本實(shí)用新型涉及金屬增材制造及焊接工藝，尤其涉及增材制造及焊接工藝中工件的溫度控制。

背景技術(shù)：

在進(jìn)行金屬焊接加工或增材制造時(shí)，工件內(nèi)部會產(chǎn)生不均勻熱應(yīng)力，導(dǎo)致工件變形或開裂。為了減小應(yīng)力，通常采取對工件進(jìn)行焊前預(yù)熱及焊后緩冷工藝，以避免過大的溫度梯度。目前，現(xiàn)有的一些工裝本身具有加熱和保溫功能，在粉末床增材制造中，粉末床的底板通常也具有加熱功能。但是，這些加熱裝置通常對工件底面各部位整體均勻加熱，工件焊接或增材時(shí)，各部位溫度差異很大，溫度梯度也不相同。

中國實(shí)用新型專利CN 105666866 A中公開了一種選擇性區(qū)域溫度控制構(gòu)建板，該實(shí)用新型具體公開了以下內(nèi)容：構(gòu)建板包括：多個(gè)單元，每個(gè)單元具有接觸板和溫度控制模塊；所述接觸板形成所述構(gòu)建板的上表面的至少一部分，在所述至少一部分上制造有制品?？刂破髋c所述溫度控制模塊通信且控制相應(yīng)的溫度控制模塊的溫度。所述多個(gè)單元允許在所述構(gòu)建板的上表面的選擇性的溫度控制，允許所述制品的部分被選擇地冷卻或加熱。

上述選擇性區(qū)域溫度控制構(gòu)建板，雖然可選擇性的對工件進(jìn)行加熱或冷卻，但是其具有一定的局限性：一是，通過接觸板方式加熱溫度低，對一些需要高溫退火的材料無法有效減小溫度梯度，實(shí)現(xiàn)降低應(yīng)力的效果；二是，溫度測量是間接式，采集的是加熱單元的加熱溫度，而非工件本體的溫度，無法實(shí)時(shí)反應(yīng)工件的真實(shí)溫度狀況；三是，加熱單元采用均勻功率加熱一方面造成能源浪費(fèi)，另外有可能導(dǎo)致工件局部溫度過高，組織異常長大。因此，上述方法不能以較小熱量實(shí)現(xiàn)工件內(nèi)部各部位溫度與應(yīng)力的平衡。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本實(shí)用新型提供了一種溫度控制系統(tǒng)及方法，該實(shí)用新型通過實(shí)時(shí)采集工件局部的具體溫度而適應(yīng)性地進(jìn)行溫度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了工件內(nèi)部各部位溫度與應(yīng)力的平衡。

為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為：

一種溫度控制系統(tǒng)，用于金屬增材制造或焊接技術(shù)中工件的加熱，包括可安裝工件并呈蜂窩狀的支架，安裝于支架上的多個(gè)加熱單元和多個(gè)可采集工件溫度的測溫器，其中，加熱單元呈陣列式設(shè)置于支架上，測溫器旁設(shè)于加熱單元的側(cè)邊；每個(gè)加熱單元外連有可調(diào)節(jié)加熱單元中加熱功率的上位機(jī)，上位機(jī)連接測溫器，以收集測溫器采集的溫度信號。

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)化，加熱單元的底部嵌入至支架內(nèi)，加熱單元內(nèi)設(shè)有可為工件加熱的加熱體，加熱體的頂部設(shè)置有可與安裝后工件底面相貼合的云母板，加熱體的底部填充有可防止熱量散失的隔熱保溫棉，隔熱保溫棉的中部設(shè)置有可帶動(dòng)加熱體上下浮動(dòng)的碟簧，碟簧的底部設(shè)置有可限定碟簧下限位的彈簧卡；工件置于加熱單元的云母板上，在碟簧的作用下，工件的底部與云母板相貼合。

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)化，加熱體為電阻加熱體、紅外加熱體、電磁感應(yīng)加熱體。

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)化，測溫器為螺釘式溫度傳感器。

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)化，螺釘式傳感器的底部設(shè)置有彈簧，以帶動(dòng)螺釘式傳感器在支架內(nèi)上下浮動(dòng)。

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)化，測溫器為設(shè)置于支架內(nèi)或設(shè)置于工件上方進(jìn)行非接觸式測量的紅外測溫儀或紅外CCD相機(jī)的其中一種。

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)化，支架上設(shè)置有可連接加熱單元和測溫器的電連接器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于：

1、本實(shí)用新型的溫度控制系統(tǒng)，其通過加熱單元與溫度測溫器的陣列式設(shè)計(jì)，并且對各加熱單元獨(dú)立控制，可實(shí)時(shí)采集工件局部的具體溫度而適應(yīng)性地進(jìn)行溫度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了工件內(nèi)部各部位溫度與應(yīng)力的平衡；

2、本實(shí)用新型的溫度控制系統(tǒng)，可根據(jù)工件的大小選擇加熱范圍，還可以通過SPWM脈寬調(diào)制方式調(diào)整單個(gè)加熱單元的功率，同時(shí)系統(tǒng)的加熱單元浮動(dòng)的安裝于支架上，保證了加熱單元與工件基板的貼合度，能夠充分利用熱的傳導(dǎo)、輻射特性，減少熱量的散失；

3、本實(shí)用新型的溫度控制系統(tǒng)，采用螺釘式溫度傳感器，保證了溫度傳感器與工件接觸良好，能直接測量工件的溫度，更能真實(shí)反映加工過程溫度控制點(diǎn)的狀態(tài)；

4、本實(shí)用新型的溫度控制系統(tǒng)，其調(diào)溫范圍較廣，加熱單元采用SPWM方式控制，可實(shí)現(xiàn)加熱單元加熱功率和溫度的無級調(diào)節(jié)，可以從幾十?dāng)z氏度連續(xù)調(diào)節(jié)到800攝氏度；并能通過系統(tǒng)的數(shù)字化溫度PID運(yùn)算實(shí)現(xiàn)溫度的恒溫控制；

5、本實(shí)用新型的溫度控制系統(tǒng)，可根據(jù)增材或焊接設(shè)備的實(shí)際需求情況將多個(gè)加熱單元進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)大結(jié)構(gòu)工件加工的需要，擴(kuò)展性較好；

6、本實(shí)用新型的溫度控制系統(tǒng)，其加熱單元、測溫器均嵌入在支架中，每個(gè)部件均可獨(dú)立拆裝，維護(hù)更方便；

7、本實(shí)用新型的溫度控制方法，其可實(shí)現(xiàn)低溫補(bǔ)償、對稱平衡加熱溫度補(bǔ)償、主動(dòng)設(shè)計(jì)溫度場三種溫度補(bǔ)償方式，每種補(bǔ)償方式均可自動(dòng)運(yùn)行，更具智能化。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型安裝有工件的溫度控制系統(tǒng)的主視圖；

圖2為本實(shí)用新型未安裝工件的溫度控制系統(tǒng)的主視圖；

圖3為圖2的右視圖；

圖4為圖2中A-A的剖視圖；

圖5為加熱單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為測溫器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為溫度控制方法的流程框圖。

以上各圖中：1、支架；11、安裝孔；2、加熱單元；21、云母板；22、保溫棉；23、碟簧；24、彈簧卡；25、接線端子；3、測溫器；31、螺釘式溫度傳感器；32、彈簧；4、工件；5、電連接器。

具體實(shí)施方式

下面，通過示例性的實(shí)施方式對本實(shí)用新型進(jìn)行具體描述。然而應(yīng)當(dāng)理解，在沒有進(jìn)一步敘述的情況下，一個(gè)實(shí)施方式中的元件、結(jié)構(gòu)和特征也可以有益地結(jié)合到其他實(shí)施方式中。

在本實(shí)用新型的描述中，需要說明的是，溫度控制系統(tǒng)的底部為安裝后的近地面位置；頂部是指與底部相對的方位，本實(shí)用新型中對于位置的限定僅是為了便于描述本實(shí)用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本實(shí)用新型的限制。

參見圖1-圖4，本實(shí)用新型的溫度控制系統(tǒng)，用于金屬增材制造或焊接技術(shù)中工件的加熱，包括可安裝工件并呈蜂窩狀的支架1，安裝于支架1上的多個(gè)加熱單元2和多個(gè)可采集工件溫度的測溫器3，其中，加熱單元2呈陣列式設(shè)置于支架1上，測溫器3旁設(shè)于加熱單元2的側(cè)邊；每個(gè)加熱單元2外連有可調(diào)節(jié)加熱單元2加熱功率的上位機(jī)，上位機(jī)連接測溫器3，以收集測溫器3采集的溫度信號。同時(shí)，支架1上設(shè)置有可連接加熱單元2和測溫器3的電連接器5，加熱單元2和測溫器3分別通過導(dǎo)線連接電連接器5，電連接器5連接上位機(jī)，則可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及控制。同時(shí)，支架1上還設(shè)置有用于安裝工件的安裝孔11，該安裝孔11為光孔或螺紋孔，安裝孔11布設(shè)于每個(gè)加熱單元2的側(cè)部，這樣，工件即可根據(jù)其自身大小選擇不同的安裝孔進(jìn)行安裝，適應(yīng)范圍廣。

本實(shí)用新型中對加熱單元的設(shè)置為陣列式，圖1中顯示的為方形陣列，但是事實(shí)上，該陣列布局不局限與方形，也可為圓形等其他形狀，只要其滿足多個(gè)加熱單元間隔設(shè)置即可。當(dāng)安裝工件于支架上時(shí)，工件不同的區(qū)域則對應(yīng)不同的加熱單元，而每個(gè)加熱單元均連接于上位機(jī)，上位機(jī)對其為單獨(dú)控制，則可根據(jù)測溫器反饋的溫度信號，對不同位置處的工件按照需求加熱，適應(yīng)性地對工件進(jìn)行溫度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了工件內(nèi)部各部位溫度與應(yīng)力的平衡。

進(jìn)一步結(jié)合圖5，加熱單元2的底部嵌入至支架1內(nèi)，加熱單元2內(nèi)設(shè)有可為工件加熱的加熱體，加熱體的頂部設(shè)置有可與安裝后工件底面相貼合的云母板21，加熱體的底部填充有可防止熱量散失的隔熱保溫棉22，隔熱保溫棉22的中部設(shè)置有可帶動(dòng)加熱體上下浮動(dòng)的碟簧23，碟簧23的底部設(shè)置有可限定碟簧23下限位的彈簧卡24；工件置于加熱單元2的云母板21上，在碟簧23的彈性力作用下，工件的底部與云母板相貼合。通過在加熱單元的底部設(shè)置碟簧，可使加熱單元在支架內(nèi)上下浮動(dòng)，根據(jù)不同的工件，可在碟簧彈性力的作用下適度調(diào)節(jié)，直至加熱單元與工件底部貼合，實(shí)現(xiàn)了加熱單元對工件的直接加熱，充分的利用了熱的傳導(dǎo)、輻射特性，減少了熱量的散失。

上述加熱體包括不限于于下述幾種：電阻加熱體、紅外加熱體或電磁感應(yīng)加熱體。

作為一種優(yōu)選的實(shí)施例，參見圖6，是螺釘式溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖6所示，上述測溫器3為螺釘式溫度傳感器31，螺釘式傳感器31的底部設(shè)置有彈簧32，以帶動(dòng)螺釘式傳感器31在支架1內(nèi)上下浮動(dòng)。采用浮動(dòng)式的螺釘式溫度傳感器，保證了溫度傳感器與工件基板的接觸良好，并能直接測量工件的溫度，更能真實(shí)反映加工過程溫度控制點(diǎn)的狀態(tài)。

另外，作為其他選擇實(shí)施例，上述測溫器3可為設(shè)置于支架1內(nèi)或設(shè)置于工件上方進(jìn)行非接觸式測量的紅外測溫儀或紅外CCD相機(jī)的其中一種，當(dāng)測溫器3置于工件上方時(shí)，對工件溫度進(jìn)行直接非接觸式測量。

另外，對于本領(lǐng)域內(nèi)公知的設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)，在本實(shí)用新型中不詳細(xì)闡述，具體如：在測溫器與上位機(jī)之間設(shè)置可將測溫器信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的變送器，以及在上位機(jī)與加熱單元之間設(shè)置可控制加熱單元開關(guān)的繼電器。

參見圖7，是本實(shí)用新型溫度控制方法的框圖流程圖。結(jié)合圖7，本實(shí)用新型的溫度控制方法，使用上述溫度控制系統(tǒng)，包括以下步驟：

S0：安裝工件于支架上，工件的底部貼合于加熱單元上；

S1：根據(jù)工件的大小以及安裝位置，啟動(dòng)對應(yīng)于工件區(qū)域的溫度控制系統(tǒng)；

S2：根據(jù)工件的大小及材質(zhì)設(shè)定溫度調(diào)節(jié)目標(biāo)，啟動(dòng)加熱單元為工件加熱；

S3：上位機(jī)實(shí)時(shí)采集位于工件區(qū)域內(nèi)各測溫器的溫度信號，上位機(jī)根據(jù)采集的溫度信號、工件的大小與材質(zhì)選擇內(nèi)設(shè)于上位機(jī)的溫度補(bǔ)償方式，并輸出控制信號，根據(jù)控制信號分別控制相應(yīng)位置的加熱單元自動(dòng)調(diào)節(jié)功率，以實(shí)現(xiàn)選擇性加熱工件。

上位機(jī)在實(shí)時(shí)采集測溫器的溫度信號時(shí)，通過中間設(shè)置的變送器將測溫器的溫度信號轉(zhuǎn)化為上位機(jī)可識別的控制信號，而上位機(jī)在控制相應(yīng)加熱單元的開關(guān)時(shí)，則通過控制繼電器進(jìn)一步控制加熱單元。

另外，在上述步驟S3中，上位機(jī)內(nèi)設(shè)的溫度補(bǔ)償方式包括：通過低溫補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)均溫、對稱平衡加熱溫度補(bǔ)償和/或主動(dòng)設(shè)計(jì)溫度場的方式。

具體闡述，上述低溫補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)均溫的方式為：上位機(jī)通過分析采集的溫度信號，確定工件上各區(qū)域的溫度，并計(jì)算平均溫度，根據(jù)計(jì)算出的平均溫度，上位機(jī)控制高于平均溫度的工件區(qū)域內(nèi)的加熱單元關(guān)閉，并啟動(dòng)低于平均溫度的工件區(qū)域內(nèi)的加熱單元；

上述對稱平衡加熱溫度補(bǔ)償方式為：上位機(jī)通過分析采集的溫度信號，確定工件上各區(qū)域的溫度，根據(jù)分析結(jié)果，確定高溫區(qū)和低溫區(qū)；上位機(jī)控制低溫區(qū)內(nèi)的加熱單元加熱，以形成新的高溫區(qū)，與原有高溫區(qū)形成結(jié)構(gòu)對稱，以平衡不均勻冷卻造成的局部應(yīng)力失衡；

上述主動(dòng)設(shè)計(jì)溫度場的方式為：上位機(jī)根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)特征及材料特性，分析工件的溫度場和變形，根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計(jì)溫度場，并控制相應(yīng)的加熱單元的加熱頻率，以適應(yīng)工件加熱或焊接過程的溫度變化。

通過本實(shí)用新型的溫度控制方法，因其通過上位機(jī)輸出的SPWM控制信號直接控制加熱單元中加熱體的加熱功率，實(shí)現(xiàn)了加熱體加熱功率和溫度的無級調(diào)節(jié)，可以控制加熱體從幾十?dāng)z氏度連續(xù)調(diào)節(jié)到800攝氏度，調(diào)節(jié)范圍較廣；并能通過系統(tǒng)的數(shù)字化溫度PID運(yùn)算實(shí)現(xiàn)溫度的恒溫控制。