【摘要】介绍了刮吸式送粉器的结构及工作原理，建立了基于PCI-1240运动控制卡的三路送粉控制系统，研究了单路送粉率和三路送粉比例的控制方法，通过实时控制三路送粉器的送粉比例进行送粉实验。实验表明，送粉比例实时可调，送粉精度高，满足金属功能梯度材料的激光快速成形。

　　关键词：激光快速成形;送粉器;控制系统;功能梯度材料

　　中图分类号：文献标识码：

　　[Abstract]The structure of the scraping suction powder feeder and its principle of work is presented. A three channels powder feeding control system which based on PCI-1240 motion control card is built. It is researched the method to control the powder feeding rate of single channel and the proportion of three channels. The powder feeding experiments were carried out by controlling the feeding proportion of three channels powder feeder at real time. The tests results show that the proportion of feeding powders can be changed at real time and the feeding rate has high precision. It can meet the requirement of functional graded materials manufacturing by laser rapid forming.

　　Keywords: Laser rapid forming; Powder feeder; Control system; functional graded materials

　　引言(Introduction)

　　激光快速成形是在激光熔覆技术基础上发展起来的一种金属零件激光直接成形技术，是快速成形技术与激光加工技术精华的集成。通过高能激光束照射并熔化金属粉末，逐层堆积出结构复杂的金属实体零件，与传统加工方法相比，具有低成本、高效率、高柔性、短周期等特点，同时金属材料在激光的热作用下快速熔化并凝固，可获得许多常规材料在常规条件下无法得到的组织，使材料的各方面性能得到提高[1]。

　　送粉器是激光快速成形系统的重要组成部分，在激光快速成形的过程中，由送粉器将金属粉末按照一定的速率送到送粉头，并进入激光照射下所形成的熔池中。为保证成形件的质量和精度，送粉系统要能均匀、稳定地供粉。随着研究的深入，国内外学者已开始研究金属功能梯度材料的激光快速成形，这就对送粉系统提出了更高的要求，在连续精确送粉的基础上进行多路送粉，并且各路成分比例实时可调[2]。本文针对激光快速成形的这一需求，在建立了一套由三路送粉器组成的送粉系统后，对送粉器的控制系统进行了设计，并研究了成分比例实时可调的控制方法，以此来进行功能梯度材料的激光快速成形，这对发挥激光快速成形的技术优势具有重要意义。

　　1 送粉器结构与工作原理(The structure and principle of the powder feeder)

　　送粉器的主要作用是按照一定的速率将粉末送进送粉管路中，本设计中采用刮吸式送粉器[3]，送粉器结构如图1所示，粉盘2上有一环形沟槽，工作时金属粉末由自重从储料筒1下端的圆柱形出粉口落到粉盘的沟槽中，步进电机带动转轴3使粉盘2转动并将粉末运至吸粉嘴4处，在气体的压力下金属粉末被吸粉嘴吸入，并由出粉管送出，再经粉路和送粉头把粉末送入激光照射下的熔池中，实现金属材料的激光快速成形。为防止某些金属在成形的过程中氧化，送粉载气使用保护性气体，储料筒、粉盘和吸粉嘴均处于一个密闭环境中，由进气管充入送粉气，通过气体压力将粉末从吸粉嘴4处压出。

　　图1 送粉器结构图

　　1.储料筒2.粉盘3.转轴4.吸粉嘴5.出粉管

　　Fig.1 The structure of the powder feeder

　　2 控制系统设计(Control system design)

　　2.1硬件组成

　　功能梯度材料是指在内部组分、性能、结构等方面，从材料的一部分到另一部分呈连续变化或分层阶梯式变化的新型材料，它的特点是不同的部分可以发挥出不同的性能[4,5]。为满足激光快速成形制造金属功能梯度材料的要求，本设计采用三个可独立运行的刮吸式送粉器组成送粉系统，每个送粉器装有一种粉末，那么三路送粉器可以实现三种不同粉末材料的输送。

　　在设计过程中，为了很好的和激光快速成形系统集成，本文采用PC和运动控制卡的方式建立送粉器控制系统。运动控制卡使用PCI-1240，该卡基于PCI总线技术，可进行独立4轴步进/脉冲型伺服电机控制，具有实时性高、占用系统资源少等特点，同时提供了Windows的DLL驱动程序，用户可以在VB、VC等环境下开发出符合现场需求的实用程序[6]。

　　控制系统硬件组成如图2所示，送粉器由步进电机驱动，步进电机通过减速器和粉盘联接，由PCI-1240运动控制卡来控制三个步进电机的转速，同时将运动控制卡的通用输出端口与三个电磁阀相连，通过电磁阀来控制送粉载气的通断，以此提高保护气的利用率。在激光快速成形的过程中，由运动控制卡发送脉冲和方向信号到步进电机驱动器，驱动器将脉冲信号转化为步进电机的角位移，调节各路送粉器的送粉速率。

　　图2 硬件组成框图

　　Fig.2 The frame of the hardware components

　　2.2 送粉率计算

　　送粉率是指单位时间内输送粉末的质量，而送粉速度是指粉末到达熔池时的速度，后者跟送粉载气流量有关[3]。如图3所示，

　　图3 送粉示意图

　　Fig.3 Schematic diagram of feed powder

当金属粉末从出粉口落到粉盘的沟槽中时，粉末由自重堆积成一个截面近似于等腰梯形的粉堆，粉末堆积角为，那么可得到送粉率：

(1)

式中：——送粉率(g/min)

——粉盘转速(r/min)

——粉末松装密度(g/cm3)

——出粉口下端与沟槽底距离(mm)

 1/3    1 2 3 下一页 尾页