激光定向能量沉积机床 通用技术规范 编制说明

PAGEPAGE8《激光定向能量沉积机床通用技术规范》编制说明（征求意见稿）一、工作简况任务来源本项目根据《国家标准化管理委员会关于下达2020年第四批推荐性国家标准计划的通知（国标委发〔202053号进行制定。计划编号：20204722-T-604；项目名称工机床研究所有限公司、中国科学院沈阳自动化研究所、北京航空航天大学、沈阳航空航天大学、华质卓越生产力促进（北京）有限公司等。计划应完成时间：2022年。主要工作过程标准研制过程主要分为以下几个阶段：（1）起草阶段《激光定向能量沉积机床通用技术规范》国家标准制定计划于2020年12月24日正式下达，全国特种加工机床标委会（SAC/TC161）随即布置了标准研制工作任务。首先，在机床制造企业、科研院所、高校、用户及检验检测机构等范围内广泛征集项目参与方，组成标准起草工作组开展标准研制工作。其次，对标准项目牵头单位及标准起草工作组成员单位的责任进行了明确，对资料搜集、标准起草、技术验证等关键环节进行了分工。同时，与全国增材制造标委会（SAC/TC562）沟通标准项目联合归口事宜，双方秘书处协调处理标准研制过程中的意见建议直至完成标准审查，充分发挥双方标委会的专家和技术优势，以体现国家标准的科学性和广泛性，达到相关方对国家标准的协调一致。标准起草工作组针对目前激光定向能量沉积机床的工艺技术、性能质量等现状，经过大量的资料查证和研究分析工作，确定了标准制定工作方案，在标准起草过程中，工作组成员多次利用网络视频会、电子邮件等手段进行讨论协商，在标准申报草案的基础上反复论证并修改。经过一年的努力，工作组于2021年底向TC161秘书处提交了标准初稿草案。随后，受到2022年初江苏、上海等地的新冠疫情影响，工作组研讨会推迟至2022年5月28日在江苏南京举行，十余家标准起草单位的20余人参加了会议，面对面地针对标准初稿草案进行了详细的讨论，对标准框架和主要技术内容，以及标准中所提要求的依据、方法的可行性、试验验证的关键点达成了一致。在此基础上，形成了标准征求意见稿（草案。为使标准更具科学性，TC161秘书处按标准研制工作惯例，于2022830日在苏州组织召开了国家标准研制项目专家会，会上，位特种加工机床领域的技术及标准化专家，对《激光定向符合当前该类技术和装备的发展方向，并提出了具体的修改建议。在上述工作基础上，标准起草工202298日修改形成了标准征求意见稿，由TC161、TC562共同组织标准征求意见工作。主要参加单位、工作组成员及其所做工作本标准由南京中科煜宸激光技术有限公司、……共同起草。主要成员：……、所做工作：……二、标准编制原则及主要内容标准编制原则GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1力求与产品研发、工艺试验、技术进步、产业发展、应用推广相结合，统筹推进。同时，努力使标以便于生产企业和用户使用。标准主要内容本文件规定了激光定向能量沉积机床组成、环境要求、安全防护要求、技术要求、检测方法、检验规则及标志、包装、运输、贮存。本文件适用于以金属粉末为原材料采用激光定向能量沉积工艺的增材制造机床的制造。1本章内容主要规定了本标准文件的内容以及适用范围。2章“规范性引用文件”本章内容主要明确本标准文件的规范性引用文件共10GB/T191《GB2894安全标志及其使用导则》；《GB/T5226.1机械电气安全机械电气设备第1部分：通用技术条件》；《GB7247.1激光产品的安全第1部分：设备分类、要求》；《GB/T12642工业机器人性能规范及其试验方法》；《GB/T14896.7特种加工机床术语第7部分：增材制造机床》；《GB/T17421.2机床检验通则第2部分：数控轴线的定位精度和重复定位精度的确定》；《GB/T18490.1机械安全激光加工机第1部分：通用安全要求》；《GB25493以激光为加工能量的快速成形机床安全防护技术要求》；《GB/T35351增材制造术语》；《JB/T8356机床包装技术条件》。3本标准未新增术语和定义，本标准采用的术语与定义主要参考《GB/T14896.特种加工机床术语第7部分：增材制造机床》和《GB/T35351增材制造术语》。4章“机床组成与环境要求”本章内容主要包括机床组成与环境要求。机床组成部分对激光定向能量沉积机床的各子系统的组成方式进行了规范，激光定向能量沉积机床各子系统包括机械运动系统、气氛控制系统、激光系统、送粉系统、在线监测系统；同时标准文件中对个子系统的功能作用进行了规范性的定义。环境要求部分对激光定向能量沉积机床的工作环境和贮存环境分别进行了说明，并明确了环境温度、相对湿度和大气压力的规范性要求。5章“安全防护要求”本章主要对激光定向能量沉积机床的安全防护提出统一的要求；包括机床安全防护要求和机床加工区安全防护要求；并分别对各类安全防护的检查内容及判断标准进行了规范性要求。6本章主要对激光定向能量沉积机床的各项技术要求进行了统一的规定。一般要求规定了激光定向能量沉积机床的设计制造过程中的图样和技术文件、机床的自检功能及故障及异常状态的声光告警、机床监视仪表开关传感器和报警器的要求。外观要求对机床的外观进行了规范要求：包括机床整理外观、机床表面涂层或镀层、机床标识说明功能的文字和图形符号、金属零件锈蚀防护与损伤防护、灌注物防护等。机械系统要求将激光定向能量沉积机床的机械运动实现形式分为机械多轴运动系统和机器人采用一般结构实现机械运动的机床，机械运动系统不应少于三个线性轴（XYZ轴可配备回转轴（A轴、B轴、C轴）实现四轴或五轴运动；线性轴和回转轴的有效工作行程均不应小于机床说明书的标称值。文件并对机床行程、机床几何精度、运动轴定位精度金和重复定位精度分别规定了技术要求。工业机器人运动系统要求中，对工业机器人运动系统的位置准确度和位置重复性规定了技术要求。气氛控制系统要求对激光定向能量沉积机床气氛控制系统的保压能力、氧含量控制能力、除尘能力进行了技术要求的规定。激光系统要求对激光定向能量沉积机床激光系统的激光功率稳定性和沉积头冷却功能进行了技术要求的规定。送粉系统要求对激光定向能量沉积机床送粉系统的送粉精度进行了技术要求的规定。在线监测系统要求对激光定向能量沉积机床在线监测系统的控制参数和故障信号的采集、显示和保存进行了技术要求的规定。7本章节对第6章“技术要求”中所有的技术要求指标的检测方法进行了规定。检测条件明确对激光定向能量沉积机床检测实施的环境、电离辐射源、机床工作参数状态、电源电压要求、检测仪器等进行了规定。外观检测规定了机床外观检测的方法要求。机械系统检测规定了机械多轴运动系统的检测方法及检测器具要求；工业机器人运动系统参考GB/T12642标准要求进行检测。气氛控制系统检测规定了气氛控制系统的保压能力、氧含量控制能力和除尘能力的检测方法。激光系统检测规定了激光系统的激光功率稳定性和冷却功能的检测方法，提出并制定了相关的计算公式。送粉系统检测规定了送粉系统的送粉精度的检测方法，提出并制定了相关的计算公式。在线检测系统检测规定了在线检测系统的控制参数和故障信号采集、显示和保存的检测方法。8章“标志、包装、运输、贮存”本章节分别对激光定向能量沉积机床的标志（运输和贮存进行了统一的规范要求。解决主要问题增材制造技术尤其是激光定向能力沉积技术在航空航天等领域大尺寸结构件成形及激光熔覆修复等方面具有广阔的应用前景。我国在这方面的技术水平与国际先进水平相当，特别是在机床制造与工艺过程控制等方面处于世界领先水平，是我国目前在世界范围内的长板技术之一。国外增材制造标准体系建立及相关标准的编制是随着增材制造技术在航空、航天、医疗等领域的逐步应用而发展起来的，主要集中在美国与欧洲，美国与欧洲分别制定了符合各自技术特点和发展趋势的增材制造标准化路线图。但在具体的激光定向能量沉积工艺控制标准及机床检测标准上，国外的标准化组织和研究机构涉足不多，出台的规范化标准较少。我国亦缺乏相关激光定向能量沉积机床的技术要求和检测方法。此标准重点解决了增材制造激光定向能量沉积机床的安全要求、性能要求和检验同时可以加快激光定向能量沉积相关标准的研究和制定，将进一步巩固我国在此项技术领域的领先地位。本标准具体解决的问题如下：本标准适用于增材制造行业，适用于所有以金属粉末为原材料采用激光定向能量沉积工艺的增材制造机床的制造技术要求及检验方法。本标准实现对激光定向能量沉积机床技术指标与检测要求的标准化、统一化，指导增材制造相关工程技术人员有效进行机床的选择和检测，规范增材制造定向能量沉积机床的性能要求，为增材制造定向能量沉积产品实现和工艺过程控制提供保障。本标准首次对增材制造激光定向能量沉积机床的安全、性能指标和检测方法进行规范性统一要求；能有效的保证增材制造行业的有序、良性发展，并为高端装备研发和生产制造提供技术标准基础。创新研发并首次提出了加工气氛环境控制技术要求、激光稳定性要求、送粉系统精度要求和在线监测系统要求，填补了相关技术空白；同时也为其他机床制造行业进行了相关技术的补充和参考。三、试验验证情况根据本标准所规范的术语和定义、检测方法及报告等，能够为国内增材制造领域生产、应用企业提供指导，试验对标准中的检测方法进行了验证，证明了规范的可行性。试验项目验证要求见表1。表1试验项目验证表技术指标技术要求检测方法安全防护机床加工区安全防护机床的防护运动部件应采取可靠的限位措施，各运动轴应设置可靠的电气、机械双重限位装置，防止造成滑落风险。目视功能检查沉积头安装装置应安全可靠，确保其不致脱落或在运动时不被甩出。目视功能检查机床加工区域内的电气设备应满足耐热、耐腐蚀及防爆等级的要求。目视功能检查机床加工区域应设有排风装置。目视功能检查需使用成形材料保护辅助气体（如氩气）时，应在机床说明书中提出排风、通风以及对灭火器类型的要求。目视功能检查机床应配备氧含量检测仪，在作业人员所处区域氧含量低于18%时，氧含量检测仪应自动报警。目视功能检查机床设计应考虑排放的烟雾及成形材料散落在空气中的颗粒物质对健康产生有害性的影响，并采取适当方法予以回收。目视功能检查一般要求机床应符合本文件的要求，并按规定程序批准的图样和技术文件制造。文件检查机床应具备自检功能，机床故障及异常状态的声光告警功能应可靠有效。目视功能检查机床监视仪表应显示清晰，开关、旋钮的操作应灵活可靠清晰。目视功能检查外观要求机床外观应整洁、表面不应有凹凸痕、刮伤、裂缝、毛刺、霉斑等缺陷目视外观检查机床表面涂层或镀层不应起泡、龟裂、脱落，同种颜色涂层不应有明显色差；目视外观检查机床标识说明功能的文字和图形符号的标志应清晰、端正、牢固，指示应正确目视外观检查机床金属零件不应有锈蚀及其他机械损伤；目视外观检查润滑油脂等灌注物不应外溢。目视外观检查机械运动系统线性轴行程有效工作行程均不应小于机床说明书的标称值采用分辨力不小于0.1mm的长度量具，分别检测沉积头在线性轴线方向的最大有效运行距离。工作台与X轴平行度0.03mm/1000mm采用平尺、指示器、量块或激光检测仪器进行检测工作台与Y轴平行度0.03mm/1000mm采用平尺、指示器、量块或激光检测仪器进行检测X轴和Y轴垂直度0.05mm/1000mm采用平尺、指示器、量块或激光检测仪器进行检测Z轴和X轴垂直度0.05mm/1000mm采用平尺、指示器、量块或激光检测仪器进行检测Z轴和Y轴垂直度0.05mm/1000mm采用平尺、指示器、量块或激光检测仪器进行检测线性轴X轴定位精度0.1mm/1000mmGB/T17421.2线性轴Y轴定位精度0.1mm/1000mmGB/T17421.2线性轴Z轴定位精度0.1mm/1000mmGB/T17421.2回转轴A轴定位精度50″GB/T17421.2回转轴B轴定位精度50″GB/T17421.2回转轴C轴定位精度30″GB/T17421.2X复定位精度0.08mm/1000mmGB/T17421.2Y复定位精度0.08mm/1000mmGB/T17421.2Z复定位精度0.08mm/1000mmGB/T17421.2A复定位精度20″GB/T17421.2B复定位精度20″GB/T17421.2C复定位精度15″GB/T17421.2机器人运动系统精度工业机器人运动系统精度应在机床说明书中进行明示GB/T12642系统润滑设备需配备供油系统目视检测供油系统，在机床运动时检查润滑介质已均匀覆盖在所有运动轴传动部件上气氛控制系统保压能力箱体内的相对压力值从大于1400Pa1200Pa，时间应大20min。在1个大气压的条件下控制机床所有仓门关闭，对气氛控制箱体进行充气，采用压力表检测箱体内相对压力大于1个大气压400Pa后停止充气，20min后检测箱体内相对压力应大于1个大气压200Pa。氧含量控制机床的相关技术文件应规定氧含量净化效率。在规定的时间要求内，使机床进入稳定工作状态，气体密封箱体内的氧含量在22℃1个大气压条件下质量浓度应小于66mg/m3（或体积浓度小于50ppm）。在规定的时间要求内，使机床进入稳定工作状态，采用氧含量分析仪对气体密封箱体内的氧含量进行检测。除尘能力机床应配备除尘过滤装置，过滤装置应具备滤网堵塞的检测能力。采用风速仪检查机床配备的除尘过滤装置的有效性，并在机床控制界面对滤网工作状态进行确认。激光系统激光功率稳定性机床配置的激光器工作过程中，激光功率波动率应小于3%。采用激光功率计检测激光功率。设置激光器出光功率为最大标称激光功率，检测通过沉积头的激光实际出光功率，作为初始出光功率值。不改变激光器设置，在机床出光不少于1min后，再次检测通过沉积头的激光实际出光功率，作为工作出光功率值。工作出光功率值与初始出光功率值的差值比例记为激光功率波动率V。沉积头冷却功能激光系统单元应具有稳定的水路冷却功能，激光器以额定功率工作时，沉积头冷却水进水温度和回水温度的温度差值应小于10℃。在额定工作条件下，测量沉积头冷却水的进水温度和回水温度，计算进水温度和回水温度的温度差值ΔT。送粉系统送粉误差量送粉精度误差量应小于5%。送粉控制模块选择连续送粉方式，通过沉积头将输送粉末汇集于烧杯中，采用电子天平测量第160s送粉量；连续送5min后再次采用电子天平测量第260s送粉量，计算送粉精度D。在线监测系统控制参数检测功能机床应具备控制参数检测功能，机床说明书中应对所有可检测的控制参数进行明示，在线监测系统应能显示和保存控制参数。采用目视检查方式，机床标称可检测的控制参数应显示于机床操作显示界面，采集的控制参数应能进行保存并形成电子文档。故障信号检测功能机床应具备故障信号检测功能，机床说明书中应对所有可检测的故障信号进行明示，在线监测系统应能显示和保存故障信号。采用目视检查方式，机床标称可检测的故障信号应显示于机床操作显示界面，采集的故障信号应能进行保存并形成电子文档。上述指标及要求的验证工作与本标准征求意见工作同步进行，由机械工业特种加工机床产品质量监督检测中心负责实施，检测结果将列入标准送审稿、报批稿等编制说明中。四、涉及专利问题的说明本标准不涉及有关专利等知识产权问题。本标准的发布机构不承担识别专利的责任。五、预期达到的社会效益、对产业发展的作用情况在充分分析国外先进标准的基础上，结合国内现有技术发展水平，建立激光定向能量沉积设备通用要求，并开展关键标准的研究与验证，形成完整的激光定向能量沉积设备通用的安全要求、技术指标、检测方法、并为增材制造技术的后续标准的进一步提升奠定基础。重点的社会效益、对产业发展的作用概述如下：为激光定向能量沉积机床提供商业便利，统一技术规范要求，能够促进该行业快速健康发展。有助于买卖双方对激光定向能量沉积机床机床产品的质量和性能要求进行了解