阅读说明：本技术 一种基板多点温度监测及变形测量系统及工作方法 (Substrate multipoint temperature monitoring and deformation measuring system and working method ) 是由 方学伟 任传奇 杨金波 王帅鹏 白浩 杨健楠 黄科 卢秉恒 于 2020-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基板多点温度监测及变形测量系统及工作方法,本发明的系统通过若干温度传感器实时采集基板上的点温度,通过激光测距传感器实时采集基板的形变数据,能够实现激光/电弧熔丝增材制造工艺成形过程中基板特征点的温度的动态变化历程,同步获得增材成形热累积作用下基板的实时翘曲形变量；本发明能够实时监测所需基板特征点温度随电弧熔丝增材成形过程的动态变化历程和热积累作用下基板的实时定量变化,采样频率可根据实际工况进行调整,温度传感器数量及基板变形传感器数量均不为定数,可根据实际需要来进行增加,系统易于安装调试,无繁杂过程,简便易行,可长时间工作,所保存测量数据无访问限制。(The invention discloses a substrate multipoint temperature monitoring and deformation measuring system and a working method, wherein the system acquires the point temperature on a substrate in real time through a plurality of temperature sensors, acquires the deformation data of the substrate in real time through a laser ranging sensor, can realize the dynamic change process of the temperature of a substrate characteristic point in the forming process of a laser/arc fuse wire additive manufacturing process, and synchronously acquires the real-time warping deformation quantity of a substrate under the additive forming heat accumulation effect; the invention can monitor the real-time quantitative change of the needed substrate characteristic point temperature along with the dynamic change process of the arc fuse wire additive forming process and the heat accumulation effect of the substrate in real time, the sampling frequency can be adjusted according to the actual working condition, the number of the temperature sensors and the number of the substrate deformation sensors are not fixed, the temperature sensors and the number of the substrate deformation sensors can be increased according to the actual requirement, the system is easy to install and debug, complex processes are avoided, the operation is simple and easy, the long-time operation can be realized, and the stored measurement data has no access limitation.)

一种基板多点温度监测及变形测量系统及工作方法

技术领域

本发明属于激光/电弧增材制造领域，具体涉及一种基板多点温度监测及变形测量系统及工作方法。

背景技术

电弧熔丝增材制造技术(Wire and Arc additive Manufacturing,WAAM)和激光熔丝增材制造技术(Wire and Laser Additive Manufacturing，WLAM)是以丝材为原料，通过电弧将丝材逐层熔化堆积形成致密金属零部件的过程。增材制造ASTM F3187-16标准将WAAM技术归类于直接能量沉积(Direct Energy Deposition，DED)技术的一种。根据WAAM工艺热源特性的不同，分为熔化极气体保护焊(Gas Metal Arc Welding,GMAW)，钨极气体保护焊(Gas Tungsten Arc Welding,GTAW)和等离子气体保护焊(Plasma Arc Welding,PAW)三种。基于GMAW的熔化极方法效率是GTAW和PAW方法的2～3倍。但GMAW因成形过程中电弧直接作用于焊丝会产生更多的烟尘和飞溅。PAW拥有最大的能量密度可以实现高熔点难熔金属大速度成形，同时减少变形。熔丝增材制造工艺在大型构件制造以其高效低成本，广泛受到关注。

WAAM和WLAM工艺制造的构件机械性能在很多情况下可与传统加工的部件相比，甚至超过传统减材及其他增材制造技术，但针对关键构件，必须着力避免增材制造中的成形缺陷。WAAM成形过程中，基板与焊枪之间存在电弧，过高的热输入会引起飞溅，造成夹杂等缺陷，必须避免气孔、高残余应力和裂纹，特别是在极端环境中工作的部件，这些缺陷会导致诸如断裂、高温疲劳之类的失效。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基板多点温度监测及变形测量系统及工作方法，能够用于实时测量成形过程中基板上多点的温度变化历程，同时定量监控成形过程中基板的动态变形扭曲过程，并可以存储多特点及基板变形的实时数据，可为工艺研究提供原始数据支撑，同步可用于验证电弧增材制造温度场仿真及热输入控制等场合。

为了达到上述目的，一种基板多点温度监测及变形测量系统，包括基板，基板上布设有若干温度传感器，基板侧面设置有若干激光测距传感器，温度传感器用于采集基板上的特征点温度，激光测距传感器用于采集基板特征点表面的形变量，所有温度传感器均连接控制器PLC的温度采集模块，所有激光测距传感均连接在控制器PLC的模拟量采集模块，控制器PLC连接计算机，计算机用于实时采集温度传感器和激光测距传感器的数据，并进行显示和储存。

温度传感器采用垫片式热电偶温度传感器。

温度传感器通过螺钉固定在基板上。

控制器PLC通过网络连接计算机。

一种基板多点温度监测及变形测量系统的工作方法，包括以下步骤：

步骤一，根据激光/电弧增材制造的需求，在基板上对应位置布设若干温度传感器；

步骤二，在基板侧面布设若干激光测距传感器，按照所需工况使激光测距传感器能够覆盖整个基板特征点；

步骤三，在激光/电弧增材制造时，所有温度传感器持续采集基板上的点温度，激光测距传感器持续采集基板表面的形变量；

步骤四，温度传感器将基板上的点温度发送至计算机，激光测距传感器将基板表面的形变量发送至计算机；

步骤五，计算机对温度传感器和激光测距传感器发送的数据进行实时显示和储存。

步骤一中，首先根据实际工况在基板上确定温度传感器的布设位置，在布设位置上打孔攻丝，将温度传感器通过螺钉固定在孔中。

步骤四中，温度传感器和激光测距传感器的数据均以OPC的形式传输给PC机。

与现有技术相比，本发明的系统通过若干温度传感器实时采集基板上的点温度，通过激光测距传感器实时采集基板的形变数据，能够实现激光/电弧熔丝增材制造工艺成形过程中基板特征点的温度的动态变化历程，同步获得增材成形热累积作用下基板的实时翘曲形变量；本发明能够实时监测所需基板特征点温度随电弧熔丝增材成形过程的动态变化历程和热积累作用下基板的实时定量变化，采样频率可根据实际工况进行调整，温度传感器数量及基板变形传感器数量均不为定数，可根据实际需要来进行增加，系统易于安装调试，无繁杂过程，简便易行，可长时间工作，所保存测量数据无访问限制。

本发明的工作方法能够根据实际工况增减所需垫片式热电偶和激光测距传感器的数量，可根据实际工况需要，自主确定上述传感器的安装位置，具有较强的适应性；所存取数据量均为有效数据即对应的特征点温度变化历程及基板特征点的翘曲形变量，数据可根据采样的时间节点同步添加时间坐标，减少了单位时间内数据存储量，提升了数据存储相对速度，系统可以长时间工作，具有较高的可靠性和稳定性。从而使本发明能够为研究成形过程热场分布情况及基板变形情况提供平台，为电弧熔丝增材制造工艺实验及模拟仿真提供有效的数据信息，便于实现打印件高质量快速增材。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明的温度传感器示意图；

图3为本发明激光测距传感器的工作原理图；

其中，1、送丝机；2、焊枪；3、焊机；4、温度传感器；5、基板；6、激光测距传感器；7、模拟量采集模块；8、PLC控制器；9、温度采集模块；10、计算机。

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1，一种基板多点温度监测及变形测量系统包括基板5，基板5上布设有若干温度传感器4，基板5侧面设置有若干激光测距传感器6，温度传感器4用于采集基板上的特征点温度，激光测距传感器6用于采集基板5特征点表面的形变量，所有温度传感器4连接在控制器PLC8的温度采集模块9，所有激光测距传感器6均连接在控制器PLC8的模拟量采集模块7，控制器PLC8网线连接计算机10，计算机10用于实时采集温度传感器4和激光测距传感器6的数据，并进行显示和储存。

一种基板多点温度监测及变形测量系统的工作方法，包括以下步骤：

步骤一，根据激光/电弧增材制造的需求，在基板5上对应位置布设若干温度传感器4，首先在基板5上确定温度传感器4的布设位置，在布设位置上打孔攻丝，将温度传感器4通过螺钉固定在孔中；

步骤二，在基板5侧面布设若干激光测距传感器6，使激光测距传感器6按照工况能够覆盖整个基板5的所需特征点；

步骤三，在激光/电弧增材制造时，所有温度传感器4持续采集基板5上的点温度，激光测距传感器6持续采集基板5表面的形变量；

步骤四，温度传感器4将基板5上的点温度发送至PLC控制器8，激光测距传感器6将基板5表面的形变量发送至PLC控制器8，PLC控制器8将上述数据传送给计算机10；

步骤五，计算机8对温度传感器4和激光测距传感器6发送的数据进行显示和储存。

温度传感器4采用K型垫片式热电偶温度传感器，激光测距传感器6采用高精度激光测距传感器Panasonic HGC1100，温度采集模块9采用西门子S71200PLC专用温度采集模块，模拟量采集模块可参照通道数选择西门子S71200PLC专用模拟量采集模块，TC1表示和TC2分别表示对应的温度总线，用以传输采样过程的温度数据，每路数据可均布，可零散分布，也可以扩展成多路。

温度传感器4和激光测距传感器6的数目不为固定值，可根据实际的工况来确定进行数目增减，其中温度传感器4的数目与西门子温度采集模块匹配，目前单块温度采集模块6能够匹配8路温度传感器4，激光测距传感器6的输出形式为4-20mA型号，需匹配支持该信号的模拟量输入模块。

参见图2，温度传感器4采用螺钉连接的形式固定在成形基板上，可根据实际工况在所需要的位置点打孔攻丝，攻丝深度为5mm，基板尺寸≥10mm，连接螺钉大小可选型M4，在实施例中可以将热电偶均布在基板表面，其安装包括但限于基板上面内，基板测量及背面可根据实际工况需要进行安装，所选型的垫片K型热电偶可直接接入西门子PLC温度采集模块，组态过程中选择K型热电偶。

参见图3，激光测距传感器6采用的激光位移传感器PanasonicHGC1100，其测量的重复精度诶70um，其测量中心为H＝100mm，距基板的实际距离，量程为±35mm；通过具有一定刚度简易夹具固定在成形工作台上，激光位移传感器输出为4-20mA标准信号，电流信号较电压信号传输距离更大，适合复杂的工况大型工况，激光位移传感器安装时候需垂直于测量表面，且距测量表面的距离为100mm，实际调试过程中可参考传感器表显数值为0时，4mA电流对应的形变量ΔE_{_4mA}＝h₁-100＝-35mm，即基板向上翘曲，最大的垂直翘曲点形变为35mm，20mA电流对应的形变量ΔE_{_20mA}＝h₂-100＝35mm,即基板向下翘曲，最大的垂直翘曲点形变为35mm，该系统的整体测量值在-35-35mm内。

本发明的控制器采用西门子S7-1200PLC，接收到焊机发出的信号后开始多点采集所需特征点温度数据和基板的动态形变量，可以根据实际工况需要设定实际需要的采样频率，利用labview软件实现PLC和PC机通讯，数据以OPC的形式传输给PC机，写入excel或者txt中，同步在软件显示数据随时间的变化历程，系统具有较好的交互性。

本发明包括但不限于激光打印头、电弧打印头、等离子、电子束等类WAAM工艺,以及需要多点温度测量测量及采用高精度激光测距传感器测量形变的场合，同时该系统实际可以应用于单端悬垂、和双端固定的场景。