[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

摘要

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。

主权项

1.一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，其特征在于，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，使同轴红外测温激光头装夹在刀轴上，加工过程中随着刀具移动；所述数控机床采用三轴或五轴数控机床；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；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；所述激光器用于产生预热激光，其功率由激光控制单元控制，其输出激光通过光纤送往同轴红外测温激光头，用于预热工件表面；所述数据处理单元用于实现激光功率和位姿补偿量的计算；数据处理单元输出接反馈调节单元；所述反馈调节单元用于将数据处理单元计算出的补偿量数据转换为执行指令，其输出分别连接激光控制单元和夹具控制单元，分别用于控制激光器的输出功率大小和可控夹具的三自由度移动；通过激光控制单元实现对激光器功率的控制，通过夹具控制单元调节固定在该夹具上的同轴红外测温激光头的位姿；数据处理单元采用BP神经网络算法；使用前进行如下训练操作：设定初始条件：刀具进给速度大小、激光功率大小和可控夹具的三个自由度位置和预设目标温度，采用同轴红外测温激光头测量预热工件表面温度，通过调节激光器功率、三自由度可控夹具的三个自由度来达到预设温度，记录下此时的数据样本，包括实测温度、预设目标温度、可控夹具三个自由度的初始值、激光功率初始值以及经过调节后的可控夹具三个自由度校正值、激光功率校正值；改变初始条件，重复上述步骤，得到训练样本数据库；将训练样本数据送入数据处理单元，进行BP神经网络模型训练，得到该模型隐含层的各个权值，确定BP神经网络参数；工作时，同轴红外测温激光头将测得的预热实测工件温度、预设目标温度、夹具的三个自由度、激光功率大小输入到数据处理单元得到补偿量数据，包括激光功率和夹具的三个自由度，作为下一次的初始值，同时将补偿量数据传递到反馈调节单元；通过反馈单元驱动激光器控制单元、夹具控制单元进行调节，达到预设的温度。