原理图如图2.6所示。

图2.6 送粉单元原理图

该送粉单元采用同步送粉带结构，包括储粉桶、振动装置、落粉调节装置、

同步送粉带及送粉气体加速装置、送粉电机及其控制装置等。在送粉过程中，粉末在振动装置和重力的作用下由储粉桶中落到同步送粉带上，振动装置用于增强超精细粉末的输送能力。落粉调节装置用于消除落粉管下端的导粉槽与同步送粉带的间隙，使落粉量只由导粉槽口半径尺寸决定，保证了落粉量的准确性。同步送粉带将落入的粉末连续地送入出粉通道，最终粉末由经过加速的送粉气体从出粉口送出，送粉气体能够增长粉末的输送距离，减少送粉管道布置的影响。整个送粉器采用封闭式载气系统, ，工作时送粉腔内充满平衡气体，全部通道由氩气保护，以避免粉末氧化。该送粉系统在常速和低速送粉率下，具有送粉量精度高、线性度好、送粉稳定和均匀等特点，送粉误差小于1 .5 %，送粉重复误差在1%以下，最小送粉速率为0 .005 g/ s，能顺畅输送纳米陶瓷粉末。

北京工业大学武强等设计了一种送粉量可连续变化的四路联动系统[20]，可实现多粉末送粉量实时变化控制，来满足成分及性能连续变化功能梯度材料(以及功能零件) 激光成形制造工艺的需要。该送粉系统的送粉装置采用负压吸附正压输送混合气力输送方式的工作原理，如图2.7所示。

图2.7 粉末输送原理图

该送粉过程主要包括粉末铺展与输送、送粉气体的输入与输出、送粉气体输送金属粉末3个部分。其中，送粉气体通过进气部件进入到粉末输送装置内的密封腔内，经过出粉部件与粉末输出部件之间的缝隙后，通过粉末输出部件流出。由于送粉气体的流动，在粉末输出部件通道末端和出粉部件之间形成一个负压区，粉末输出部件末端的通道相当于负压气力输送系统的吸嘴，而出粉部件孔道则相当于负压气力输送系统的料斗，出粉部件孔道内的金属粉末在送粉气体负压

吸附的作用下，被吸入到粉末输出部件的通道内，此过程为负压输送过程；在粉末输出部件通道内形成的粉气两相流则是在密封腔内正压送粉气的作用下，沿着送粉管路输送至送粉喷嘴，此过程为正压输送过程。在送粉过程中，送粉块和出粉块同粉末承载盘之间发生摩擦运动，所以三者之间的配合间隙及相关尺寸直接影响粉末输送精度和稳定性。

2.3 现有送粉装置的不足及未来发展

在实际应用加工中，不同的送粉器表现出各自的优缺点。随着激光技术的发展，经过多种尝试，国内外已经研制出很多类型的送粉器。一般情况下，较大尺寸的粉末(颗粒直径>100μm) 流动性较好，易于传送，而颗粒直径较小的粉末( 颗粒直径（1μm) 容易聚团和粘滞，流动性较差，通常传送这样尺寸的粉末是非常困难的[21]，所以，在同步送粉器中，流动性差是超细粉末输送的难点，由于细粉末的聚团和粘滞，而导致送粉不连续和送粉量不均匀，得到的熔覆层厚度不均匀、表面质量差、严重精密熔覆和微成型的质量。比如对于纳米相粉这类超细粉末在输送中容易发生团聚，目前的送粉器还没有得到很好的解决。所以，对于超细粉末的输送和实现微量输送将是以后送粉器研究的重点。并且对于送粉器综合化的研究，将更有利于实现激光熔覆加工成套设备的集成化和一体化。

随着激光熔覆、再制造技术的快速发展，送粉器作为核心元件之一，得到了广泛的研究和不断发展。目前，国内外对送粉器的研制目标是将送粉器工作时的连续性、均匀性、稳定性和可控性提高到一个更科学，更先进的水平。对国内外文献资料的整理和分析可以看出送粉器发展的特点：

（1）多功能化。现有的送粉器基本都能够对单一的粉末进行连续送粉，以后送粉器的发展向着混合送粉、多方式送粉和高精度方向发展，目前已先后研制出多料仓混合的送粉器，熔覆材料组成及配比连续可调的送粉器以及高度集成带有信息反馈附件的送粉器等。

（2）微量化。现有的送粉器都是连续送粉，送粉量都比较大，仅适合大面积熔覆应用和三维快速制造。目前的激光熔覆技术已经开始应用于精密熔覆和微成形，在这种加工过程中，需要对激光熔覆加工区域进行微量输送，这对送粉器的性能要求很高。当进行零件的激光熔覆精密修复时，大送粉量的送粉器根本无法满足工作的要求。

（3）超细化。现在的送粉器能够对较大尺寸粉末，进行连续稳定的送粉，因为其流动性好，易于传输。然而，对于尺寸在毫米级以下的微细熔覆粉末，现有送粉器的输送粉末颗粒比较大，特别是对于有些工件表面的缺陷特别微小（如小的磨损坑、裂痕、小孔洞和腐蚀坑等）无法满足加工的要求。

（4）小型化、模块化。激光再制造过程中，许多重大设备不方便拆装，或需要及时抢修，就需要进行现场修复，即进行现场激光再制造，所以要求激光现场再制造系统要方便灵活，粉末输送系统作为激光再制造系统的重要组成部分，实现送粉器小型化、模块化设计将是重要趋势。

（5）集成化。现有的送粉器大多都是独立的系统体系，其控制单元是专门的独立单元，与上位机的通讯缺失，与激光再制造其它系统集成度差。随着技术的发展，未来送粉器的控制系统自身优化提升的同时，必将会实现与激光再制造其它系统的集成化与融合，从而实现整个激光再制造系统的集成化，使激光再制造过程更加自动化与智能化。

3、送粉控制策略的研究

3.1早期的控制策略

对于较早前的以电机为驱动元件的送粉器，采用的是直流电机简单的通过旋转电位器调整给定电压，实现电机的转速控制[22]，这种控制方法太简单，控制精度不高，送粉量的重复性不好。随着步进电机的发展，送粉器驱动器件逐渐由步进电机取代。步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移的运动部件[23]，它能直接接受数字信号(电脉冲) 并方便地转换为与之严格对应的角位移。在控制中它的转速只与脉冲串的给定频率有关，不受系统电压、电流以及环境温度变化的影响，而且在一个运行周期中它可以自动消除位置积累误差使之为零。因而即使用它进行开环位置控制时，也具有较高的位置精度。以前的步进电机控制系统由步进控制器、功率放大器和步进电机组成，这种步进控制器线路复杂，而且成本高，使用因此受到了限制。

3.2现代控制技术

随着单片微机的发展，对步进电机的控制变得简单方便了。目前的单片机的系统结构简单，集成度高，可靠性高，处理功能强，有丰富的外围接口芯片，可方便地构成功能强、成本低的步进电机控制器，它不仅简化了线路，降了成本，

而且提高了可靠性。

以单片微机作为送粉器的控制器，不仅控制精度高，送粉速率的重复性好，而且能与激光熔覆加工的其它成套设备连为一体，便于实现激光加工控制自动化。采用单片机系统对步进电机进行控制，有串行控制和并行控制两种方法[24-25]。这两种方法的一个重要区别是驱动电源中是否含有环形分配器，在串行控制中，单片机只输出脉冲信号、方向信号和方式信号，环形分配器功能在驱动电源中实现，串行控制示意图如图3.1

所示。

图3.1串行控制系统结构示意图

在并行控制中，是由单片机的几个I/O端口直接接在驱动器的相应的各相上，其环分功能一般是由计算机编程(即按照步进电机的控制方式给出相应的控制模型直接进行相序的分配) 或者是由软硬件相结合的方法来实现。并行控制示意图如图3.2所示

图3.2并行控制系统结构示意图

3.3送粉控制策略的研究

送粉装置的稳定性与准确性不仅与送粉器装置的的结构相关，其控制技术也是关键所在，为此，国内外学者也做了诸多研究。在国外，德国B.Grunenwald

等建立的控制系统[16]，用直流马达环行滑道的旋转圆盘送粉器，使用贴有感量20-100mg 应变规的天平称量送粉量，其电信号经放大器处理后由A/D卡到达人控计算机，经由专用软件控制送粉率，事先测出每种熔覆粉末的标定因子，获得送粉率和马达转速的关系，从而实现闭环控制，采用此控制技术送粉率脉动量都在允许值5%以内。英国L.Li 和W.M.Steen 提出的送粉器闭环控制系统[26]，使送粉率波动的控制精确度进一步提高，达到2%左右，其关键技术是在气路中安装了一个小型压力传感器，他有4个压敏电阻的薄膜电桥，当薄膜在在粉末流的作用下变形，电压值改变，相应时间约1毫秒，传感器的信号与粉末流速度成正比，通过标定实验确定标定因子，实现反馈控制。在此控制系统中传感器的性能会直接影响反馈控制的效果。

在国内，华中科技大学的黄为[27]采用了单片机控制步进电机实现对送粉量的调节。该系统采用了MCS-51单片微机作控制单元，采用步进电机作执行元件来实现同步送粉过程。在系统中运用了升降速控制，避免了步进电机运行时的失步及不能起动等不正常情况，系统的运行效率、稳定性及可靠性较好，经测试该系统的送粉速率重复性较好，送粉量误差在±1％以内，达到了一定的性能指标。但是送粉器的控制系统没有反馈监测，送粉器工作过程中受到干扰因素影响，不能进行在线调节，影响送粉的重复性。同时，该系统的数据接口扩展有限，没有涉及到与上位机的通讯，只是单机运行，影响实际的使用效果。

清华大学宁国庆等人提出了通过检测熔覆层厚度进而控制送粉速度来保证激光熔覆制造的精度[28], 并对这一闭环控制系统进行了研究，如图3.3所示。

图3.3激光直接制造系统的送粉量闭环控制示意图

该系统的控制原理为用红外高度传感器检测熔覆高度, 检测出凸起点后, 在凸起点处降低送粉量，在正常点保持设定的送粉量。但是，检测出凸点后，从发出送粉量控制信号, 经送粉电机响应, 粉末再经过送粉管路到达喷嘴再进人熔池存在明显的时间延迟，他们采取的策略是在前一熔覆层记录凸起点，在下一层根据前一层的记录数据提前给出送粉量的控制信号, 粉末经传送延迟后正好在凸起点到达熔池。提前量是根据激光扫描速度、总的延迟时间、送粉量控制系统的控制周期计算而来, 并经过实验校正。结果表明对熔覆层高度的检测和对送粉量的闭环控制对激光直接制造过程的稳定性和质量有所提高。

针对激光再制造对送粉器控制系统闭环控制的需求，浙江工业大学激光加工技术中心胡晓冬副教授等在自主设计的沸腾式送粉器基础之上，设计了一种基于PIC 单片机的激光再制造送粉器控制系统[29]，如图3.4所示。

图3.4 沸腾式送粉器闭环控制系统

该系统以美国微芯公司的PIC16F877A 单片机芯片作为送粉器控制系统的核心器件，设计了AD 采样、DA 输出、LED 显示、键盘输入、I/O输入输出以及RS232通讯等子模块。该系统采用沸腾式送粉器，通过电气比例阀来控制送粉速率，控制器由基于PIC 单片机的电路组成，采用PID 控制策略。其输送控制过程：通过控制器键盘设定好送粉量值，由控制电路产生输出量将电气比例阀打开到相应的开度，调节沸腾气体的压力和流量进行送粉，同时重量传感器实时检测送粉量的变化，并把反馈信号送至控制器，实现在线自动调整送粉量。实验结果证明：该系统控制精度高，稳定性好，在激光再制造领域具有较好的推广应用价值。