[发明专利]一种激光熔覆熔池温度控制系统及方法

权利要求书

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，应用双色红外测温仪同轴定点快速测温，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；

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，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；

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，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T_m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T_m之间的温差e(n)为：

e(n)＝T_m-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：K_p为比例增益，K_i为积分增益，K_d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：

对薄壁墙激光熔覆熔池温度进行实际控制的系统，在对薄壁墙激光熔覆熔池温度进行实际控制的系统中，设计薄壁墙熔覆实验，薄壁墙长度为50mm，层数为30层，Z轴抬升量为0.65mm，成形材料为304铁基自融性合金粉末，粒度为200目，其成分如表1所示，采用基板材料为45钢板基板，尺寸大小为200mm×200mm×10mm，

表1 304铁基自融性合金粉末成分(wt％)

实验前，将金属粉末放置粉末烘干机内进行烘干，烘干时长为3h，温度为150℃，烘干后用筛子对粉末进行过滤，防止粉末潮湿和混有大颗粒粉末导致送粉管堵塞，为验证熔池温度控制系统有效性，设计两组薄壁墙熔覆实验，实验1为没有加入熔池温度控制的开环薄壁墙实验，选取经正交试验优化后的工艺参数：激光功率450W，扫描速度480mm/min，送粉速率13g/min为实验工艺参数，实验2为加入熔池温度控制的闭环薄壁墙实验，除激光功率外，其余参数与实验1参数保持一致，设定理想温度1450℃，实验工艺参数如表2所示，

表2薄壁墙对比实验工艺参数

；

以及

对薄壁墙成形件进行结果分析的系统，在对薄壁墙成形件进行结果分析的系统中，进行熔池温度分析、薄壁墙成形尺寸精度分析、显微组织分析和硬度分析。

2.一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，应用双色红外测温仪同轴定点快速测温，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；

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，步骤S2包括如下子步骤：

S21、利用STRONG-GR-4020型双色红外测温仪测量熔池温度；

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；

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；

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；

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，步骤S3包括如下子步骤：

S31、设计激光功率对熔池温度影响实验；

S32、分析实验结果，选取激光功率作为控制变量；

S33、应用VC开发熔池温度PID控制器，步骤S33包括如下子步骤：

S331、设T_m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T_m之间的温差e(n)为：

e(n)＝T_m-T(n)

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：K_p为比例增益，K_i为积分增益，K_d为微分增益；

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；

S334 、由前面公式可得，数字电压的PID控制算法表达式：

S335 、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：

S336 、推出激光功率的PID控制算法表达式为：

S4、对薄壁墙激光熔覆熔池温度进行实际控制，在步骤S4中，设计薄壁墙熔覆实验，薄壁墙长度为50mm，层数为30层，Z轴抬升量为0.65mm，成形材料为304铁基自融性合金粉末，粒度为200目，其成分如表1所示，采用基板材料为45钢板基板，尺寸大小为200mm×200mm×10mm，

表1 304铁基自融性合金粉末成分(wt％)

实验前，将金属粉末放置粉末烘干机内进行烘干，烘干时长为3h，温度为150℃，烘干后用筛子对粉末进行过滤，防止粉末潮湿和混有大颗粒粉末导致送粉管堵塞，为验证熔池温度控制系统有效性，设计两组薄壁墙熔覆实验，实验1为没有加入熔池温度控制的开环薄壁墙实验，选取经正交试验优化后的工艺参数：激光功率450W，扫描速度480mm/min，送粉速率13g/min为实验工艺参数，实验2为加入熔池温度控制的闭环薄壁墙实验，除激光功率外，其余参数与实验1参数保持一致，设定理想温度1450℃，实验工艺参数如表2所示，

表2薄壁墙对比实验工艺参数

S5、对薄壁墙成形件进行结果分析，步骤S5包括如下子步骤：

S51、熔池温度分析；

S52、薄壁墙成形尺寸精度分析；

S53、显微组织分析；

S54、硬度分析。