[发明专利]一种集成温度场实时测量和反馈控制功能的激光预热加工系统

说明书

本发明公开了一种集成温度场实时测量和反馈控制功能的激光预热加工系统，该系统包括同轴红外测温激光头、三自由度可控夹具、激光器、激光器控制单元、夹具控制单元、数据处理单元和反馈调节单元。该系统的目的是综合考虑影响激光预热工件表面温度场的多个因素，通过输入实测温度、预设目标温度至数据处理单元中，优选已经训练好的BP神经网络模型进行数据处理，输出激光功率、可控夹具三个自由度的补偿量至反馈调节单元，继而将补偿量加载到激光器和可控夹具上以适当地调节激光输出功率和激光打在工件表面上的光斑大小、能量密度，使预热工件表面准确地达到预设目标温度。本发明自动化程度高，温度反馈控制精度高，安全性能好，操作方便。

技术领域

本发明涉及预热辅助加工、温度测量和反馈控制领域，更具体地，涉及一种集成温度场实时测量和反馈控制功能的激光预热加工系统。

背景技术

随着航空、航天、航海等领域工业技术的快速发展，高性能产品零部件的需求日益增长，各种高硬度、高强度的工程材料不断涌现。但与此同时，材料性能的提高也给机械加工制造带来新的问题。例如，高温合金具有优异的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，以及良好的抗疲劳性能和断裂韧性等，但若采用常规切削方法对其进行加工，不仅刀具磨损严重，而且加工后工件表面质量差，难以满足实际需求。这类难加工材料加工困难问题的一种有效解决方法是预热辅助切削技术。通过预先提高切削工件表面的温度，使其硬度与强度下降，从而改善难加工材料的可加工性能。在辅助热源的选择方面，激光是首选热源，其具有光斑尺寸与入射位置可控性好、能量密度高等优点。

然而，用激光预热移动加工过程中，激光功率大小、激光光斑移动速度、激光照射工件的角度、激光与工件表面的距离、激光光斑大小等因素的变化会造成激光预热温度的不稳定。这样的不稳定性会造成工件表面温度场的不断变化，造成切削工件表面质量的下降，从而影响整个工件的使用寿命。

解决激光预热温度场不稳定性的研究已有一定的进展，然而均存在自身局限性：比如采用传统的温度校正法，即测量工件表面温度，温度偏高则关闭激光器，温度偏低则加大激光器功率，这种方法虽然起到调节温度的作用，但没有综合考虑到工件表面轮廓变化以及激光相对工件表面的距离、速度、角度等因素对激光预热温度场的影响，无法准确地使即将切削的工件表面达到预设温度。

因此，当前针对激光预热加工的温度场稳定性控制缺乏行之有效的解决措施，有必要研究一种能够综合各个影响因素，且实时调整的集成温度场实时测量和反馈控制功能的激光预热加工系统。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种集成温度场实时测量和反馈控制功能的激光预热加工系统，用于解决加工过程中复杂型面、激光相对于工件表面的位置状态、刀具进给速度、激光器功率等因素变化对工件表面温度场的影响问题，达到保证在激光预热加工的过程中，工件表面各个预热点的温度场保持一致稳定的目的。

本发明提出一种集成温度场实时测量和反馈控制功能的激光预热加工系统，包括三自由度可控夹具、夹具控制单元、激光器、同轴红外测温激光头、数据处理单元、反馈调节单元和激光器控制单元；其中：

所述三自由度可控夹具固定在数控机床主轴上，该夹具用于装夹同轴红外测温激光头；

所述同轴红外测温激光头通过光纤连接激光器，接收来自激光器的激光；同轴红外测温激光头将接收的激光聚焦到工件表面对其进行预热，同时对工件表面进行红外测温，其出射的激光光斑始终处于刀具前端，以保证刀具到达之前，工件表面达到目标温度；

所述同轴红外测温激光头输出信号端连接数据处理单元，传送温度数据；

所述三自由度可控夹具受夹具控制单元控制，具有Z轴、绕Z轴旋转、绕Y轴旋转三个自由度；从而实现激光头与工件表面距离、激光照射角度、激光光斑大小等参数的调节；夹具控制单元与反馈调节单元输出相连并受其控制，用于实现同轴红外测温激光头与工件表面距离、激光照射角度、激光光斑大小的调节；