CN110055525B - 矿用液压支架立柱表面激光熔覆温度控制系统以及控制方法 - Google Patents

矿用液压支架立柱表面激光熔覆温度控制系统以及控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110055525B
CN110055525B CN201910201361.5A CN201910201361A CN110055525B CN 110055525 B CN110055525 B CN 110055525B CN 201910201361 A CN201910201361 A CN 201910201361A CN 110055525 B CN110055525 B CN 110055525B
Authority
CN
China
Prior art keywords
temperature
circuit
fuzzy
control
laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910201361.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110055525A (zh
Inventor
赵栓峰
郭颖潇
柴蓉霞
郭卫
贺海涛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian University of Science and Technology
Original Assignee
Xian University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian University of Science and Technology filed Critical Xian University of Science and Technology
Priority to CN201910201361.5A priority Critical patent/CN110055525B/zh
Publication of CN110055525A publication Critical patent/CN110055525A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110055525B publication Critical patent/CN110055525B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D23/00—Control of temperature
    • G05D23/19—Control of temperature characterised by the use of electric means
    • G05D23/20—Control of temperature characterised by the use of electric means with sensing elements having variation of electric or magnetic properties with change of temperature
    • G05D23/22—Control of temperature characterised by the use of electric means with sensing elements having variation of electric or magnetic properties with change of temperature the sensing element being a thermocouple

Abstract

本发明公开了矿用液压支架立柱表面激光熔覆温度控制系统以及控制方法，涉及一种基于模糊PID控制的温度控制系统以及控制方法，在常规PID控制的基础上结合模糊化模块，实现对温度更加快速精准地实时调控；同时本发明还设计了一种红外测温装置和温度调控装置。红外测温装置通过红外辐射测温仪直接读取工作熔池温度来实现，而温度调控装置通过数控伺服机床控制调节激光器对焦来实现，结合数控伺服机床，能够在矿用液压支架立柱表面激光熔覆过程中，实现温度的实时调控。

Description

矿用液压支架立柱表面激光熔覆温度控制系统以及控制方法
技术领域
本发明涉及矿用液压支架立柱，具体涉及矿用液压立柱的激光熔覆修复过程中的温度检测与温度调控系统。
背景技术
在矿业生产中，为了保证矿道的生产安全，需要在矿道中使用矿用液压支架进行支护，矿用液压立柱是液圧支架中的一个重要的支撑部件。而激光熔覆技术是一项新兴的零件加工表面改型技术，可以极大地提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀、耐疲劳等机械性能。将激光熔覆技术运用到液压支架的修复焊接中，其激光熔池的热过程贯穿整个加工过程，一切物理化学过程都是在热过程中发生和发展。
由于激光的高能密度和聚焦的尺度小等特点，这一过程都是在极短的时间内完成，这使得激光再制造的熔池温度检测与控制变得比较困难。而激光熔覆技术是一个复杂的物理、化学冶金过程，熔覆过程中的参数对熔覆件的质量有很大的影响。其参数主要有激光功率、光斑直径、送粉速度、扫描速度等，他们对熔覆层的稀释率、裂纹、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性都有着很大的影响，这些影响都可以从熔池的温度变化中体现出来。
激光熔覆熔池温度测量一直是激光熔覆技术中的难点，实时的反映加工过程中激光熔池温度的变化，对改进激光加工工艺，控制加工质量有着重要的作用，因此，得到激光熔池的实时温度并对激光熔池温度进行实时的调整，成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种矿用液压支架立柱表面激光熔覆温度控制系统以及控制方法。能够实时的掌握加工过程中激光熔池温度的变化，并对温度进行实时的控制和调整。
本发明的技术方案是，一种矿用液压支架立柱表面激光熔覆温度控制系统，包括工作台、模糊PID温度控制系统，其特征是，在工作台上安装有红外辐射测温仪、激光头、合金粉末输出喷嘴，使输出激光束的激光头、合金粉末输出喷嘴与红外辐射测温仪三者沿立柱表面X方向形成同步扫描；模糊PID温度控制系统包括温度测量电路、信号处理与补偿电路、模糊PID控制电路、驱动电路，执行电路与执行机构；
所述温度测量电路包括红外辐射测温仪的光学系统及其传感器，红外辐射测温仪的光学系统采集高温熔池的红外辐射量，经过红外测温仪的传感器，将采集到的辐射量转化为电信号，并将电信号输出到信号处理及补偿电路；
所述信号处理及补偿电路包括高通滤波器、差动放大器、同步整流电路和补偿电路；高通滤波器接收传感器的电信号并形成高频电信号，随后高频电信号被送入到差动放大器进行差分放大，放大差模信号，抑制共模信号；然后将差分放大后的电信号送入到同步整流电路中，对大信号进行整流，防止放大后的电路存在失真现象；与此同时，单独采用补偿电路，直接从传感器接收电信号，还原被测高温熔池的实际温度；最后将实际温度值送入模糊PID控制电路；
所述模糊PID控制电路包括模糊控制器与PID控制器，实际温度值同时输入至模糊控制器和PID控制器，模糊控制器利用模糊逻辑并根据一定的模糊规则对实际温度值进行优化，然后输出优化后的实际温度值到PID控制器；PID控制器根据温度设定值的大小对实际温度值进行判断处理，得到温度的判断控制电信号，并结合模糊控制器的输出结果，输出判断控制电信号到驱动电路；
所述驱动电路包括发光二极管、可控硅和过零触发器，输入部分为发光二极管，输出部分为过零触发器，可发送脉冲至执行电路；
用从信号处理及补偿电路输入至模糊PID控制器的实际温度值与原温度设定值比较：当实际温度值高于原温度设定值时，模糊控制器和PID控制器向发光二极管发出正向电信号，此时双向可控硅可双向导通，与过零触发器一起输出同步触发脉冲至外部执行电路，执行电路控制数控伺服机床，驱动激光头向上移动，增大激光工作光斑的直径，从而降低高温熔池的温度；而当实际温度值低于原温度设定值时，模糊PID控制电路不向驱动电路发出正向电信号，驱动电路不输出同步触发脉冲，执行电路控制数控伺服机床，驱动激光头向下移动，减小激光工作光斑的直径，从而升高高温熔池的温度；
所述执行电路接收驱动电路发出的同步触发脉冲，控制安装在数控伺服机床上的激光头上下移动以实现对工作光斑的直径的调节，从而实现对高温熔池温度的调控；
所述执行机构是数控伺服机床。
本发明能够实时的掌握加工过程中激光熔池温度的变化，并对温度进行实时的控制和调整。对改进激光加工工艺，控制加工质量有着重要的作用。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图。
图2是模糊PID控制系统流程图。
图3是基于模糊PID控制的温度控制系统原理图。
图4是数控伺服机床通过对焦调节实现温度控制的原理示意图。
附图标号：被熔覆材料1、红外辐射测温仪2、激光束3、激光头4、高温熔池5、合金粉末输出喷嘴6、基底母材7、工作台8。
具体实施方式
如图1所示，本发明设计了工作台8，在工作台8上安装有红外辐射测温仪2、激光头4、合金粉末输出喷嘴6，使输出激光束3的激光头4、合金粉末输出喷嘴6与红外辐射测温仪2三者沿立柱表面X方向形成同步扫描。
合金粉末输出喷嘴6输出的合金粉末覆在液压支架立柱需要修复处的被熔覆材料1与基底母材7上，同时激光头4输出的激光束3聚焦形成直径为1.5-2.5mm的圆形光斑,聚焦工作点在合金粉末覆盖处，使合金粉末熔覆形成高温熔池5。
由于被熔覆件是液压支柱，故热电偶测温等接触式测温方法显然是不适用的。由于非接触式测温具有很大的测温范围，受环境和自身的影响比较小，测温精度高，动态响应快，因此选用非接触式的红外辐射测温方式来测量熔池的温度。
红外辐射测温仪的测温原理是将物体以电磁波形式辐射的能量转变成电信号，辐射能量的大小与物体本身的温度相对应，因此可以转变成电信号大小，以此来确定物体的温度。
本发明涉及到的温度控制系统为基于模糊PID控制的温度控制系统，采用模糊PID控制系统进行温度调控。
图2是基于模糊PID控制的温度控制系统原理图。模糊控制是一种智能控制方法，在常规PID(比例-积分-微分)控制的基础上结合模糊化模块，利用模糊逻辑并根据一定的模糊规则对PID的参数进行实时的优化，使其能基于人类的思维以及生产经验，用语言描述控制过程，并根据规则去调控算法或控制参数，以克服传统PID参数无法实时调整PID参数的缺点。模糊控制具有构造简单、响应快速性、稳态超调量小的特点，其应用已经比较广泛。
如图3所示，本发明的温度控制系统包括温度测量电路、信号处理及补偿电路、模糊PID控制电路、驱动电路，执行电路与执行机构五部分。
所述温度测量电路包括红外辐射测温仪的光学系统及其传感器，红外辐射测温仪的光学系统采集高温熔池5的红外辐射量，经过红外测温仪的传感器，将采集到的辐射量转化为电信号，实现目标物体温度的实时测量，并将电信号输出到信号处理及补偿电路。
所述信号处理及补偿电路中，首先将温度测量电路所得到的电信号通过高通滤波器形成高频电压信号。高通滤波容许高于截止频率的信号通过，而低于截止频率的信号不能通过，排除工业电源噪声等杂波，减少外界对测温系统的干扰；随后高频电压信号被送入到差动放大器进行差分放大，放大差模信号，抑制共模信号；然后将差分放大后的电信号送入到同步整流电路中，对大信号进行整流，防止放大后的电路存在失真现象；与此同时，由于实际温度为被测温度与环境温度的差值，因此单独采用补偿电路，直接从温度测量电路接受电信号，还原被测高温熔池5的实际温度。
所述模糊PID控制电路包括模糊控制器与PID控制器，实际温度值同时输入至模糊控制器和PID控制器，模糊控制器利用模糊逻辑并根据一定的模糊规则对实际温度值进行优化，然后输出优化后的实际温度值到PID控制器；PID控制器根据温度设定值的大小对实际温度值进行判断处理，得到温度的判断控制电信号，并结合模糊控制器的输出结果，输出判断控制电信号到驱动电路。
所述驱动电路与模糊PID控制电路相连接，包括发光二极管、可控硅和过零触发电路，输入部分为发光二极管，当从信号处理及补偿电路输入至模糊PID控制器的实时温度高于设定值，经模糊控制器和PID控制器，向发光二极管发出正向电信号，在一定正向电流的作用下，发光二极管发出足够强度的红外光，在红外光的作用下，双向可控硅可双向导通，与过零触发器一起输出同步触发脉冲至外部执行电路。执行电路控制外部执行机构即数控伺服机床，驱动激光头4向上移动，增大激光工作光斑的直径，从而降低高温熔池5的温度；而当从信号处理及补偿电路输入至模糊PID控制器的实时温度低于设定值时，模糊PID控制电路不向驱动电路发出正向电信号，驱动电路不输出同步触发脉冲。执行电路控制外部执行机构即数控伺服机床，驱动激光头4向下移动，减小激光工作光斑的直径，从而升高高温熔池5的温度。根据被测目标物体的温度与设定值之间的差值对激光头4上下移动的距离进行相应的调整，能够提高温度调节的精准度，减少了温度误差。
所述执行机构即为数控伺服机床。所述执行电路接收驱动电路发出的同步触发脉冲，控制安装在数控伺服机床上的的激光头4上下移动。
如图4所示，当红外辐射测温仪的光学系统采集到的实时温度值超过设定值时，传感器将采集到的电信号送入信号处理及补偿电路，经过信号处理及补偿电路后，模糊PID控制电路向驱动电路发出正向电信号。驱动电路输出同步触发脉冲，执行电路接收信号，控制外部执行机构即数控伺服机床驱动激光头4向下移动。此时，激光头4与工作台8距离缩短，使得聚焦的工作光斑直径扩大，高温熔池5温度开始降温；而当红外辐射测温仪的光学系统采集到的实时温度低于设定值时，传感器将采集到的电信号送入信号处理及补偿电路，经过信号处理及补偿电路后，模糊PID控制电路不向驱动电路发出正向电信号，驱动电路不输出同步触发脉冲。执行电路控制外部执行机构即数控伺服机床，驱动激光头4向上移动，此时，激光头4与工作台8距离增长，使得聚焦的工作光斑直径减小，高温熔池5温度开始升温。通过此方法，能实现对液压支架表面激光熔覆的高温熔池5温度进行实时检测，并根据检测值实时地控制聚焦光斑直径，实现对温度的调节。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种矿用液压支架立柱表面激光熔覆温度控制系统，包括工作台（8）、模糊PID温度控制系统，其特征是，在工作台（8）上安装有红外辐射测温仪（2）、激光头（4）、合金粉末输出喷嘴（6），使输出激光束（3）的激光头（4）、合金粉末输出喷嘴（6）与红外辐射测温仪（2）三者沿立柱表面X方向形成同步扫描；模糊PID温度控制系统包括温度测量电路、信号处理与补偿电路、模糊PID控制电路、驱动电路，执行电路与执行机构；
所述温度测量电路包括红外辐射测温仪的光学系统及其传感器，红外辐射测温仪的光学系统采集高温熔池（5）的红外辐射量，经过红外测温仪的传感器，将采集到的辐射量转化为电信号，并将电信号输出到信号处理及补偿电路；
所述信号处理及补偿电路包括高通滤波器、差动放大器、同步整流电路和补偿电路；高通滤波器接收传感器的电信号并形成高频电信号，随后高频电信号被送入到差动放大器进行差分放大，放大差模信号，抑制共模信号；然后将差分放大后的电信号送入到同步整流电路中，对大信号进行整流，防止放大后的电路存在失真现象；与此同时，单独采用补偿电路，直接从传感器接收电信号，还原被测高温熔池（5）的实际温度；最后将实际温度值送入模糊PID控制电路；
所述模糊PID控制电路包括模糊控制器与PID控制器，实际温度值同时输入至模糊控制器和PID控制器，模糊控制器利用模糊逻辑并根据一定的模糊规则对实际温度值进行优化，然后输出优化后的实际温度值到PID控制器；PID控制器根据温度设定值的大小对实际温度值进行判断处理，得到温度的判断控制电信号，并结合模糊控制器的输出结果，输出判断控制电信号到驱动电路；
所述驱动电路包括发光二极管、可控硅和过零触发器，输入部分为发光二极管，输出部分为过零触发器，可发送脉冲至执行电路；
用从信号处理及补偿电路输入至模糊PID控制器的实际温度值与原温度设定值比较：当实际温度值高于原温度设定值时，模糊控制器和PID控制器向发光二极管发出正向电信号，此时双向可控硅双向导通，与过零触发器一起输出同步触发脉冲至外部执行电路，执行电路控制数控伺服机床，驱动激光头（4）向上移动，增大激光工作光斑的直径，从而降低高温熔池（5）的温度；而当实际温度值低于原温度设定值时，模糊PID控制电路不向驱动电路发出正向电信号，驱动电路不输出同步触发脉冲，执行电路控制数控伺服机床，驱动激光头（4）向下移动，减小激光工作光斑的直径，从而升高高温熔池（5）的温度；
所述执行电路接收驱动电路发出的同步触发脉冲，控制安装在数控伺服机床上的激光头（4）上下移动以实现对工作光斑的直径的调节，从而实现对高温熔池（5）温度的调控；
所述执行机构是数控伺服机床。
2.如权利要求1所述的矿用液压支架立柱表面激光熔覆温度控制系统，其特征是根据被测目标物体的温度与设定值之间的差值对激光头（4）上下移动的距离进行相应的调整。
CN201910201361.5A 2019-03-18 2019-03-18 矿用液压支架立柱表面激光熔覆温度控制系统以及控制方法 Active CN110055525B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910201361.5A CN110055525B (zh) 2019-03-18 2019-03-18 矿用液压支架立柱表面激光熔覆温度控制系统以及控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910201361.5A CN110055525B (zh) 2019-03-18 2019-03-18 矿用液压支架立柱表面激光熔覆温度控制系统以及控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110055525A CN110055525A (zh) 2019-07-26
CN110055525B true CN110055525B (zh) 2020-11-03

Family

ID=67317052

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910201361.5A Active CN110055525B (zh) 2019-03-18 2019-03-18 矿用液压支架立柱表面激光熔覆温度控制系统以及控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110055525B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112792335A (zh) * 2019-11-14 2021-05-14 中国科学院沈阳自动化研究所 面向激光选区熔化技术的熔池温度反馈控制方法及系统
CN111024772B (zh) * 2019-12-03 2022-06-14 西安科技大学 激光熔覆熔池微电阻分布成像方法与装置
CN115041777A (zh) * 2022-07-13 2022-09-13 北京航空航天大学 一种铝合金导管全位置焊接温度控制系统及方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60163102A (ja) * 1984-02-03 1985-08-26 Nec Corp Ｐｉｄ温度制御回路
CN102242361B (zh) * 2011-06-29 2013-08-21 山东能源机械集团大族再制造有限公司 用于矿用液压支架立柱的激光熔覆方法
CN102794565B (zh) * 2012-09-04 2015-01-21 徐州工程学院 基于LabView的激光熔覆/激光重熔过程温度场实时监测系统
CN105223977B (zh) * 2015-09-15 2017-09-26 盐城工学院 一种基于模糊控制的半导体激光器温度控制装置的控制方法
CN107491113A (zh) * 2017-04-19 2017-12-19 安徽华脉科技发展有限公司 一种基于arm的模糊pid温度控制系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN110055525A (zh) 2019-07-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110055525B (zh) 矿用液压支架立柱表面激光熔覆温度控制系统以及控制方法
CN111037052B (zh) 电弧增材制造成形检测反馈补偿系统及检测反馈补偿方法
CN103920990B (zh) 一种自动控制加工焦距的激光加工头及加工方法
CA2504368C (en) System and method for closed-loop control of laser cladding by powder injection
CN101244523B (zh) 激光加工检测方法及其专用仪器
US20160151859A1 (en) System and method for controlling the input energy from an energy point source during metal processing
CN110202273A (zh) 一种基于激光位移传感器的自动调高装置及其控制方法
CN109518180B (zh) 一种自适应激光沉积修复的装置和方法
CN110238547A (zh) 一种用于测量大功率激光焦点位置的系统及测量方法
CN103801826A (zh) 激光加工调焦装置、调焦方法及激光加工设备
CN201693290U (zh) 一种激光加工装置
CN112643058A (zh) 一种激光沉积成形过程监测装置与双闭环控制方法
CN112276339A (zh) 一种曲面工件的智能随形激光扫描加工方法及装置
CN201677132U (zh) 激光加工机自动对焦装置
CN211939504U (zh) 一种螺旋锥齿轮飞秒激光加工系统
JP2008212941A (ja) レーザ加工装置及びレーザ加工装置の制御方法
CN116551192A (zh) 一种基于实时反馈的激光抛光系统及方法
JP2014030841A (ja) アーク倣い溶接方法および溶接装置
CN115246045A (zh) 一种激光焊接方法
US6964364B2 (en) Weld guidance system and method
JPH0275489A (ja) 焦点距離自動調整装置
US20210114139A1 (en) Controller, control system, and recording medium storing program
CN114231728A (zh) 一种激光冲击表层强化曲面零件的装置及方法
CN209927722U (zh) 一种高炉铁水硅含量在线快速检测装置
CN109317821A (zh) 一种激光焊接系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant