——修正系数

——出粉口直径(mm)

——粉末堆积角(°)

——沟槽内边缘半径(mm)

——沟槽外边缘半径(mm)

从上式可知，当送粉器的结构尺寸和粉末材料不变时，送粉率只跟粉盘的转速有关，通过控制粉盘的转速就可以连续调节送粉率，同时改变储料筒下端面到粉盘沟槽的距离和出粉口直径，可使送粉率在较宽范围内得到调节[7]。在上式中为粉末的堆积角，堆积角又称休止角或安息角，是料堆的自然斜面与水平面之间的夹角，堆积角不仅和粉末的尺寸、形状、湿度有关，还和形成料堆的方法有关。堆积角需通过实验测定，而且对于料性一定的粉末，堆积角往往并不恒定，加之激光快速成形经常采用不同的金属粉末来进行，那么确定不同料性的粉末堆积角是一个很繁杂的过程，所以当储料筒出粉口到粉盘沟槽距离较小和粉末流动性较好的情况下，可以将粉堆截面近似成矩形，也就是堆积角近似为，那么送粉率为：

(2)

按照公式(2)，在对送粉器及不同料性粉末进行标定的时候，通过调整修正系数，便可得到与之相对应的送粉率计算公式。

　　2.3软件设计

　　送粉软件主要由设备初始化、参数设置、数据计算、指令执行、状态显示五个模块组成。首先由设备初始化完成对PCI-1240控制卡的激活及设置，在参数设置模块，通过人机界面采集用户所输入的送粉参数，由数据计算模块将送粉参数转化成驱动硬件的数据，再由指令执行模块向运动控制卡发送执行信息，状态显示模块则显示当前送粉系统的运行状态，如送粉速率、粉末比例等信息。送粉电机转动之前需打开电磁阀，保证送粉气路畅通。软件流程如图4所示。

　　图4 软件流程图

　　Fig.4 The flow chart of the software

　　设备初始化过程是通过调用动态链接库ADS1240.dll中的功能函数来实现的，P1240MotDevAvailable函数检查系统中可用的1240卡数量;P1240MotDevOpen(BYTE byBoard_ID)函数是打开指定卡号的控制卡，其中参数byBoard_ID就是卡的地址号;P1240MotAxisParaSet用来设定各轴的加速方式、初速度、运行速度和加速度等参数，因执行打开卡函数后，控制卡会自动对所有寄存器重设，所以在打开卡后要对各轴参数设置，以保证运行正常。

　　数据计算是送粉器控制软件的重要模块，它要保证各路粉末输送比例实时可调、总送粉率稳定并准确发送脉冲到步进电机。粉末配比计算过程如下，以粉末A为例，当成形第一层时，粉末A的比例值为，

(3)

其中代表当前层粉末A所占比例，代表粉末A的初始比例。设定为已成形层数，为用户设定单层厚度，为总成形高度，为用户设定粉末A的终止比例，当成形第N层时，那么粉末A的比例值为，

(4)

　　当用户设定好三种金属粉末的初始和终止比例时，就可按照公式(4)计算出某一层粉末A的比例，结合公式(2)便可得出粉盘的转速，再通过脉冲发送指令控制步进电机转动，同理可计算出第N层其他两种粉末的比例。通过控制每一层送粉比例，便可实现材料组分沿厚度方向呈连续变化的功能梯度材料的激光快速成形。

公式(4)只适用于材料的比例呈线性变化的功能梯度材料，即三种粉末的初始和终止比例设定好后，在成形的过程中不能修改，否则会造成比例的计算错误。如果要成形出不同层段有不同比例变化规律的功能梯度材料，例如从第1层到第N层，粉末A的变化规律是10%~30%;从第N+1层到N+K层，粉末A的比例保持30%;从第N+K+1层到最后一层，粉末A的比例是30%~5%，那么需如下过程来实现：同样以粉末A为例，将上一层粉末A的比例保存到，则当前层粉末A比例应为，

(5)

成形过程中，可以实时修改，便可实现不同层段有不同变化规律的功能梯度材料的激光快速成形。

　　3 送粉实验(The powder feeding experiments)

　　为验证送粉器控制系统功能，进行了送粉实验。实验采用三路送粉器，三个料筒装载相同的TC4粉末，粒度为100目，松装密度4.4g/cm3，为保证粉末有良好的流动性，实验前对粉末进行真空烘干处理，送粉载气为高纯Ar气，流量2L/min。实验过程中使A、B、C三个料筒送出的粉末分别落到三个器皿中，每隔60s对三个器皿离线称重，所得值即为这一分钟内的送粉量。

　　设定送粉率为7g/min，修正系数为1，A料筒初始比例0%，终止比例20%;B料筒初始20%，终止60%;C料筒初始80%，终止20%;设定的总成形层数为6层，每层送粉时间60s，对三个料筒送粉量的测定如图5所示，图中各点表示60s内各料筒送出粉末的质量以及总送粉质量。可以看出送粉系统能按照设定的参数，进行变比例送粉，比例变化趋势和所设定的参数吻合，同时各料筒的送粉量以及总送粉量存在微小波动，这主要是受气流量、粉末流动性等因素的影响，使送粉率有一定变化，总送粉率误差在5%以下。

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