一种激光熔覆熔池温度控制系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及涉及一种激光熔覆熔池温度控制系统及方法，属于激光熔覆过程温度在线实时测控领域。该系统包括一种激光熔覆熔池温度在线实时闭环控制系统；基于NET6043‑S网络数据采集卡数字采样与RS‑485通讯模块从而实现对熔池温度的在线实时检测与控制的系统；选取激光功率作为控制变量并应用VC开发的熔池温度PID控制器；对薄壁墙激光熔覆熔池温度进行实际控制的系统；以及对薄壁墙成形件进行结果分析的系统。本发明专利技术可有效消除熔覆过程中的温度累积现象，成形件尺寸精度显著提高，为激光熔覆控形控性提供了新途径。

【技术实现步骤摘要】
一种激光熔覆熔池温度控制系统及方法
本专利技术涉及一种激光熔覆熔池温度控制系统及方法，属于激光熔覆过程温度在线实时测控领域。
技术介绍
激光熔覆技术是利用高能量高密度激光束射入金属基体形成熔池，实现金属基体与熔覆材料之间结合，形成具有耐磨、抗腐蚀等特性的熔覆层，在冶金、医疗、航空航天等领域得到广泛应用。在激光熔覆过程中，熔池温度变化会导致熔覆层形貌与性能不稳定，如何有效控制激光熔覆过程中熔池温度是激光熔覆控形控性的关键。因此，研究激光熔覆熔池温度的控制系统对于提高激光熔覆成形件形貌与性能稳定性具有重要工程意义。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出一种激光熔覆熔池温度控制系统及方法，开发一种激光熔覆熔池温度在线实时闭环控制系统，应用双色红外测温仪同轴定点快速测温，搭建基于NET6043-S网络数据采集卡数字采样与RS-485通讯模块，实现熔池温度实时监测与反馈。在此基础上，以激光功率为控制变量，应用VC(一种编程软件)开发熔池温度PID(比例-积分-微分控制器)控制器，以熔覆层单层每一采样点实时熔池温度作为反馈值，在线实时调节激光功率，实现熔池温度的闭环控制，从而提高熔覆层形貌与性能的稳定性。本专利技术开发的一种激光熔覆熔池温度控制系统，包括一种激光熔覆熔池温度在线实时闭环控制系统；基于NET6043-S网络数据采集卡数字采样与RS-485通讯模块从而实现对熔池温度的在线实时检测与控制的系统；选取激光功率作为控制变量并应用VC开发的熔池温度PID控制器；对薄壁墙激光熔覆熔池温度进行实际控制的系统；以及对薄壁墙成形件进行结果分析的系统。前述的激光熔覆熔池温度在线实时闭环控制系统硬件设备为YLR-1000光纤激光器，RC52激光熔覆头，MCWL-50DTR水冷机，VMC1100P立式加工中心，RC-PGF-D-2送粉器，PLC及激光器操作集成柜，RC-CAM快速成型软件，工控机，STRONG-GR-4020型双色红外测温仪，NET6043-S网络数据采集卡，RS-485通讯适配器。本专利技术的一种激光熔覆熔池温度控制方法，包括如下步骤：S1、开发一种激光熔覆熔池温度在线实时闭环控制系统；S2、搭建基于NET6043-S网络数据采集卡数字采样与RS-485通讯模块，实现对熔池温度的在线实时检测与控制；S3、选取激光功率作为控制变量，应用VC开发熔池温度PID控制器；S4、对薄壁墙激光熔覆熔池温度进行实际控制；S5、对薄壁墙成形件进行结果分析。优选的，所述的一种激光熔覆熔池温度在线实时闭环控制系统硬件设备包括YLR-1000光纤激光器，RC52激光熔覆头，MCWL-50DTR水冷机，VMC1100P立式加工中心，RC-PGF-D-2送粉器，PLC及激光器操作集成柜，RC-CAM快速成型软件，工控机，STRONG-GR-4020型双色红外测温仪，NET6043-S网络数据采集卡，RS-485通讯适配器。优选的，所述的步骤S2包括如下子步骤：具体的，所述的步骤S2中：S21、利用STRONG-GR-4020型双色红外测温仪测量熔池温度；具体的，所述的步骤S2中：S22、搭建基于NET6043-S网络数据采集卡数字采样与RS-485通讯模块，设定双色红外测温仪测量得到的熔池温度信息为0～5V的模拟量电压信号输入到NET6043-S网络数据采集卡中；具体的，所述的步骤S2中：S23、数据采集卡通过AD转换将温度值输入到PID实时控制器。电压与温度转换公式为：T1＝(V×T3)/5+T2式中，T1为当前显示温度，T2为模拟量输出起始值对应温度，T3为模拟量输出终点值对应温度与起始值对应温度之差；具体的，所述的步骤S2中：S24、控制器内部经控制算法输出信号再次传递给数据采集卡，经DA转换输出0～10V电压信号传递给激光器，整个系统可实时在线监测熔池温度，通过调节激光功率控制熔池温度。优选的，所述的步骤S3包括如下子步骤：具体的，所述的步骤S3中：S31、设计激光功率对熔池温度影响实验；具体的，所述的步骤S3中：S32、分析实验结果，选取激光功率作为控制变量；具体的，所述的步骤S3中：S33、应用VC开发熔池温度PID控制器。优选的，所述的步骤S5包括如下子步骤：具体的，所述的步骤S5中：S51、熔池温度分析；具体的，所述的步骤S5中：S52、薄壁墙成形尺寸精度分析；具体的，所述的步骤S5中：S53、显微组织分析；具体的，所述的步骤S5中：S54、硬度分析。优选的，所述的步骤S33包括如下子步骤：具体的，所述的步骤S33中：S331、设Tm为所要设定的熔池温度理想值，T为当前状态下所测量的熔覆过程中实际熔池温度。设n为激光熔覆过程中当前熔覆采样数，即在熔覆第n个点时，实际温度T与理想温度Tm之间的温差e(n)为：e(n)＝Tm-T(n)具体的，所述的步骤S33中：S332、在整个熔覆堆积材料过程中，通过每采样点修正数据采集卡输出数字电压转换成模拟电压进而修正激光功率，每采样点需要的数字电压变量Δu可以表达PID算法的差分方程：式中：Kp为比例增益，Ki为积分增益，Kd为微分增益；具体的，所述的步骤S33中：S333、两采样点之间的数字电压变化量为两功率之差：Δu＝u(n+1)-u(n)式中，n为当前采样点，n+1为下一采样点；具体的，所述的步骤S33中：S335、由前面公式可得，数字电压的PID控制算法表达式：具体的，所述的步骤S33中：S336、数据采集卡中DA输出值为0～4095，对应0～10V电压，0～1000W激光功率，因此输出模拟电压可表示为：具体的，所述的步骤S33中：S337、推出激光功率的PID控制算法表达式为：本专利技术的有益效果是：本专利技术开发一种激光熔覆熔池温度在线实时闭环控制系统，应用双色红外测温仪同轴定点快速测温，搭建基于NET6043-S网络数据采集卡数字采样与RS-485通讯模块，实现熔池温度实时监测与反馈。在此基础上，以激光功率为控制变量，应用VC开发熔池温度PID控制器，以熔覆层单层每一采样点实时熔池温度作为反馈值，在线实时调节激光功率，实现熔池温度的闭环控制，从而提高熔覆层形貌与性能的稳定性。研究激光熔覆熔池温度的控制系统对于提高激光熔覆成形件形貌与性能稳定性具有重要工程意义。附图说明图1为本专利技术的激光熔覆熔池温度控制系统图；图2为不同激光功率下熔池温度图；图3为本专利技术的熔池温度闭环控制系统流程图；图4为开环熔池温度数据图；图5为闭环熔池温度数据图；图6为开环薄壁墙图；图7为闭环薄壁墙图；图8为开环与闭环薄壁墙高度与期望高度关系图；图9(a)和9(b)为闭环薄壁墙不同区域微观组织图，其中图9(a)为底部，图9(b)为顶部；图10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光熔覆熔池温度控制系统，其特征在于，包括：/n一种激光熔覆熔池温度在线实时闭环控制系统；/n基于NET6043-S网络数据采集卡数字采样与RS-485通讯模块从而实现对熔池温度的在线实时检测与控制的系统；/n选取激光功率作为控制变量并应用VC开发的熔池温度PID控制器；/n对薄壁墙激光熔覆熔池温度进行实际控制的系统；以及/n对薄壁墙成形件进行结果分析的系统。/n

【技术特征摘要】
1.一种激光熔覆熔池温度控制系统，其特征在于，包括：
一种激光熔覆熔池温度在线实时闭环控制系统；
基于NET6043-S网络数据采集卡数字采样与RS-485通讯模块从而实现对熔池温度的在线实时检测与控制的系统；
选取激光功率作为控制变量并应用VC开发的熔池温度PID控制器；
对薄壁墙激光熔覆熔池温度进行实际控制的系统；以及
对薄壁墙成形件进行结果分析的系统。


2.如权利要求1所述的激光熔覆熔池温度控制系统，其特征在于，所述的激光熔覆熔池温度在线实时闭环控制系统硬件设备为YLR-1000光纤激光器，RC52激光熔覆头，MCWL-50DTR水冷机，VMC1100P立式加工中心，RC-PGF-D-2送粉器，PLC及激光器操作集成柜，RC-CAM快速成型软件，工控机，STRONG-GR-4020型双色红外测温仪，NET6043-S网络数据采集卡，RS-485通讯适配器。


3.如权利要求1所述的激光熔覆熔池温度控制系统，其特征在于，在基于NET6043-S网络数据采集卡数字采样与RS-485通讯模块从而实现对熔池温度的在线实时检测与控制的系统中，搭建基于NET6043-S网络数据采集卡数字采样与RS-485通讯模块，设定双色红外测温仪测量得到的熔池温度信息为0～5V的模拟量电压信号输入到NET6043-S网络数据采集卡中；
数据采集卡通过AD转换将温度值输入到PID实时控制器，电压与温度转换公式为：
T1＝(V×T3)/5+T2
式中，T1为当前显示温度，T2为模拟量输出起始值对应温度，T3为模拟量输出终点值对应温度与起始值对应温度之差；
控制器内部经控制算法输出信号再次传递给数据采集卡，经DA转换输出0～10V电压信号传递给激光器，整个系统可实时在线监测熔池温度，通过调节激光功率控制熔池温度。


4.如权利要求1所述的激光熔覆熔池温度控制系统，其特征在于，在选取激光功率作为控制变量并应用VC开发的熔池温度PID控制器中，设Tm为所要设定的熔池温度理想值，T为当前状态下所测量的熔覆过程中实际熔池温度，设n为激光熔覆过程中当前熔覆采样数，即在熔覆第n个点时，实际温度T与理想温度Tm之间的温差e(n)为：
e(n)＝Tm-T(n)
在整个熔覆堆积材料过程中，通过每采样点修正数据采集卡输出数字电压转换成模拟电压进而修正激光功率，每采样点需要的数字电压变量Δu可以表达PID算法的差分方程：



式中：Kp为比例增益，Ki为积分增益，Kd为微分增益；
两采样点之间的数字电压变化量为两功率之差：
Δu＝u(n+1)-u(n)
式中，n为当前采样点，n+1为下一采样点；
由前面公式可得，数字电压的PID控制算法表达式：



数据采集卡中DA输出值为0～4095，对应0～10V电压，0～1000W激光功率，因此输出模拟电压可表示为：



推出激光功率的PID控制算法表达式为：





5.一种激光熔覆熔池温度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、开发一种激光熔覆熔池温度在线实时闭环控制系统；
S2、搭建基于NET6043-S网络数据采集卡数字采样与RS-485通讯模块，实现对熔池温度的在线实时检测与控制；
S3、选...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜兴宇，张超，杨国哲，刘伟军，王子生，陈克强，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21