CN109290574A - 用于激光选区熔化设备的基板冷却速度控制装置及方法 - Google Patents

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孙靖
赵维刚
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Abstract

本发明属于激光选区熔化增材制造领域，并公开了一种用于激光选区熔化设备的基板冷却速度控制装置，包括温度控制器、PWM输出模块、加热固态继电器、加热基板以及温度传感器，温度传感器用来测量加热基板的实际温度，然后进行反馈；设定温度与实际温度作差然后经过温度控制器产生控制量，控制量由PWM输出模块输出，用来控制加热固态继电器通断，实现对基板的加热控制；基板冷却速度控制方法：基板温度设定值从加热时的设定值以一定的冷却速度逐渐下降，达到某个温度值后保持一定的时间；保持时间到后，基板温度设定值继续以相同的冷却速度下降，达到另一温度值后再次保持一定的时间，依此类推完成整个受控冷却过程。

Description

用于激光选区熔化设备的基板冷却速度控制装置及方法
技术领域
本发明涉及激光选区熔化增材制造领域，具体涉及一种用于激光选区熔化设备的基板冷却速度控制装置及方法。
背景技术
激光选区熔化技术(Selective Laser Melting，SLM)是一种集计算机辅助设计技术、数控技术、增材制造技术于一体的先进制造技术，该技术基于快速成型的思想，利用高能激光束直接熔化金属粉末来逐层成型制件。SLM技术具有小批量、个性化定制的特点，非常适合加工形状复杂的零件。
在SLM成型的过程中，金属粉末在高能激光束的作用下瞬间内熔化、冷却和凝固，导致成型制件内部以及成型制件与成型基板之间存在较大的残余应力，进而导致孔隙、翘曲、开裂等缺陷。目前在SLM成型过程中消除以上应力采用的主要方式是基板预热，在成型过程结束后关闭基板预热，使成形零件处于自然冷却的过程中，但是对于钛合金成型制件来说自然冷却的速度通常过快，很容易导致成型制件与基板之间产生开裂以及成型制件本身的开裂。为了降低冷却速度，常见的一种方式是在成型缸四周采用保温材料包裹，但是这样会导致设备在打印像不锈钢等材料时适应性变差。综上所述，SLM设备需要一套能够根据实际需要调节冷却速度的基板装置。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种用于激光选区熔化设备的基板冷却速度控制方法及其装置，防止自然冷却速度过快导致的成型制件与基板之间开裂或者成型制件自身开裂的问题。
本发明所采用的一种技术方案是：一种用于激光选区熔化设备的基板冷却速度控制装置，包括温度控制器、PWM输出模块、加热固态继电器、加热基板以及温度传感器。所述温度传感器用来测量加热基板的实际温度，然后进行反馈。设定温度与实际温度作差然后经过温度控制器产生控制量，控制量由PWM输出模块输出，用来控制加热固态继电器通断，实现对基板的加热控制。
进一步，所述温度控制器具有PID参数自整定功能，能够自动确定具体系统的参数。
进一步，所述温度控制器具有滤波器模块，能够对温度传感器采集的数据进行滤波处理，有效去除各类噪声信号对加热控制的影响。
进一步，所述温度控制器具有报警模块，用来监测温度传感器故障、加热电流异常以及实际温度值大小，并且能够在系统出现异常时发出报警信息。
进一步，所述温度控制器具有温度设定值发生模块，能够在加热控制初始阶段实现“软启动”。
进一步，所述加热基板采用黄铜材质，具有更强的热传导能力。
本发明所采用的另一种技术方案是：一种用于SLM设备的基板冷却速度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)基板冷却过程开始，基板温度设定值从加热时的设定值以一定的冷却速度逐渐下降，达到某个温度值后保持一定的时间。
(b)保持时间到后，基板温度设定值继续以相同的冷却速度下降，达到另一温度值后再次保持一定的时间，依此类推，直到基板温度设定值小于或者等于正常温度，此时整个受控冷却过程结束。
(c)在基板冷却的过程中，冷却速度、保持时间以及每次下降的温度值大小均可以根据材料种类和设备情况由操作人员进行设定。
(d)温度设定值与实际温度作差后经过PID控制算法模块，然后经过控制量发生模块产生PWM控制量，进而控制加热固态继电器的通断，温度传感器实时采集基板的温度，经过滤波模块后输入PID控制算法模块。
(e)报警模块对温度传感器以及其它报警信号进行实时监控，一旦发现异常，则立刻切断PWM控制量的输出，并同时发出报警信息提示操作人员，保证系统的安全。
(f)加热基板第一次使用时，首先使用自整定算法模块对控制器PID参数进行自动整定，自整定算法基于Ziegler—Nichols法则，通过观察系统的阶跃响应情况确定PID参数。
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，能够取得以下有益的效果：
(1)能够实现SLM成型结束后冷却过程的可控，使得基板温度按照设定的冷却梯度进行下降，避免自然冷却过程出现的成型制件与基板之间开裂或者成型制件自身开裂的问题。
(2)冷却速度、保持时间以及每次下降的温度值大小等可以进行自定义设置，能够满足不同材料制件成型结束后的冷却需求。
(3)所述温度控制器具备PID参数自整定模块，能够自动而准确地对系统参数进行整定，避免人工整定带来的工作量大和整定后的参数不是较优参数等问题。
(4)所述温度控制器具备报警模块，能够对加热控制过程的各类报警信号进行监控，并在出现异常时切断加热输出，这样可以有效保证人员安全。
附图说明
图1是本发明加热控制系统示意图。
图2是本发明所述温度控制器结构示意图。
图3是本发明所述基板冷却过程温度设定值曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清晰，下面将结合附图以及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当说明，此处所描述的具体实施例仅仅是用来对本发明进行解释，并不用来限定本发明。下面所描述的本发明实施方式中涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突即可相互组合。
参照图1和图2，一种用于SLM设备基板预热的装置，包括温度控制器1、PWM输出模块2、加热固态继电器3、加热基板5以及温度传感器4。
温度传感器4用来测量加热基板5的实际温度，然后进行反馈。
设定温度与实际温度作差然后经过温度控制器1产生控制量，控制量由PWM输出模块2输出，用来控制加热固态继电器3通断，实现对基板5的加热控制。
优选地，所述温度控制器1具有PID参数自整定模块9，能够自动确定具体系统的参数。
优选地，所述温度控制器1具有滤波器模块10，能够对温度传感器4采集的数据进行滤波处理，有效去除各类噪声信号对加热控制的影响。
优选地，所述温度控制器1具有报警模块11，用来监测温度传感器4故障、加热电流异常以及实际温度值大小，并且能够在系统出现异常时发出报警信息。
优选地，所述温度控制器1具有温度设定值发生模块6，能够在加热控制初始阶段实现“软启动”。
优选地，所述加热基板5采用黄铜材质，具有更强的热传导能力。
参照图1、图2和图3，一种用于SLM设备的基板冷却速度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)基板5冷却过程开始，基板温度设定值从加热时的设定值以一定的冷却速度逐渐下降，达到某个温度值后保持一定的时间。
(b)保持时间到后，基板温度设定值继续以相同的冷却速度下降，达到另一温度值后再次保持一定的时间，依此类推，直到基板温度设定值小于或者等于正常温度，此时整个受控冷却过程结束。
(c)在基板冷却的过程中，冷却速度、保持时间以及每次下降的温度值大小均可以根据材料种类和设备情况由操作人员进行设定。
(d)温度设定值与实际温度作差后经过PID控制算法模块7，然后经过控制量发生模块8产生PWM控制量，进而控制加热固态继电器3的通断，温度传感器4实时采集基板5的温度，经过滤波模块10后输入PID控制算法模块7。
(e)报警模块11对温度传感器4以及其它报警信号进行实时监控，一旦发现异常，则立刻切断PWM控制量的输出，并同时发出报警信息提示操作人员，保证系统的安全。
(f)加热基板第一次使用时，首先使用自整定算法模块9对控制器PID参数进行自动整定，自整定算法基于Ziegler—Nichols法则，通过观察系统的阶跃响应情况确定PID参数。
综上所述，本发明与现有技术相比能够有效控制加热基板冷却速度，防止成型制件与基板接触面开裂或者成型制件自身开裂，对SLM技术具有重要意义。
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做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于激光选区熔化设备的基板冷却速度控制装置，其特征在于，包括温度控制器、PWM输出模块、加热固态继电器、加热基板以及温度传感器；
所述温度传感器用来测量加热基板的实际温度，然后进行反馈；
设定温度与实际温度作差然后经过温度控制器产生控制量，控制量由PWM输出模块输出，用来控制加热固态继电器通断，实现对基板的加热控制。
2.根据权利要求1所述的一种用于激光选区熔化设备的基板冷却速度控制装置，其特征在于，所述温度控制器具有PID参数自整定功能，能够自动确定具体系统的参数。
3.根据权利要求2所述的一种用于激光选区熔化设备的基板冷却速度控制装置，其特征在于，所述温度控制器具有滤波器模块，能够对温度传感器采集的数据进行滤波处理，有效去除各类噪声信号对加热控制的影响。
4.根据权利要求3所述的一种用于激光选区熔化设备的基板冷却速度控制装置，其特征在于，所述温度控制器具有报警模块，用来监测温度传感器故障、加热电流异常以及实际温度值大小，并且能够在系统出现异常时发出报警信息。
5.根据权利要求4所述的一种用于激光选区熔化设备的基板冷却速度控制装置，其特征在于，所述温度控制器具有温度设定值发生模块，能够在加热控制初始阶段实现“软启动”。
6.根据权利要求1所述的一种用于激光选区熔化设备的基板冷却速度控制装置，其特征在于，所述加热基板采用黄铜材质。
7.基于权利要求5所述的一种用于激光选区熔化设备的基板冷却速度控制装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)基板冷却过程开始，基板温度设定值从加热时的设定值以一定的冷却速度逐渐下降，达到某个温度值后保持一定的时间；
(b)保持时间到后，基板温度设定值继续以相同的冷却速度下降，达到另一温度值后再次保持一定的时间，依此类推，直到基板温度设定值小于或者等于正常温度，此时整个受控冷却过程结束；
(c)在基板冷却的过程中，冷却速度、保持时间以及每次下降的温度值大小均可以根据材料种类和设备情况由操作人员进行设定；
(d)温度设定值与实际温度作差后经过PID控制算法模块，然后经过控制量发生模块产生PWM控制量，进而控制加热固态继电器的通断，温度传感器实时采集基板的温度，经过滤波模块后输入PID控制算法模块；
(e)报警模块对温度传感器以及其它报警信号进行实时监控，一旦发现异常，则立刻切断PWM控制量的输出，并同时发出报警信息提示操作人员，保证系统的安全；
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