新型L式双向智能刮刀的设计及应用

2022-03-16郭云梦秦正旺高椿明

压电与声光 2022年1期

郭云梦，秦正旺，高椿明，张萍

(电子科技大学光电科学与工程学院，四川成都 610054)

0 引言

激光选区熔化技术(SLM)是基于分层叠加原理[1]，利用高能激光束对铺平后的金属粉末进行选择性熔化，逐层堆积材料，所得金属零件具有较低的孔隙率和良好的力学性能[2-3]。SLM成型技术加工过程不需要工装模具、卡具、刀具，特别是在一些带有曲面、复杂内腔结构的零件制造方面，相对于传统加工方法有独特的优势[4]。

目前SLM设备的研究主要集中在国外，如英国的RENISHAW、美国的3Dsystem、德国MCP、EOS、ConceptLaser 等公司都具有出色的SLM设备研发与制造能力[5]。其中，德国EOS公司推出的M400设备采用1 000 W功率激光器，铺粉装置为双刮刀系统，添加了循环过滤模块，可以自动清洗，以降低成本和提高生产效率[6]。德国Concept Laser公司推出的X2000设备打印规格为800 mm×400 mm×500 mm，打印效率达100 cm3/h；其铺粉装置采用压紧式铺粉刷，激光模块采用双激光系统，功率可达1 000 W[7]。来自美国3D system公司的SLM设备Phenix PXM和来自英国RENISHAW公司的AM250采用的铺粉装置都是压紧式铺粉辊, Phenix PXM的半自动铺粉模块可以完成材料的自动收粉[8]，而AM250的送粉装置设置在外部，以保证打印所需足够的原料[9]。在传统的铺粉方式中，铺粉质量主要通过人工目视检测,该方法耗时耗力,不仅依赖主观经验,误检率较高,且需要手动处理铺粉过程中出现的问题,效率较低。因此，为了提高激光选区熔化铺粉质量,本文研发了智能刮刀铺粉监测系统。

1 智能刮刀设计

1.1 刮刀结构设计

本文设计的刮刀采用L式结构，以PZT-5H陶瓷压电片(以下简称PZT-5H)作为传感器，通过被动检测方式检测铺粉质量。

图1为智能刮刀结构图。刮刀设有12个凹槽，每个凹槽内置1片PZT-5H，其基底尺寸为10 mm×10 mm×0.3 mm、陶瓷+镀银层尺寸为9 mm×9 mm×0.5mm；每两个凹槽间有一条狭缝,以保证每个PZT-5H独立工作；每个狭缝顶部设有一个高出刮刀平面的固定孔以固定内置电路；刮刀中上部分内置信号采集与处理电路；刮刀正面设有出线口，侧面设有横贯刮刀的工形槽，用于稳固放置橡胶条；侧面设置宽为1 mm 的L形槽横贯刮刀，增大了铺粉过程中刮刀形变量。

图1 智能刮刀结构示意图

图2为智能刮刀爆炸图和封装图。刮刀固定于刮刀外壳内，刮刀外壳与刮刀架通过螺丝相连，刮刀架固定于铺粉系统中，刮刀架、刮刀外壳与刮刀间各有1 mm的距离，从J30J-9接口输出电路信号，刮刀外壳中设有水冷管道给设备降温。

图2 智能刮刀爆炸及封装图

控制系统主要分为电源供电模块、信号采集模块和信号处理模块。供电模块利用USB的5 V电压，经降压电路将电压降至3.3 V，信号采集模块采用3个CS53L32A芯片，信号处理模块采用STM32F103C8T6作为核心控制器。图3为刮刀控制系统流程图。12片PZT-5H将形变量转换为压电信号，通过压簧按键传输给内置电路板，信号采集模块采集压电信号并进行模数(A/D)转换，再由单片机将数字信号传递给上位机，上位机控制系统根据信号向刮粉式激光增材制造(SLM)系统发出指令。

图3 控制系统流程图

1.2 刮刀应变检测仿真

图4为刮刀的简化三维模型。对其进行材料参数设定和网格划分，并采用COMSOL进行有限元仿真和分析。

图4 刮刀简化和网络分割三维模型

为了测试刮刀下部施加位移对PZT-5H的影响，以及理想条件下智能刮刀系统的灵敏度，对模型中部PZT-5H进行了仿真模拟分析。采集该PZT-5H中部和左、右两边缘共3个点位的电势随位移变化的信息。

设置仿真模型的物理场，在模型下端垂直于PZT-5H的方向施加随时间变化的位移，位移函数为u=vt(其中u为位移，v为速度，t为时间)，初始位移为0。随着位移的增大可以得到PZT的最小响应位移，将仿真信号与系统噪声进行对比，可以得到智能刮刀的理论灵敏度。其中系统运行时噪声信号电势为50 mV。

仿真结果如图5所示。由图可知，随着位移的增大，PZT-5H中部的电势-位移曲线变化比左、右两边缘点位变化更明显，说明对刮刀下端施加位移时，PZT-5H中间部分的灵敏度高于两边点位。刮刀表面的PZT-5H电势信号在位移3 μm附近明显开始上升，说明PZT-5H的最小响应位移为3 μm；当电势信号在约3.3 μm时超过系统噪声，在3.5 μm时为系统噪声的2倍，压电信号明显。因此，智能刮刀信号监测的理论灵敏度可达3.5 μm。

图5 位移-电势变化曲线

为了模拟刮刀结构中PZT-5H的横向分辨率，在图4所示的仿真模型正中间横向设置一条穿越3个PZT-5H的直线。对模型下方中间位置施加3.5 μm的位移，得到所设直线上的横向分辨率仿真曲线如图6所示。

图6 PZT-5H横向分辨率仿真曲线图

图6(a)为所设直线上各点的位移量，横坐标表示直线上各点到直线左端点的距离，由此可见刮刀的形变量在距离直线左端35 mm(模型正中心)的位置达到最大，峰值较明显，能有效辨别刮刀受力部位。图6(b)为直线上各点的压电电势，横坐标表示直线上各点到直线左端点的距离，由此可见PZT-5H的电势也在距离直线左端点35 mm处达到了峰值，且峰值明显，能有效辨别受力位置，说明本文设计的智能刮刀具有较高的横向分辨率。

2 实验和数据分析

2.1 刮刀进给阻力分析

图7为刮刀进给阻力测试方案图。将智能刮刀固定在实验平台上，将激光测距仪固定在刮刀左侧，使检测激光和橡胶条底端位于同一水平线上；将电动位移台固定在刮刀右侧，在电动位移台上固定一根直径为∅0.5 mm的金属小棒，使金属小棒和刮刀橡胶条底端水平。金属小棒以不同的速度向刮刀底端移动，绘制刮刀压电信号随小棒位移量变化的折线图，进而研究刮刀的监测性能。

图7 刮刀进给阻力测试方案图

采用激光测距仪检测橡胶条形变量，橡胶条内部的微小挤压忽略不计。当激光测距仪检测到橡胶条有0.1 μm的形变时，实验认为金属小棒到达触碰临界点。

刮刀进给阻力测试步骤为：

1) 按图7所示安装并固定实验设备。

2) 连接智能刮刀硬件与软件系统，连接激光测距仪和电动位移台。

3) 利用电动位移台控制小棒的速度和触碰临界点后的位移量，利用激光测距仪测量橡胶条被触碰点的形变量，同时采集智能刮刀的压电信号。

4) 分析测试结果。

设置金属小棒运行的速度分别为50 mm/s、100 mm/s和200 mm/s，位移量分别为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组)条件进行重复性实验，并对每组实验数据求取电势均值。绘制同一速度下不同位移的曲线图(见图8)，测试分析智能刮刀的工作性能。

图8 刮刀进给过程电势-位移折线图

由图8可知，随着位移量的增加，3条曲线都在不断升高，即橡胶条的形变量越大，刮刀接收到的压电信号越明显。运行速度200 mm/s对应的电势高于100 mm/s电势，而100 mm/s对应的电势高于50 mm/s电势，这说明智能刮刀的灵敏度随刮刀速度的加快而提升。在SLM设备实际运行中，常用的刮刀铺粉速度为100～3 500 mm/s；误差棒(表示测量数据的不确定度大小)随着位移量和速度的减小而减小，在最小位移10 μm时，误差棒被数据的算术平均值淹没，因此，在实验室条件下，智能刮刀系统的检测灵敏度为10 μm。

2.2 刮刀回程受力分析

由于智能刮刀结构的不对称性，刮刀橡胶条的受力方向也会影响PZT压电信号，所以需要设计刮刀回程方向受力的对比试验，如图9所示。

图9 刮刀回程受力测试方案图

刮刀回程受力的测试条件与进给阻力测试实验相似，但需要翻转智能刮刀的左右两面，使金属小棒从另一侧靠近刮刀，从而测试智能刮刀的压电信号与刮刀运行方向的关系。

刮刀回程受力的测试结果如图10所示。由图可知，200 mm/s速度对应的信号幅度值高于其他速度，最低速度50 mm/s对应的信号幅度值最低，表明在改变了金属小棒的碰触方向后，智能刮刀的压电信号仍随着位移的增加而提升，智能刮刀的灵敏度依旧随着刮刀速度的加快而提升，其监测灵敏度可达10 μm。但在相同条件下，刮刀回程测试的压电信号幅度相对于刮刀进给测试总体偏小，表明智能刮刀在进给过程中灵敏度更高。

图10 刮刀回程电势-位移折线图

2.3 铺粉模拟实验

铺粉模拟测试方案如图11所示。在三维手动位移平台上固定模拟障碍物，调节位移台使模拟障碍物顶端超出刮刀橡胶条底部指定距离，控制刮刀移动经过障碍物，采集刮刀对障碍物的响应，研究刮刀系统整体灵敏度及其铺粉效果。

图11 铺粉模拟测试方案图

根据图11搭建铺粉模拟系统，主要包括滑动导轨、刮刀架、铺粉平台和收粉仓。在铺粉平台底板上放置模拟障碍物，刮刀固定在刮刀架上的手动位移台表面，调节刮刀与铺粉平台的距离，滑动导轨可以移动刮刀架，收粉仓不固定可以从上方取出，且底部低于铺粉平台，收集铺粉时的剩余粉末，采用300目的高纯铁粉，用带有3个金属小棒的L形金属架模拟障碍物，小棒顶部直径分别是∅0.5 mm、∅1 mm和∅1.5 mm，模拟尺寸不一的障碍物。

在开始测试前先对刮刀系统进行一致性调试。首先挑选电阻一致的PZT-5H安装在智能刮刀上，然后用函数发生器调节刮刀信号采集模块的放大倍数为500倍，保证所有信号放大倍数相同。

模拟铺粉测试步骤如下：

1) 连接刮刀系统，将适量铁粉送到橡胶条前，使其沿橡胶条方向均匀分布。

2) 在铺粉平台上安装模拟障碍物，并使其3个金属小棒的顶端超过橡胶条底端100 μm。

3) 运行刮刀，并采集刮刀的压电信号。

4) 升高模拟障碍物100 μm，重复第3)步。

设置刮刀铺粉速度为100 mm/s,模拟障碍物突起高度分别为100 μm、200 μm、300 μm、400 μm 和500 μm,进行重复性实验，得到图12所示的测试结果。由图可知，随着突起高度增加，刮刀接收到的压电信号也随之增大，当突起高度为100 μm时，刮刀的响应电势为1 000 mV。因此，在实验室条件下可以认为刮刀信号灵敏度在100 μm以下。