CN109234513B - 一种钢轨激光热处理的过程控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光加工技术领域，并具体公开了一种钢轨激光热处理的过程控制方法，包括以下步骤：将激光热处理加工过程分割为若干段加工周期并确定出迭代周期；生成期望温度轨迹序列；激光器按照功率序列中对应的功率值输出对钢轨进行激光热处理；采集钢轨表面光斑区域内的辐射信号得到温度序列；比较期望温度轨迹序列和温度序列得到温度误差序列；计算温度误差序列的方差，将其与预设的方差阈值进行比较，根据比较结果计算出下一迭代周期的功率序列；判断热处理是否完成，若是，则结束；若否，重复步骤之前的步骤完成下一迭代周期的热处理，直至热处理结束。本发明可实现钢轨表面激光加工区域温度的实时控制，提高了加工质量，简单易行。

Description

一种钢轨激光热处理的过程控制方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，更具体地，涉及一种钢轨激光热处理的过程控制方法。

背景技术

激光热处理是以高能量激光束快速扫描工件，使被照射的金属或合金表面温度以极快速度升高到相变点以上，激光束离开被照射部位时，由于热传导作用，处于冷态的基体使其迅速冷却而进行自冷淬火，得到较细小的硬化层组织，硬度一般高于常规淬火硬度。在此过程中，工件表面的相变程度取决于其表面温度，温度过低则无法达到热处理硬化效果，温度过高则有可能破坏工件表层金相组织，因此，若将温度控制在相变温度范围内就可以保证激光热处理的加工质量。

目前，加工过程检测方法通常为在激光束停止扫描后，随时用肉眼或低倍放大镜观察激光淬火带表面状态，宏观判断淬火带表面质量，加工完成后微观分析应取淬火带横截面为观察面，用金相显微镜在放大100倍下检测淬火硬化层深度。上述方法无法在加工过程中准确反映钢轨热处理的状态，难以做到对加工状态的实时检测以及控制。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种钢轨激光热处理的过程控制方法，其可实现激光器输出功率的控制，进而实现钢轨表面激光加工区域温度的实时控制，以使钢轨表面光斑区域内的温度轨迹达到期望的轨迹，提高了加工质量，简单易行。

为实现上述目的，本发明提出了一种钢轨激光热处理的过程控制方法，该方法包括以下步骤：

1)将激光热处理加工过程分割为若干段加工周期，并根据分割出的加工周期确定出迭代周期；

2)根据热处理的工艺要求得到钢轨加工区域期望达到的温度轨迹，并生成期望温度轨迹序列；

3)控制器读取当前迭代周期的功率序列u_k[]，使激光器在当前迭代周期内按照功率序列u_k[]中对应的功率值输出以对钢轨进行激光热处理；

4)采集激光热处理过程中钢轨表面光斑区域内的辐射信号，并转化为温度信号，以得到当前迭代周期内的温度序列；

5)比较步骤2)中得到的期望温度轨迹序列和步骤4)中得到的当前迭代周期内的温度序列，得到当前迭代周期内的温度误差序列e_k[]；

6)计算当前温度误差序列的方差S_k，将其与预设的方差阈值S进行比较，若S_k≤S，则下一迭代周期激光器以当前功率序列u_k[]输出，即u_k+1[]＝u_k[]；若S_k＞S，则根据当前迭代周期内的温度误差序列e_k[]和功率序列u_k[]计算出下一迭代周期的功率序列u_k+1[]；

7)判断热处理是否完成，若是，则结束；若否，重复步骤3)-6)完成下一迭代周期的热处理，直至热处理结束。

本发明通过当前迭代周期内的温度误差序列和激光器功率序列，计算得出下一个迭代周期的功率序列，从而控制激光器的输出，使钢轨表面光斑区域内的温度轨迹达到控制系统的期望轨迹。本发明通过对钢轨表面激光加工区域的温度的实时控制，使得钢轨表面热处理区域内的材料可达到相变要求的温度范围内，提高了加工质量，简单易行。

作为进一步优选的，步骤1)中，根据钢轨热处理工艺过程中光斑间断线式的运动轨迹将激光热处理加工过程分割为若干段加工周期。

作为进一步优选的，钢轨热处理工艺过程中光斑间断线式的运动轨迹具体为：矩形光斑在钢轨表面沿着钢轨的长度方向匀速运动并进行间断扫描，以此分割出的加工周期为激光器开启的时刻至下一次开启时刻的时间段，迭代周期为一个加工周期内激光器开启至关闭的时间段。

作为进一步优选的，步骤2)中，温度轨迹为温度时间曲线，其由光斑运动过程中各个时刻钢轨表面光斑区域内的温度值组成。

作为进一步优选的，步骤3)中，采用PID控制器对第一个加工周期中激光器的功率进行控制，并记录各时刻对应的功率值得到第一个迭代周期的功率序列u₁[]。

作为进一步优选的，步骤4)中，温度序列具体采用如下方式得到：当进入一个迭代周期时，控制器按预设的采样周期T对温度信号进行采样，迭代周期结束后停止采样，随后按照时间先后顺序排列迭代周期内采集的温度值以生成温度序列。

作为进一步优选的，7.如权利要求1所述的钢轨激光热处理的过程控制方法，其特征在于，步骤5)中当前迭代周期内的温度误差序列e_k[]中的各项采用如下公式计算：

e_k[i]＝TEMP_D[i]-TEMP_k[i]

式中，e_k[i]为第k次迭代周期误差序列e_k[]的第i项，TEMP_D[i]为期望温度轨迹序列TEMP_D[]的第i项，TEMP_k[i]为第k次迭代周期温度序列TEMP_k[]的第i项。

作为进一步优选的，步骤6)中，根据当前迭代周期内的温度误差序列e_k[]和功率序列u_k[]计算出下一迭代周期的功率序列u_k+1[]具体为：依次提取温度误差序列e_k[]和激光器输出功率序列u_k[]中的对应项，代入PD型学习律中计算出下一迭代周期功率序列u_k+1[]中的各项，以此得到下一迭代周期的功率序列u_k+1[]。

作为进一步优选的，步骤4)中采用红外高温计采集激光热处理过程中钢轨表面光斑区域内的温度信号。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过工件表面加工区域内的温度控制达到了对钢轨表面加工状态进行实时监控、实时控制的效果，简单易行、准确可靠。

2.针对钢轨激光强化的工艺过程，本发明可通过调节激光器的功率来控制加工区域温度，使得加工时加工区域的材料温度处于相变温度范围内，计算得出的功率参数更加可靠，加工出来的工件有更高的合格率。

3.本发明采用红外测温方法实现非接触式温度测量，实现了在不中断加工过程的情况下进行准确的温度检测。

附图说明

图1是加工周期及迭代周期的示意图；

图2是钢轨激光热处理的过程控制方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图2是钢轨激光热处理的过程控制方法的流程图，如图2所示，该方法包括以下步骤：

1)将激光热处理加工过程分割为若干段加工周期，并根据分割出的加工周期确定出迭代周期T_D；具体的，根据钢轨热处理工艺过程中光斑间断线式的运动轨迹将整个激光热处理加工过程分割为若干段加工周期，如图1所示，钢轨激光加工过程为：矩形光斑在钢轨表面沿着钢轨的长度方向匀速运动，并按照某一时间规律间断扫描，从此过程中分离出的加工周期为：激光器开启的时刻至下一次开启时刻的时间段，控制系统的迭代周期T_D为：一个加工周期内激光器开启至关闭的时间段；

2)根据热处理的工艺要求得到钢轨加工区域期望达到的温度轨迹，并生成期望温度轨迹序列TEMP_D[]；具体的，温度轨迹由光斑运动过程中，各个时刻钢轨表面光斑区域内的温度值组成，表现为一个温度时间曲线，理想的温度轨迹是一段阶跃信号，信号幅值为工艺过程所要求的钢轨表面加工区域内的温度，具体可根据实际需要限定，具体的，控制系统以T为采样周期对温度轨迹上的温度进行采样，并将采样获得的温度值按时间先后顺序排列得到期望温度序列TEMP_D[]，例如温度轨迹上t时刻对应的温度为T₁，t+T时刻对应的温度为T₂，……，t+nT时刻对应的温度为T_n+1，则期望温度序列TEMP_D[]中对应的温度数组为T₁、T₂、……、T_n+1，即从温度轨迹上每隔一个采样周期T获取一对应时刻的温度，也即数组变量TEMP_D[]中各项的时间间隔为采样周期T，该期望温度序列TEMP_D[]作为热处理过程中各迭代周期的温度判断条件，即各迭代周期的温度均以期望温度序列TEMP_D[]中的温度为基准进行调节；

3)控制器读取当前迭代周期的功率序列u_k[](k为1、2、3……，其最大值由迭代周期数决定)，使激光器在当前迭代周期内按照功率序列u_k[]中对应的功率值输出以对钢轨进行激光热处理，以此完成一个迭代周期内的钢轨热处理，其中当前迭代周期功率序列u_k[]等于前一迭代周期的功率序列u_k-1[]或由前一迭代周期的功率序列u_k-1[]迭代获得；为了得到第一迭代周期的功率序列u₁[]，采用PID控制器进行第一个加工周期激光器功率的输入控制，并记录下各时刻的功率值得到u₁[]；

具体的，第一迭代周期的功率序列u₁[]采用下式计算得到：

式中，K_P为比例系数，e₁[i]为第一个误差序列的第i项，T为采样周期，T_i为积分时间常数，T∑e₁[j]为误差积分项，T_d为微分时间常数，(e₁[i]-e₁[i-1])/T为误差微分项；

其中，e₁[i]采用下式计算：

e₁[i]＝TEMP_D[i]-TEMP₁[i]

式中，TEMP_D[i]为期望温度轨迹序列TEMP_D[]的第i项，TEMP₁[i]为第1次迭代周期温度序列TEMP₁[]的第i项；

4)采集激光热处理过程中当前迭代周期内钢轨表面光斑区域内的辐射信号，并转化为温度信号，以得到当前迭代周期内的温度序列TEMP_k[]；具体的，用高温计接收激光热处理过程中钢轨表面光斑区域内的辐射信号，并转化为该区域内的温度信号传送给控制器，控制器对温度信号进行采样，并排列得到迭代周期内的温度序列TEMP_k[]；优选的，温度序列采用如下方式得到：当进入当前迭代周期时，控制器开始对接收到的温度信号以采样周期T进行采样，当前迭代周期结束后停止采样，随后将采样获得的温度值按时间先后顺序排列存放在数组变量TEMP_k[]中，数组变量TEMP_k[]中各项的时间间隔为采样周期T；

5)比较步骤2)中得到的期望温度轨迹序列TEMP_D[]和步骤4)中得到的当前迭代周期内的温度序列TEMP_k[]，得到当前迭代周期内的温度误差序列e_k[]，即利用期望温度轨迹序列TEMP_D[]和当前迭代周期内的温度序列TEMP_k[]中对应各项进行运算得到温度误差序列e_k[]中的各项，以此得到当前迭代周期内的温度误差序列e_k[]，如下式所示：

e_k[i]＝TEMP_D[i]-TEMP_k[i]

式中，e_k[i]为第k次迭代周期误差序列e_k[]的第i项，TEMP_D[i]为期望温度轨迹序列TEMP_D[]的第i项，TEMP_k[i]为第k次迭代周期温度序列TEMP_k[]的第i项；

6)计算当前温度误差序列的方差S_k，将其与预设的方差阈值S进行比较，若S_k≤S，则下一迭代周期激光器以当前功率序列u_k[]输出，即u_k+1[]＝u_k[]；若S_k＞S，则根据当前迭代周期内的温度误差序列e_k[]和功率序列u_k[]计算出下一迭代周期的功率序列u_k+1[]；

具体的，根据当前迭代周期内的温度误差序列e_k[]和功率序列u_k[]计算出下一迭代周期的功率序列u_k+1[]具体为：依次提取温度误差序列e_k[]和激光器输出功率序列u_k[]中的各项，代入PD型学习律计算出下一迭代周期功率序列u_k+1[]中的各项，并将各项功率值依次排列存放在数组变量u_k+1[]中，如下式所示：

式中，u_k+1[i]为第k+1次迭代周期功率序列u_k+1[]的第i项，u_k[i]为第k次迭代周期功率序列u_k[]的第i项，L为比例增益矩阵，e_k[i]为第k次迭代周期误差序列e_k[]的第i项，Γ[i]为微分增益序列的第i项，为第k次迭代周期的误差微分序列的第i项；

式中，e_k[i-1]为第k次迭代中误差序列e_k[]的第i-1项，T为采样周期；

具体的，方差S_k采用下式计算：

式中，n为序列总项数；预设的方差阈值S根据实际需要进行设定；

7)通过步骤3)-6)完成了一次迭代周期的热处理，然后判断热处理是否完成，即激光器是否移动到了加工结束的位置，若是，则结束；若否，重复步骤3)-6)完成下一迭代周期的热处理，直至热处理结束。

本发明通过红外高温计非接触式测温，在不中断加工过程的条件下，实时测量钢轨表面加工区域温度，随后通过调节激光器的功率来控制测量区域温度，控制热处理过程。本发明通过迭代学习控制算法使钢轨表面的温度轨迹快速向工艺要求的期望轨迹逼近。由于激光淬火工艺参数的确定是激光热处理的关键环节，激光功率是激光热处理的主要工艺参数之一，工件淬火表面吸收的能量在一定程度上取决于激光功率，本发明通过激光器功率的控制来实现工件表面加工区域的温度控制，可确保加工区域的材料进入工艺要求的相变温度范围，达到热处理过程控制的目标，具有简单、高效、易用、工程实用性强等优点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种钢轨激光热处理的过程控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)根据钢轨热处理工艺过程中光斑间断线式的运动轨迹将激光热处理加工过程分割为若干段加工周期，并根据分割出的加工周期确定出迭代周期，该钢轨热处理工艺过程中光斑间断线式的运动轨迹为矩形光斑在钢轨表面沿着钢轨长度方向匀速运动并进行间断扫描形成的轨迹，其中加工周期为激光器开启的时刻至下一次开启时刻的时间段，迭代周期为一个加工周期内激光器开启至关闭的时间段；

2)根据热处理的工艺要求得到钢轨加工区域期望达到的温度轨迹，并生成期望温度轨迹序列；

3)控制器读取当前迭代周期的功率序列u_k[]，使激光器在当前迭代周期内按照功率序列u_k[]中对应的功率值输出以对钢轨进行激光热处理；

4)采集激光热处理过程中钢轨表面光斑区域内的辐射信号，并转化为温度信号，以得到当前迭代周期内的温度序列；

5)比较步骤2)中得到的期望温度轨迹序列和步骤4)中得到的当前迭代周期内的温度序列，得到当前迭代周期内的温度误差序列e_k[]；

6)计算当前温度误差序列的方差S_k，将其与预设的方差阈值S进行比较，若S_k≤S，则下一迭代周期激光器以当前功率序列u_k[]输出，即u_k+1[]＝u_k[]；若S_k＞S，则根据当前迭代周期内的温度误差序列e_k[]和功率序列u_k[]计算出下一迭代周期的功率序列u_k+1[]：依次提取温度误差序列e_k[]和激光器输出功率序列u_k[]中的对应项，代入PD型学习律中计算出下一迭代周期功率序列u_k+1[]中的各项，以此得到下一迭代周期的功率序列u_k+1[]：

式中，u_k+1[i]为第k+1次迭代周期功率序列u_k+1[]的第i项，u_k[i]为第k次迭代周期功率序列u_k[]的第i项，L为比例增益矩阵，e_k[i]为第k次迭代周期误差序列e_k[]的第i项，Γ[i]为微分增益序列的第i项，为第k次迭代周期的误差微分序列的第i项；

式中，e_k[i-1]为第k次迭代中误差序列e_k[]的第i-1项，T为采样周期；

7)判断热处理是否完成，若是，则结束；若否，重复步骤3)-6)完成下一迭代周期的热处理，直至热处理结束。

2.如权利要求1所述的钢轨激光热处理的过程控制方法，其特征在于，步骤2)中，温度轨迹为温度时间曲线，其由光斑运动过程中各个时刻钢轨表面光斑区域内的温度值组成。

3.如权利要求1所述的钢轨激光热处理的过程控制方法，其特征在于，步骤3)中，采用PID控制器对第一个加工周期中激光器的功率进行控制，并记录各时刻对应的功率值得到第一个迭代周期的功率序列u₁[]。

4.如权利要求1所述的钢轨激光热处理的过程控制方法，其特征在于，步骤4)中，温度序列具体采用如下方式得到：当进入一个迭代周期时，控制器按预设的采样周期T对温度信号进行采样，迭代周期结束后停止采样，随后按照时间先后顺序排列迭代周期内采集的温度值以生成温度序列。

5.如权利要求1所述的钢轨激光热处理的过程控制方法，其特征在于，步骤5)中当前迭代周期内的温度误差序列e_k[]中的各项采用如下公式计算：

e_k[i]＝TEMP_D[i]-TEMP_k[i]

式中，e_k[i]为第k次迭代周期误差序列e_k[]的第i项，TEMP_D[i]为期望温度轨迹序列TEMP_D[]的第i项，TEMP_k[i]为第k次迭代周期温度序列TEMP_k[]的第i项。

6.如权利要求1-5任一项所述的钢轨激光热处理的过程控制方法，其特征在于，步骤4)中采用红外高温计采集激光热处理过程中钢轨表面光斑区域内的温度信号。