金屬送粉式激光3D打印熔池溫度PID閉環(huán)控制研究及其實現(xiàn)

李立秋

（沈陽瑞達(dá)機(jī)械自動化有限公司，遼寧 沈陽 110000）

采用金屬粉末進(jìn)行3D打印，分為鋪粉打?。⊿LM）和送粉打印（LDM）。鋪粉打印的控制條件單一，過程穩(wěn)定，產(chǎn)品成型質(zhì)量好，但是打印速度很慢，且產(chǎn)品制件尺寸受成型倉體空間限制嚴(yán)重。而送粉打印正好相反，易于快速的生產(chǎn)大型工件；但產(chǎn)品成型過程中容易形成塌陷，塌陷將影響激光光斑在工件表面的聚焦情況，進(jìn)而造成熔池溫度變化，產(chǎn)生產(chǎn)品缺陷。通過PID閉環(huán)的方式控制好熔池的溫度，能夠抑制缺陷的產(chǎn)生，降低塌陷的修補(bǔ)難度，提高生產(chǎn)效率和制件質(zhì)量。

1 硬件搭建

LDM熔池溫度由激光照射產(chǎn)生，控制激光器的輸出功率，就可以間接控制熔池的溫度。在金屬3D打印過程中，根據(jù)材料的不同，溫度大多控制在2300℃以下；因為要實現(xiàn)在線測量，必須選用非接觸的光學(xué)傳感器；LDM加工時金屬粉末從送粉管路進(jìn)入熔池的飛落過程會對光反射造成干擾，所以，進(jìn)一步選用雙比色傳感器，以弱化粉末、煙塵對測量精度的影響。實驗時，選用德國三銫M322傳感器，其輸出方式為電流模擬量。控制選用西門子的1215C型PLC，溫度監(jiān)測結(jié)果以模擬量的方式發(fā)給PLC，PLC以模擬量的方式控制激光器的功率變化。選用模擬量，是因為其傳輸不受通訊周期的影響，速度更快；在電路搭建時使用屏蔽電纜，以抑制信號干擾。

2 系統(tǒng)分析

PID控制，P為比例，I為積分，D為微分。激光閉環(huán)控制不同于普通的加熱控制和電機(jī)伺服控制：激光的產(chǎn)生和發(fā)射，幾乎沒有慣性，所以響應(yīng)必須快，且避免超調(diào)。而微分環(huán)節(jié)往往造成震蕩，對小慣性系統(tǒng)并不適合。對于快速響應(yīng)，在比例環(huán)節(jié)可以設(shè)定較大的比例值，在積分環(huán)節(jié)，積分時間在避免震蕩的情況下，應(yīng)該盡量縮短。

3 方案設(shè)計和測試

方案A：考慮到西門子1215C型PLC自帶PID程序模塊，可以優(yōu)先對其進(jìn)行測試；但激光閉環(huán)控制屬于新的技術(shù)方向，使用既有標(biāo)準(zhǔn)功能模塊進(jìn)行控制效果可能不理想。

方案B：依據(jù)系統(tǒng)分析，以及對激光——熔池溫度控制系統(tǒng)屬于小慣量系統(tǒng)的判定，自行編寫PID程序。

測試過程：將激光發(fā)射功率設(shè)定為0，完全依靠PID程序控制激光的發(fā)射功率，使熔池達(dá)到目標(biāo)溫度，并穩(wěn)定在目標(biāo)溫度附近；通過溫度傳感器的曲線，評定測試結(jié)果。作為對比，先以2000W恒定出光功率記錄一組熔池溫度曲線，見圖1所示，以客觀的了解在未實施PID閉環(huán)控制時熔池溫度的波動情況。

圖1 激光功率2000W恒定時的熔池溫度抖動曲線

3.1 使用西門子PLC自動PID程序模塊的測試

西門子PLC自帶的PID程序模塊，其功能函數(shù)為：

其中，KP為比例增，S為拉普拉斯運(yùn)算符，b為比例權(quán)重，W為設(shè)定值，x為反饋值，TI為積分時間常數(shù)，TD為微分作用時間，a為微分延遲系數(shù)。在調(diào)用PID標(biāo)準(zhǔn)功能后，需要對PID的控制類型和控制結(jié)構(gòu)做出選擇。在前述分析中，已經(jīng)做出推斷，應(yīng)取消微分環(huán)節(jié)，所以在控制類型方面，將控制模式設(shè)定為PI，即只有比例和積分環(huán)節(jié)。激光熔池溫度控制不同于傳統(tǒng)的溫度控制：傳統(tǒng)的溫度控制是一個大慣性系統(tǒng)，因為熱傳導(dǎo)慢，受熱點(diǎn)和測溫點(diǎn)往往又不在同一個位置，所以當(dāng)停止加熱時，會造成檢測到的溫度還在上升，這也可以理解為被加熱物體的溫度是不均勻的。而激光熔池面積很小，直徑一般在3～6mm，溫度受控于激光的輻射，而激光的傳導(dǎo)是不考慮時間的；激光的發(fā)射受限于電流對發(fā)光堆棧的激發(fā)，這個過程也是幾乎不需要時間的；因此，激光——熔池系統(tǒng)是一個慣性非常小的系統(tǒng)，在控制目標(biāo)的可選項中，選則控制電流更合適。圖2是調(diào)整穩(wěn)定后測得的典型的熔池溫度曲線。從圖中看出，從初始態(tài)到控制穩(wěn)定經(jīng)歷的時間很長，超過5s；在穩(wěn)定后，控制效果尚可。

圖2 使用PLC自帶PID模塊進(jìn)行閉環(huán)控制時的熔池溫度曲線

3.2 自行編寫PID程序的測試

因使用的是小型PLC，運(yùn)算執(zhí)行速度慢，每秒PLC程序循環(huán)次數(shù)在100次以內(nèi)。如此，在設(shè)計PID運(yùn)算過程方面，應(yīng)該從簡單入手，通過試驗有針對性的做出逐步調(diào)整，以盡量減少過程運(yùn)算對程序掃描周期的影響，提高控制響應(yīng)速度。

在PID的設(shè)計原則方面，仍然不考慮微分環(huán)節(jié)，只對比例和積分兩個環(huán)節(jié)做設(shè)定。實際設(shè)計的PI功能函數(shù)為。

其中，W為設(shè)定值，x為反饋值，Kp為比例增益，KI為積分的獨(dú)立增益，比例增益和積分增益分開，沒有關(guān)聯(lián)，便于調(diào)整。因為PLC是按照掃描周期進(jìn)行離散的信號采集和計算的，所以積分環(huán)節(jié)采用多次掃描周期偏差值的和作為運(yùn)算對象，其中n為對偏差和的計算次數(shù)，因為每做一次加和計算，對應(yīng)一個PLC的循環(huán)周期，所以可以將n的意義理解為積分周期。比例和積分是兩個獨(dú)立的控制過程，其整體控制輸出Y不能超過模擬量的輸出最大值，也不能低于0；然而，激光器在低于4%的功率時不出光，所以，根據(jù)PLC輸出的DA轉(zhuǎn)換關(guān)系，設(shè)定輸出Y的最大限值27640，最小限值為1105（27640×4%=1105）。

針對上式中，積分增益環(huán)節(jié)的n，做了多種測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)n=1時，調(diào)節(jié)迅速且曲線穩(wěn)定。n=1和n=5時的典型結(jié)果見圖3和圖4。從測試結(jié)果可以看出，當(dāng)n=1，即采用每個掃描周期連續(xù)調(diào)整積分輸出，不僅調(diào)節(jié)迅速，結(jié)果反而更穩(wěn)定，并達(dá)到了將熔池溫度控制在正負(fù)35℃的目標(biāo)。

圖3 每5個周期對積分輸出獲得的熔池溫度閉環(huán)控制曲線

圖4 每個周期對積分輸出獲得的熔池溫度閉環(huán)控制曲線

4 分析

通過高速相機(jī)觀察LDM過程中的激光熔池可發(fā)現(xiàn)，熔池外形是一個抖動的不規(guī)則橢圓形，沿著激光移動的方向前面大而后面小，在激光的沖擊作用下，發(fā)生了類似水沸騰的翻滾、蕩漾效果。熔池的這種翻滾、蕩漾，也造成了熔池本身溫度的變化：底層翻滾上來的金屬溶液，其原始位置越是接近底層金屬固態(tài)面，自身溫度就越低。而激光移動的速度又很快，一般超過10mm/s，所以，熔池的翻滾蕩漾，對于熔池表面的溫度有很大的影響，這會造成測得溫度的波動，進(jìn)而對控制的穩(wěn)定性有一定的影響。

5 結(jié)語

按照本文所述方案，采用簡單而快速的PID閉環(huán)控制LDM的激光功率，在LDM打印時，監(jiān)測到熔池溫度更穩(wěn)定，并在實際上獲得了良好的工件表面狀態(tài)，體現(xiàn)出了PID閉環(huán)控制對于LDM熔池溫度控制的意義及可行性。