CN106843321B - 温度控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种温度控制系统及方法，该发明用于增材制造或焊接技术中对工件的加热，包括可安装工件并呈蜂窝状的支架，安装于支架上的多个加热单元和多个可采集工件温度的测温器，其中，加热单元呈阵列式设置于支架上，测温器旁设于加热单元的侧边；每个加热单元外连有可调节加热单元中加热功率的上位机，上位机连接测温器，以收集测温器采集的温度信号。该发明通过实时采集工件局部的具体温度而适应性地进行温度补偿，实现了工件各部位温度的实时控制。

Description

温度控制系统及方法
技术领域
本发明涉及金属增材制造及焊接工艺，尤其涉及增材制造及焊接工艺中工件的温度控制。
背景技术
在进行金属焊接加工或增材制造时，工件内部会产生不均匀热应力，导致工件变形或开裂。为了减小应力，通常采取对工件进行焊前预热及焊后缓冷工艺，以避免过大的温度梯度。目前，现有的一些工装本身具有加热和保温功能，在粉末床增材制造中，粉末床的底板通常也具有加热功能。但是，这些加热装置通常对工件底面各部位整体均匀加热，工件焊接或增材时，各部位温度差异很大，温度梯度也不相同。
中国发明专利CN 105666866 A中公开了一种选择性区域温度控制构建板，该发明具体公开了以下内容：构建板包括：多个单元，每个单元具有接触板和温度控制模块；所述接触板形成所述构建板的上表面的至少一部分，在所述至少一部分上制造有制品。控制器与所述温度控制模块通信且控制相应的温度控制模块的温度。所述多个单元允许在所述构建板的上表面的选择性的温度控制，允许所述制品的部分被选择地冷却或加热。
上述选择性区域温度控制构建板，虽然可选择性的对工件进行加热或冷却，但是其具有一定的局限性：一是，通过接触板方式加热温度低，对一些需要高温退火的材料无法有效减小温度梯度，实现降低应力的效果；二是，温度测量是间接式，采集的是加热单元的加热温度，而非工件本体的温度，无法实时反应工件的真实温度状况；三是，加热单元采用均匀功率加热一方面造成能源浪费，另外有可能导致工件局部温度过高，组织异常长大。因此，上述方法不能以较小热量实现工件内部各部位温度与应力的平衡。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种温度控制系统及方法，该发明通过实时采集工件局部的具体温度而适应性地进行温度补偿，实现了工件内部各部位温度与应力的平衡。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种温度控制系统，用于金属增材制造或焊接技术中工件的加热，包括可安装工件并呈蜂窝状的支架，安装于支架上的多个加热单元和多个可采集工件温度的测温器，其中，加热单元呈阵列式设置于支架上，测温器旁设于加热单元的侧边；每个加热单元外连有可调节加热单元中加热功率的上位机，上位机连接测温器，以收集测温器采集的温度信号。
作为本发明的进一步优化，加热单元的底部嵌入至支架内，加热单元内设有可为工件加热的加热体，加热体的顶部设置有可与安装后工件底面相贴合的云母板，加热体的底部填充有可防止热量散失的隔热保温棉，隔热保温棉的中部设置有可带动加热体上下浮动的碟簧，碟簧的底部设置有可限定碟簧下限位的弹簧卡；工件置于加热单元的云母板上，在碟簧的作用下，工件的底部与云母板相贴合。
作为本发明的进一步优化，加热体为电阻加热体、红外加热体、电磁感应加热体。
作为本发明的进一步优化，测温器为螺钉式温度传感器。
作为本发明的进一步优化，螺钉式传感器的底部设置有弹簧，以带动螺钉式传感器在支架内上下浮动。
作为本发明的进一步优化，测温器为设置于支架内或设置于工件上方进行非接触式测量的红外测温仪或红外CCD相机的其中一种。
作为本发明的进一步优化，支架上设置有可连接加热单元和测温器的电连接器。
一种温度控制方法，使用上述任一种温度控制系统，包括以下步骤：
S0：安装工件于支架上，工件的底部贴合于加热单元上；
S1：根据工件的大小以及安装位置，启动对应于工件区域的温度控制系统；
S2：根据工件的大小及材质设定温度调节目标，启动加热单元为工件加热；
S3：上位机实时采集位于工件区域内各测温器的温度信号，上位机根据采集的温度信号、工件的大小与材质选择内设于上位机的温度补偿方式，并输出控制信号，根据控制信号分别控制相应位置的加热单元自动调节加热功率，以实现选择性加热工件。
作为本发明的进一步优化，在步骤S3中，上位机内设的温度补偿方式包括：通过低温补偿实现均温、对称平衡加热温度补偿和/或主动设计温度场的方式。
作为本发明的进一步优化，低温补偿实现均温的方式为：上位机通过分析采集的温度信号，确定工件上各区域的温度，并计算平均温度，根据计算出的平均温度，上位机控制高于平均温度的工件区域内的加热单元关闭，并启动低于平均温度的工件区域内的加热单元；对称平衡加热温度补偿方式为：上位机通过分析采集的温度信号，确定工件上各区域的温度，根据分析结果，确定高温区和低温区；上位机控制低温区内的加热单元加热，以形成新的高温区，与原有高温区形成结构对称，以平衡不均匀冷却造成的局部应力失衡；主动设计温度场的方式为：上位机根据工件的结构特征及材料特性，分析工件的温度场和变形，根据分析结果设计温度场，并控制相应的加热单元的加热功率，以适应工件加热过程的温度变化。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
1、本发明的温度控制系统及方法，其通过加热单元与温度测温器的阵列式设计，并且对各加热单元独立控制，可实时采集工件局部的具体温度而适应性地进行温度补偿，实现了工件内部各部位温度与应力的平衡；
2、本发明的温度控制系统及方法，可根据工件的大小选择加热范围，还可以通过SPWM脉宽调制方式调整单个加热单元的功率，同时系统的加热单元浮动的安装于支架上，保证了加热单元与工件基板的贴合度，能够充分利用热的传导、辐射特性，减少热量的散失；
3、本发明的温度控制系统及方法，采用螺钉式温度传感器，保证了温度传感器与工件接触良好，能直接测量工件的温度，更能真实反映加工过程温度控制点的状态；
4、本发明的温度控制系统及方法，其调温范围较广，加热单元采用SPWM方式控制，可实现加热单元加热功率和温度的无级调节，可以从几十摄氏度连续调节到800摄氏度；并能通过系统的数字化温度PID运算实现温度的恒温控制；
5、本发明的温度控制系统，可根据增材或焊接设备的实际需求情况将多个加热单元进行组合，实现大结构工件加工的需要，扩展性较好；
6、本发明的温度控制系统，其加热单元、测温器均嵌入在支架中，每个部件均可独立拆装，维护更方便；
7、本发明的温度控制方法，其可实现低温补偿、对称平衡加热温度补偿、主动设计温度场三种温度补偿方式，每种补偿方式均可自动运行，更具智能化。
附图说明
图1为本发明安装有工件的温度控制系统的主视图；
图2为本发明未安装工件的温度控制系统的主视图；
图3为图2的右视图；
图4为图2中A-A的剖视图；
图5为加热单元的结构示意图；
图6为测温器的结构示意图；
图7为温度控制方法的流程框图。
以上各图中：1、支架；11、安装孔；2、加热单元；21、云母板；22、保温棉；23、碟簧；24、弹簧卡；25、接线端子；3、测温器；31、螺钉式温度传感器；32、弹簧；4、工件；5、电连接器。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
在本发明的描述中，需要说明的是，温度控制系统的底部为安装后的近地面位置；顶部是指与底部相对的方位，本发明中对于位置的限定仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参见图1-图4，本发明的温度控制系统，用于金属增材制造或焊接技术中工件的加热，包括可安装工件并呈蜂窝状的支架1，安装于支架1上的多个加热单元2和多个可采集工件温度的测温器3，其中，加热单元2呈阵列式设置于支架1上，测温器3旁设于加热单元2的侧边；每个加热单元2外连有可调节加热单元2加热功率的上位机，上位机连接测温器3，以收集测温器3采集的温度信号。同时，支架1上设置有可连接加热单元2和测温器3的电连接器5，加热单元2和测温器3分别通过导线连接电连接器5，电连接器5连接上位机，则可进行数据传输及控制。同时，支架1上还设置有用于安装工件的安装孔11，该安装孔11为光孔或螺纹孔，安装孔11布设于每个加热单元2的侧部，这样，工件即可根据其自身大小选择不同的安装孔进行安装，适应范围广。
本发明中对加热单元的设置为阵列式，图1中显示的为方形阵列，但是事实上，该阵列布局不局限与方形，也可为圆形等其他形状，只要其满足多个加热单元间隔设置即可。当安装工件于支架上时，工件不同的区域则对应不同的加热单元，而每个加热单元均连接于上位机，上位机对其为单独控制，则可根据测温器反馈的温度信号，对不同位置处的工件按照需求加热，适应性地对工件进行温度补偿，实现了工件内部各部位温度与应力的平衡。
进一步结合图5，加热单元2的底部嵌入至支架1内，加热单元2内设有可为工件加热的加热体，加热体的顶部设置有可与安装后工件底面相贴合的云母板21，加热体的底部填充有可防止热量散失的隔热保温棉22，隔热保温棉22的中部设置有可带动加热体上下浮动的碟簧23，碟簧23的底部设置有可限定碟簧23下限位的弹簧卡24；工件置于加热单元2的云母板21上，在碟簧23的弹性力作用下，工件的底部与云母板相贴合。通过在加热单元的底部设置碟簧，可使加热单元在支架内上下浮动，根据不同的工件，可在碟簧弹性力的作用下适度调节，直至加热单元与工件底部贴合，实现了加热单元对工件的直接加热，充分的利用了热的传导、辐射特性，减少了热量的散失。
上述加热体包括不限于于下述几种：电阻加热体、红外加热体或电磁感应加热体。
作为一种优选的实施例，参见图6，是螺钉式温度传感器的结构示意图。如图6所示，上述测温器3为螺钉式温度传感器31，螺钉式传感器31的底部设置有弹簧32，以带动螺钉式传感器31在支架1内上下浮动。采用浮动式的螺钉式温度传感器，保证了温度传感器与工件基板的接触良好，并能直接测量工件的温度，更能真实反映加工过程温度控制点的状态。
另外，作为其他选择实施例，上述测温器3可为设置于支架1内或设置于工件上方进行非接触式测量的红外测温仪或红外CCD相机的其中一种，当测温器3置于工件上方时，对工件温度进行直接非接触式测量。
另外，对于本领域内公知的设计或结构，在本发明中不详细阐述，具体如：在测温器与上位机之间设置可将测温器信号转化为数字信号的变送器，以及在上位机与加热单元之间设置可控制加热单元开关的继电器。
参见图7，是本发明温度控制方法的框图流程图。结合图7，本发明的温度控制方法，使用上述温度控制系统，包括以下步骤：
S0：安装工件于支架上，工件的底部贴合于加热单元上；
S1：根据工件的大小以及安装位置，启动对应于工件区域的温度控制系统；
S2：根据工件的大小及材质设定温度调节目标，启动加热单元为工件加热；
S3：上位机实时采集位于工件区域内各测温器的温度信号，上位机根据采集的温度信号、工件的大小与材质选择内设于上位机的温度补偿方式，并输出控制信号，根据控制信号分别控制相应位置的加热单元自动调节功率，以实现选择性加热工件。
上位机在实时采集测温器的温度信号时，通过中间设置的变送器将测温器的温度信号转化为上位机可识别的控制信号，而上位机在控制相应加热单元的开关时，则通过控制继电器进一步控制加热单元。
另外，在上述步骤S3中，上位机内设的温度补偿方式包括：通过低温补偿实现均温、对称平衡加热温度补偿和/或主动设计温度场的方式。
具体阐述，上述低温补偿实现均温的方式为：上位机通过分析采集的温度信号，确定工件上各区域的温度，并计算平均温度，根据计算出的平均温度，上位机控制高于平均温度的工件区域内的加热单元关闭，并启动低于平均温度的工件区域内的加热单元；
上述对称平衡加热温度补偿方式为：上位机通过分析采集的温度信号，确定工件上各区域的温度，根据分析结果，确定高温区和低温区；上位机控制低温区内的加热单元加热，以形成新的高温区，与原有高温区形成结构对称，以平衡不均匀冷却造成的局部应力失衡；
上述主动设计温度场的方式为：上位机根据工件的结构特征及材料特性，分析工件的温度场和变形，根据分析结果设计温度场，并控制相应的加热单元的加热频率，以适应工件加热或焊接过程的温度变化。
通过本发明的温度控制方法，因其通过上位机输出的SPWM控制信号直接控制加热单元中加热体的加热功率，实现了加热体加热功率和温度的无级调节，可以控制加热体从几十摄氏度连续调节到800摄氏度，调节范围较广；并能通过系统的数字化温度PID运算实现温度的恒温控制。

Claims (11)

1.一种温度控制系统，用于金属增材制造或焊接技术中对工件的加热，其特征在于：包括可安装工件并呈蜂窝状的支架(1)，安装于支架(1)上的多个加热单元(2)和多个可采集工件温度的测温器(3)，其中，加热单元(2)呈阵列式设置于支架(1)上，测温器(3)旁设于加热单元(2)的侧边；每个加热单元(2)外连有可调节加热单元(2)中加热功率的上位机，上位机连接测温器(3)，以收集测温器(3)采集的温度信号；支架(1)上还设置有用于安装工件的安装孔(11)，安装孔(11)布设于每个加热单元(2)的侧部；加热单元(2)的底部嵌入至支架(1)内，加热单元(2)内设有可为工件加热的加热体，加热体的顶部设置有可与安装后工件底面相贴合的云母板(21)，加热体的底部填充有可防止热量散失的隔热保温棉(22)，隔热保温棉(22)的中部设置有可带动加热体上下浮动的碟簧(23)，碟簧(23)的底部设置有可限定碟簧(23)下限位的弹簧卡(24)；工件置于加热单元的云母板上，在碟簧的作用下，工件的底部与云母板相贴合。
2.根据权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于：加热体为电阻加热体、红外加热体或电磁感应加热体。
3.根据权利要求1或2所述的温度控制系统，其特征在于：测温器(3)为螺钉式温度传感器(31)。
4.根据权利要求3所述的温度控制系统，其特征在于：螺钉式温度传感器(31)的底部设置有弹簧(32)，以带动螺钉式温度传感器(31)在支架(1)内上下浮动。
5.根据权利要求1或2所述的温度控制系统，其特征在于：测温器(3)为设置于支架(1)内进行非接触式测量的红外测温仪或红外CCD相机的其中一种。
6.根据权利要求1、2或4中所述的温度控制系统，其特征在于：支架(1)上设置有可连接加热单元(2)和测温器(3)的电连接器(5)。
7.根据权利要求3所述的温度控制系统，其特征在于：支架(1)上设置有可连接加热单元(2)和测温器(3)的电连接器(5)。
8.根据权利要求5所述的温度控制系统，其特征在于：支架(1)上设置有可连接加热单元(2)和测温器(3)的电连接器(5)。
9.一种温度控制方法，使用权利要求1-8中任一种温度控制系统，其特征在于，包括以下步骤：
S0：安装工件于支架上，工件的底部贴合于加热单元上；
S1：根据工件的大小以及安装位置，启动对应于工件区域的温度控制系统；
S2：根据工件的大小及材质设定温度调节目标，启动加热单元为工件加热；
S3：上位机实时采集位于工件区域内各测温器的温度信号，上位机根据采集的温度信号、工件的大小与材质选择内设于上位机的温度补偿方式，并输出控制信号，根据控制信号分别控制相应位置的加热单元自动调节加热功率，以实现选择性加热工件。
10.根据权利要求9所述的温度控制方法，其特征在于：在步骤S3中，上位机内设的温度补偿方式包括：通过低温补偿实现均温、对称平衡加热温度补偿和/或主动设计温度场的方式。
11.根据权利要求10所述的温度控制方法，其特征在于，低温补偿实现均温的方式为：上位机通过分析采集的温度信号，确定工件上各区域的温度，并计算平均温度，根据计算出的平均温度，上位机控制高于平均温度的工件区域内的加热单元关闭，并启动低于平均温度的工件区域内的加热单元；
对称平衡加热温度补偿方式为：上位机通过分析采集的温度信号，确定工件上各区域的温度，根据分析结果，确定高温区和低温区；上位机控制低温区内的加热单元加热，以形成新的高温区，与原有高温区形成结构对称，以平衡不均匀冷却造成的局部应力失衡；
主动设计温度场的方式为：上位机根据工件的结构特征及材料特性，分析工件加工过程的温度场和变形，根据分析结果设计动态温度场，并控制相应的加热单元的加热功率，以适应工件加热过程的温度变化。
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GR01 Patent grant
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