CN112548270B - 一种电弧增材制造自动测温系统及方法 - Google Patents

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    • B23K9/095—Monitoring or automatic control of welding parameters

Abstract

本发明公开了一种电弧增材制造自动测温系统及方法，本发明的测温传感器设置在打印件的一侧，对于薄壁件来说测温范围更大，对安装位置要求不苛刻；本发明在打印过程中通过测温单元检测打印机的温度，通过测距单元检测打印机的高度，能够精确控制每次堆敷的起始温度，方便打印过程的监控，也有利于后期关于缺陷的分析，从而得到满足工程要求的零件。

Description

一种电弧增材制造自动测温系统及方法
技术领域
本发明属于金属增材制造自动测温领域，具体涉及一种电弧增材制造自动测温系统及方法。
背景技术
金属增材制造属于金属快速成型技术的一种，起源于上世纪80年代，结合了数字化技术、机器人技术、焊接技术、CAD技术等多种科研手段，通过材料的堆敷从而得到结构致密的零部件。金属增材制造具有工序少、材料利用率高等优势，受到了较多的关注与研究。
在电弧增材制造过程中，常常对堆敷电压、堆敷电流、送丝速度、焊接速度等进行监控，通过对这些参数进行监控并转化为电信号，然后将这些微弱的电信号进行放大、滤波等操作，或通过采集卡进行收集，或反馈到机器人，从而对电弧增材制造过程进行在线监测。
然而实际的成型件件的实际性能和其材料所经受的热循环过程息息相关。电弧增材过程具有不稳定性，因此简单的监测过程并不能得到满足要求的成型件。堆敷之后的冷却温度梯度对材料的性能影响极大，且再次堆敷的起始温度同样对材料的性能有着较大的影响。因此开发一款电弧增材制造自动测温系统就迫在眉睫。
目前对点弧增材制造过程检测的专利较少，专利《用于丝材等离子弧增材制造的红外温度检测装置及方法》(申请号：201610365423.2)公开了一种对丝材等离子弧增材制造的红外温度检测装置及方法，但该装置只能检测最高点的温度，且前期的传感器位置校准存在一定的难度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种电弧增材制造自动测温系统及方法，能够逐层检测打印件每一层的温度，方便打印过程的监控，也有利于后期关于缺陷的分析，从而得到满足工程要求的零件。
为了达到上述目的，一种电弧增材制造自动测温系统，包括固定在旋转工作台上的竖直立架以及设置在热源的焊枪上的测距单元，旋转工作台用于放置打印件，竖直立架固定在打印件的一侧，竖直立架上设置有步进电机，步进电机上设置有测温单元，步进电机、测温单元和测距单元均连接传感器控制器，传感器控制器用于控制步进电机的运动，并采集测温单元和测距单元的数据，并对数据进行处理后进行转发。
竖直立架与步进电机的配合关系为丝杠螺母副。
焊枪通过机器人控制移动，机器人通过机器人控制柜控制，机器人控制柜连接计算机，计算机用于对机器人控制柜发送控制指令。
传感器控制器连接计算机，计算机用于对感器控制器发送控制指令，并接收感器控制器反馈的信息进行显示。
计算机连接送丝机，送丝机连接丝盘，计算机用于控制送丝机的启停。
传感器控制器连接存储单元。
一种电弧增材制造自动测温方法，包括以下步骤：
S1，设备初始化，并设定堆敷起始温度Tmax，开始堆敷；
S2，完成一层堆敷之后，焊枪停在预设位置，堆敷停止；
S3，测距传感器采集预设位置与打印件最高点之间的距离，并将采集到的数据上传；
S4，计算步进电机所移动的最高点；
S5，温度传感器采集堆敷层的温度，并上传，步进电机同时开始运动；
S6，当步进电机达到最高点时，判断此时的检测温度是否小于堆敷起始温度Tmax，若大于堆敷起始温度Tmax，步进电机反向运转，若小于堆敷起始温度Tmax，温度传感器停止检测，步进电机返回初始位置，并控制开始下一层的堆敷；
S7，返回S2，直至完成所有堆敷后停止。
S4中，步进电机移动的最高点通过如下公式计算：
h＝h0-h1
其中，h0为焊枪停在预设位置的已知高度，h1为预设位置与打印件最高点之间的距离。
S4中，计算步进电机所移动的最高点后进行储存。
S5中，步进电机开始运动后，当步进电机当达到端点时，首先判断是否为最高点，若不是最高点，电机反向运转。
与现有技术相比，本发明的测温传感器设置在打印件的一侧，对于薄壁件来说测温范围更大，对安装位置要求不苛刻；本发明在打印过程中通过测温单元检测打印机的温度，通过测距单元检测打印机的高度，能够精确控制每次堆敷的起始温度，方便打印过程的监控，也有利于后期关于缺陷的分析，从而得到满足工程要求的零件。
本发明的测温方法通过温度传感器和测距传感器相配合，能够实时对热影响的各层进行温度监控，监测并控制打印过程中冷却的温度梯度，使各堆敷层的晶粒大小较为均匀，从而控制打印件的性能；并且本发明能够记录下打印过程中各层的温度变化，方便后期将温度变化与打印件性能进行数值方面的解释，对定量分析有更加深刻的影响。
附图说明
图1是电弧增材制造自动测温系统的结构示意图；
图2是电弧增材制造自动测温过程的电路控制原理图；
图3是发明实施流程图；
其中，1、计算机，2、旋转工作台，3、步进电机，4、竖直立架，5、传感器控制器，6、打印件，7、夹具，8、测距单元，9、焊枪，10、机器人，11、机器人控制柜，12、送丝机，13、丝盘。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，一种电弧增材制造自动测温系统，包括固定在旋转工作台2上的竖直立架4以及设置在热源的焊枪9上的测距单元8，旋转工作台2用于放置打印件6，竖直立架4固定在打印件6的一侧，竖直立架4上设置有步进电机3，步进电机3上设置有测温单元，步进电机3、测温单元和测距单元8均连接传感器控制器5，传感器控制器5用于控制步进电机3的运动，并采集测温单元和测距单元8的数据，并对数据进行处理后进行转发。竖直立架4与步进电机3的配合关系为丝杠螺母副。焊枪9通过机器人10控制移动，机器人10通过机器人控制柜11控制，机器人控制柜11连接计算机1，计算机1用于对机器人控制柜11发送控制指令。传感器控制器5连接计算机1，计算机1用于对感器控制器5发送控制指令，并接收感器控制器5反馈的信息进行显示。计算机1连接送丝机12，送丝机12连接丝盘13，计算机1用于控制送丝机12的启停。传感器控制器5连接存储单元。
实施例：
一种电弧增材制造自动测温方法，包括以下步骤：
S1，设备初始化，并设定堆敷起始温度Tmax，开始堆敷；
S2，完成一层堆敷之后，焊枪停在预设位置，堆敷停止；
S3，测距传感器采集预设位置与打印件最高点之间的距离，并将采集到的数据上传；
S4，计算步进电机所移动的最高点，进行储存，步进电机移动的最高点通过如下公式计算：
h＝h0-h1
其中，h0为焊枪停在预设位置的已知高度，h1为预设位置与打印件最高点之间的距离；将h(单位为mm)圆整到个位数(舍去小数点)并存储到SD卡；
S5，温度传感器采集堆敷层的温度，并上传，步进电机同时开始运动；
S6，当步进电机当达到端点时，首先判断是否为最高点，若不是最高点，电机反向运转，当步进电机达到最高点时，判断此时的检测温度是否小于堆敷起始温度Tmax，若大于堆敷起始温度Tmax，步进电机反向运转，若小于堆敷起始温度Tmax，温度传感器停止检测，步进电机返回初始位置，并控制开始下一层的堆敷；
S7，返回S2，直至完成所有堆敷后停止。
参见表1，每一列m代表离基板第m个距离，每一行t代表采样时间t，表中1代表有测量值；t和m取决于温度传感器的采样频率以及步进电机运动的速度。
表1温度传感器采集情况示意表
第(m-2)个 第(m-1)个 第m个 第(m+1)个 第(m+2)个
Tn-6 1
Tn-5 1
Tn-4 1
Tn-3 1
Tn-2 1
Tn-1 1
Tn 1
Tn+1 1
Tn+2 1
Tn+3 1
Tn+4 1
Tn+5 1
Tn+6 1
传感器采用的都是无接触测量传感器；堆敷起始温度Tmax应在50℃-400℃之间；步进电机初始位置为最低点；本发明在选择步进电机时，应采用带减速比的步进电机从而增加测量精度。

Claims (4)

1.一种电弧增材制造自动测温系统的测温方法，其特征在于，测温系统包括固定在旋转工作台(2)上的竖直立架(4)以及设置在热源的焊枪(9)上的测距单元(8)，旋转工作台(2)用于放置打印件(6)，竖直立架(4)固定在打印件(6)的一侧，竖直立架(4)上设置有步进电机(3)，步进电机(3)上设置有测温单元，步进电机(3)、测温单元和测距单元(8)均连接传感器控制器(5)，传感器控制器(5)用于控制步进电机(3)的运动，并采集测温单元和测距单元(8)的数据，并对数据进行处理后进行转发；
竖直立架(4)与步进电机(3)的配合关系为丝杠螺母副；
焊枪(9)通过机器人(10)控制移动，机器人(10)通过机器人控制柜(11)控制，机器人控制柜(11)连接计算机(1)，计算机(1)用于对机器人控制柜(11)发送控制指令；
传感器控制器(5)连接计算机(1)，计算机(1)用于对传感器控制器 (5)发送控制指令，并接收传感器控制器 (5)反馈的信息进行显示；
计算机(1)连接送丝机(12)，送丝机(12)连接丝盘(13)，计算机(1)用于控制送丝机(12)的启停；
传感器控制器(5)连接存储单元；
测温方法包括以下步骤：
S1，设备初始化，并设定堆敷起始温度Tmax，开始堆敷；
S2，完成一层堆敷之后，焊枪停在预设位置，堆敷停止；
S3，测距传感器采集预设位置与打印件最高点之间的距离，并将采集到的数据上传；
S4，计算步进电机所移动的最高点；
S5，温度传感器采集堆敷层的温度，并上传，步进电机同时开始运动；
S6，当步进电机达到最高点时，判断此时的检测温度是否小于堆敷起始温度Tmax，若大于堆敷起始温度Tmax，步进电机反向运转，若小于堆敷起始温度Tmax，温度传感器停止检测，步进电机返回初始位置，并控制开始下一层的堆敷；
S7，返回S2，直至完成所有堆敷后停止。
2.根据权利要求1所述的一种电弧增材制造自动测温系统的测温方法，其特征在于，S4中，步进电机移动的最高点通过如下公式计算：
h＝h0-h1
其中，h0为焊枪停在预设位置的已知高度，h1为预设位置与打印件最高点之间的距离。
3.根据权利要求1所述的一种电弧增材制造自动测温系统的测温方法，其特征在于，S4中，计算步进电机所移动的最高点后进行储存。
4.根据权利要求1所述的一种电弧增材制造自动测温系统的测温方法，其特征在于，S5中，步进电机开始运动后，当步进电机当达到端点时，首先判断是否为最高点，若不是最高点，电机反向运转。
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