一种维持工作缸整体温度均衡的装置及其控制方法

摘要

本发明公开一种维持工作缸整体温度均衡的装置及其控制方法，该装置主要包括加热装置、保温装置、检测装置、控制单元，能使成型制件所在区域的温度缓慢、均衡变化。装置的控制方法步骤主要包括通过切片预览计算出成型制件在工作缸中的位置及高度；通过切片预览计算出成型制件的厚度及成型制件的形状；模拟工作缸热负荷数据模型；本发明能使各区域温度的变化速率保持一致，减少由于温度的突变而造成成型制件由于散热不均导致的翘曲变形和力学性能的缺陷，保证成型制件的烧结质量。

说明书

技术领域

本发明属于激光烧结快速成型领域，具体涉及一种维持工作缸整体温度均衡的装置及其方法。

背景技术

快速成形技术（RapidPrototyping，简称RP）是二十世纪八十年代末九十年代初兴起并迅速发展起来的新的先进制造技术，是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称。激光烧结快速成型（SelectedLaserSintering），简称SLS，采用激光器对粉末材料（尼龙、尼龙玻纤、尼龙碳纤维、尼龙铝粉、PS材料以及各种金属材料包括：模具钢、钛合金、铝合金以及CoCrMo合金、铁镍合金等）直接烧结成型的系统。在开始加工之前，先将充有保护气体的工作室升温，并保持在粉末的熔点以下，先在工作平台上铺一层粉末材料，然后将新铺的粉末进行加热，温度稳定后激光束在计算机控制下按照截面轮廓对实心部分所在的粉末进行烧结，使粉末溶化继而形成一层固体轮廓。第一层烧结完成后，工作台下降一截面层的高度，再铺上一层粉末，再加热进行下一层烧结，如此循环，形成三维的原型零件。

由以上可知，温度控制在整个激光烧结快速成型（SelectedLaserSintering）制造技术中起着至关重要的作用，尤其工作缸温度的控制对于成型制件的烧结质量有着很大的影响，因此，使工作缸的温度保持缓慢、均衡的状态变化对激光烧结快速成型技术起着至关重要的作用。然而成型制件的多样性，及成型制件的摆放位置，摆放高度会造成工作缸区域温度变化的不一致，而温度的冷却变化很容易造成成型制件由于散热不均而导致的成型制件翘曲变形和力学性能缺陷。在现有技术中，工作缸缸体的温度控制都是采用简单单一的控制方式，并没有区分区域控制，更没有结合成型制件的位置，高度及其成型制件复杂度和厚薄情况，根据每一次工作缸的热负荷数据模型加以智能分析，使之精确控制工作缸的温度变化过程中。

发明内容

针对现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种更加智能、更加节能的维持工作缸整体温度均衡的装置及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种维持工作缸整体温度均衡的装置，包括：

加热装置，用于给工作缸缸体各个区域表面进行加热，防止工作缸迅速降温或者升温，促使

其温度缓慢变化的装置；

保温装置，用于减少工作缸缸体各个区面的热量对外扩散，维持其工作缸缸体温度的装置；

检测装置，用于检测工作缸缸体各个区面温度变化的装置；

控制单元，用于控制工作缸缸体各个区面加热装置功率的变化，和用于控制工作缸缸体各个区面散热的冷却变化，使工作缸的温度上升或者下降保持缓慢、均衡的状态。根据成型制件在工作缸中的位置、高度、成型制件形状复杂度及成型制件厚薄壁的不同，单独控制各加热装置的加热功率，使成型制件所在区域与其它区域的温度保持一致、缓慢、均衡的变化。本发明的有益效果是，通过包括：加热装置，用于给工作缸进行加热，防止工作缸迅速降温或者升温，促使其温度缓慢变化的装置；保温装置，用于减少工作缸的热量对外扩散，维持其工作缸温度的装置；检测装置，用于检测工作缸各缸体区域温度的装置；控制单元，用于控制各区域加热装置加热功率的变化，和用于控制各区域散热装置的冷却变化，使工作缸的温度下降保持缓慢、均衡的状态。根据烧结完的成型制件在工作缸中的位置，高度，成型制件复杂度及成型制件的薄壁程度，单独控制各加热装置的加热功率，使成型制件所在区域的温度缓慢变化。使得本发明不仅能够很智能的控制工作缸缸体加热装置的加热功率，以保工作缸里成型制件温度的缓慢变化，从而确保了成型制件的烧结质量；而且本发明装置有多区域和高度的判断来控制工作缸缸体的加热装置，减少了由于成型制件大小的问题而造成机器的功率损耗，节约能源。

作为本发明的进一步优选方案，所述加热装置为片状加热器，至少设置16块，通过高温导热胶或者其他高温粘接剂，使之完全贴合于工作缸缸体外表面，本发明的有益效果是，通过高温导热胶或者其他高温粘接剂，使之完全贴合于工作缸缸体外表面，加热效率高且更加均匀。

作为本发明的进一步优选方案，所述片状加热器有两种尺寸规格，分为上层加热器和下层加热器；其上层加热器沿着工作缸的缸体的顶部边缘开始，其高度不大于工作缸高度的1/3；下层的加热器紧挨着上层加热器，其高度不大于工作缸高度的1/2。本发明的有益效果是，其加热效果最优，且能有效降低加热器成本。

作为本发明的进一步优选方案，所述保温装置还包括保温层、隔热板、外壳。所述保温层置于加热器外，其高度与工作缸缸体的高度一致，紧密包裹着工作缸；所述隔热板置于保温层和外壳之间，用来阻止保温层的温度传递到外壳上，同时隔热板上还设有若干个散热孔，用于保温层热量的交换或温度高时热量的扩散；外壳置于隔热板外，固定于工作缸缸体上，且置有和隔热板一样的散热孔，散热孔的位置和大小与隔热板一样。本发明的有益效果是，既减少工作缸的热量对外扩散，维持工作缸温度；又保持热量均匀，避免温度过高。

作为本发明的进一步优选方案，所述检测装置包括处理模块和热电阻传感器。所述热电阻传感器，置于加热器与工作缸缸体之间，且每一块加热器均对应一个检测装置。本发明的有益效果是，能精准检测区域表面温度，有利于缸体各区域温度控制。

作为本发明的进一步优选方案，所述热电阻传感器置于工作缸缸体上，在工作缸缸体上置有一条凹槽，将热电阻传感器置于凹槽中，填充导热硅脂。本发明的有益效果是，保证热电阻传感器与工作缸缸体的完全接触，使热量充分传递，测量准确。

一种维持工作缸整体温度均衡的装置的控制方法，包括以下步骤：

通过切片预览计算出成型制件在工作缸中的位置及高度；

通过切片预览计算出成型制件的薄壁程度及成型制件的复杂度；

模拟出工作缸热负荷数据模型，根据模拟出工作缸热负荷数据模型，智能控制相应区域加热装置的功率变化，使成型制件所在区域的温度缓慢、均衡变化；根据缸体各个区面检测装置反馈的温度变化数据，对温度变化快的区域进行实时调整，对温度下降过快的区域，控制其加热装置，加大其加热功率，使成型制件所在区域的温度缓慢下降；对温度下降过缓的区域，控制其加热装置，减小其加热功率，使成型制件所在区域的温度下降速率加快；使各区域温度的变化速率保持基本一致。

作为本发明的进一步优选方案，所述方法还包括：

计算出加热装置所能辐射范围内所有成型制件N_ij的数量和位置P_ij。通过辐射区域内成型制件N_ij的数量和成型制件的位置P_ij来调整该加热装置i的加热功率W_i。成型制件N_ij的数量之和越大、成型制件位置P_ij的差值越小时，说明该区域内的成型制件数量多，且成型制件间间隔的距离小。那么该区域通过激光扫描后，整体的温度会高于其他区域，需减小其加热装置的加热功率；成型制件N_ij的数量之和越小、成型制件位置P_ij的差值越大时，说明该区域内的成型制件数量少，且成型制件间间隔的距离大，那么该区域整体的温度会低于其他区域，需加大其加热装置的加热功率；

作为本发明的进一步优选方案，所述方法还包括：

计算出加热装置所能辐射范围内成型制件的复杂度Q_ij及薄壁B_ij的程度。通过辐射区域内成型制件的复杂度Q_ij及薄壁B_ij的程度来调整该加热装置i的加热功率W_i。成型制件的复杂度Q_ij越大，薄壁B_ij的数量之和越大，说明该区域内的扫描的区域数量多，且扫描区域细小。那么该区域通过激光扫描后，扫描区域对周围的温度比较敏感。如周围温度低，很容易产生变形翘曲，所以需加大其加热装置的加热功率；成型制件的复杂度Q_ij越小，薄壁B_ij的数量之和越小，说明该区域内的扫描的区域数量少，但扫描区域面积大，需减小其加热装置的加热功率。

本发明的维持工作缸整体温度均衡的控制方法，还包括以下步骤：根据检测装置反馈的温度数据T_i，计算出对应的温度变化率C_i，对温度变化率C_i大的区域进行合理调整；对温度数据T_i下降过快的区域，控制其加热装置，加大其加热功率，减小温度变化率C_i，使成型制件所在区域的温度缓慢下降；对温度数据T_i上升过快的区域，控制其加热装置，减小其加热功率，减小温度变化率C_i，使成型制件所在区域的温度缓慢上升；使各区域温度的变化率保持基本一致，减少由于温度的突变而造成成型制件由于散热不均导致的成型制件翘曲和变形，保证成型制件的烧结质量。

综上所述，本发明中，维持工作缸整体温度均衡的装置的控制方法的有益效果是，控制加热功率，使成型制件所在区域的温度下降速率均匀；能使各区域温度的变化速率保持基本一致，减少由于温度的突变而造成成型制件由于散热不均导致的成型制件翘曲和变形，保证成型制件的烧结质量。

附图说明

图1为本发明维持工作缸整体温度均衡的装置实施例结构框图。

图2为本发明维持工作缸整体温度均衡的装置实施例俯视图。

图3为本发明维持工作缸整体温度均衡的装置实施例的立体结构示意图。

图4为本发明维持工作缸整体温度均衡的装置实施例侧视示意图。

图5为本发明维持工作缸整体温度均衡的装置中工作缸缸体结构示意图。

图6为本发明控制方法中校准激光功率方法实施例的流程图。

具体实施方式

为了让本领域的技术人员更好地理解并实现本发明的技术方案，以下将结合说明书附图和具体实施例做进一步详细说明。

参见图1至图5，图中包括的部件名称及标记分别是，工作缸活塞1；工作缸缸体2；加热装置3；保温层4；隔热板5；外壳6；散热孔7；保温装置8；检测装置9；凹槽10；控制单元11。

参见图6，51表示计算每个区域内成型制品的数量及位置，控制工作缸加热装置的功率；52表示计算每个区域内成型制品形状复杂程度及厚薄程度，控制工作缸加热装置的功率；53表示根据检测装置反馈的温度数据，计算出温度的变化率，对变化率大的加热装置，实时控制其功率，保持各检测装置反馈的温度变化率一致。

参见图1至图5，维持工作缸整体温度均衡的装置，包括：

加热装置1，用于给工作缸进行加热，防止工作缸迅速降温或者升温，促使其温度缓慢变化的装置；

加热装置1，为片状加热器，通过高温导热胶或者其他高温粘接剂，使之完全贴合于工作缸缸体外表面。片状加热器有两种规格，分为上层加热器和下层加热器；其上层加热器沿着工作缸的缸体的顶部边缘开始，其高度不大于工作缸高度的1/3，下层的加热器紧挨着上层加热器，其高度不大于工作缸高度的1/2，当然还可以是其他的高度，具体情况根据设计需求而设计。

保温装置8，用于减少工作缸的热量对外扩散，维持其工作缸温度的装置。其包括保温层4、隔热板5、外壳6。所述保温层4置于加热装置1外，其高度与工作缸缸体2的高度一致，紧密包裹着工作缸；所述隔热板5置于保温层4和外壳6之间，用来阻止保温层4的温度传递到外壳6上，同时隔热板5上还设有若干个散热孔7，用于保温层热量的交换或温度高时热量的扩散；外壳6置于隔热板5外，固定于工作缸缸体2上，且置有和隔热板5一样的散热孔7。

检测装置9包括处理模块和热电阻传感器。所述热电阻传感器，置于工作缸缸体上2，加热装置1与工作缸缸体2之间，在工作缸缸体2上置有一条凹槽10，将热电阻传感器置于凹槽10中，填充导热硅脂，保证热电阻传感器9与工作缸缸体2的完全接触，使热量充分传递，测量准确；且每一块加热器均对应一个检测装置。

检测装置实时检测工作缸缸体2的温度，可以定为很小一段间隔时间（如1S）更新一次检测数据，保证其检测温度的准确性。当然，优选地，所述间隔时间可以设置为更小（如0.5秒）。

控制单元11，记录一段时间内检测装置反馈的温度数据，计算其工作缸缸体2温度的变化率，用于控制各区域加热装置3加热功率的变化，和用于控制各区域散热的冷却变化，使工作缸缸体2的温度下降保持缓慢、均衡的状态。

同时控制单元11根据加热装置3所能辐射范围和切片程序计算出的范围内所有成型制件的数量和位置来调整该加热装置3的加热功率。成型制件的数量之和越大、成型制件位置的差值越小时，需减小其加热装置3的加热功率；成型制件的数量之和越小、成型制件位置的差值越大时，需加大其加热装置3的加热功率；

同时控制单元11根据切片程序计算出加热装置3所能辐射范围内成型制件的复杂度及薄壁的程度来调整该加热装置3的加热功率。成型制件的复杂度越大，薄壁的数量之和越大，需加大其加热装置的加热功率；成型制件的复杂度越小，薄壁的数量之和越小，需减小其加热装置的加热功率。

本发明的维持工作缸整体温度均衡的装置，通过包括上述技术方案，使得本发明不仅能够智能的控制工作缸缸体加热装置的加热功率，以保证工作缸缸体温度的稳定，从而确保了成型制件温度的稳定，提高了成型制件的烧结质量；而且本发明装置具有多区域和高度的判断来控制工作缸缸体的加热装置，减少了由于成型制件大小的问题而造成机器的功率损耗，节约能源。

维持工作缸整体温度均衡的装置的控制方法，包括以下步骤：

通过切片预览计算出成型制件在工作缸中的位置及高度；

通过切片预览计算出成型制件的薄壁程度及成型制件的复杂度；

模拟出工作缸热负荷数据模型，根据模拟出工作缸热负荷数据模型，智能控制相应区域加热装置的功率变化，使成型制件所在区域的温度缓慢、均衡变化；根据缸体各个区面检测装置反馈的温度变化数据，对温度变化快的区域进行实时调整，对温度下降过快的区域，控制其加热装置，加大其加热功率，使成型制件所在区域的温度缓慢下降；对温度下降过缓的区域，控制其加热装置，减小其加热功率，使成型制件所在区域的温度下降速率加快；使各区域温度的变化速率保持基本一致。

计算出加热装置所能辐射范围内所有成型制件N_ij的数量和位置P_ij。通过辐射区域内成型制件N_ij的数量和成型制件的位置P_ij来调整该加热装置i的加热功率W_i。成型制件N_ij的数量之和越大、成型制件位置P_ij的差值越小时，说明该区域内的成型制件数量多，且成型制件间间隔的距离小。那么该区域通过激光扫描后，整体的温度会高于其他区域，需减小其加热装置的加热功率；成型制件N_ij的数量之和越小、成型制件位置P_ij的差值越大时，说明该区域内的成型制件数量少，且成型制件间间隔的距离大，那么该区域整体的温度会低于其他区域，需加大其加热装置的加热功率；

计算出加热装置所能辐射范围内成型制件的复杂度Q_ij及薄壁B_ij的程度。通过辐射区域内成型制件的复杂度Q_ij及薄壁B_ij的程度来调整该加热装置i的加热功率W_i。成型制件的复杂度Q_ij越大，薄壁B_ij的数量之和越大，说明该区域内的扫描的区域数量多，且扫描区域细小。那么该区域通过激光扫描后，扫描区域对周围的温度比较敏感。如周围温度低，很容易产生变形翘曲，所以需加大其加热装置的加热功率；成型制件的复杂度Q_ij越小，薄壁B_ij的数量之和越小，说明该区域内的扫描的区域数量少，但扫描区域面积大，需减小其加热装置的加热功率。

维持工作缸整体温度均衡的控制方法，还包括以下步骤：根据检测装置反馈的温度数据T_i，计算出对应的温度变化率C_i，对温度变化率C_i大的区域进行合理调整；对温度数据T_i下降过快的区域，控制其加热装置，加大其加热功率，减小温度变化率C_i，使成型制件所在区域的温度缓慢下降；对温度数据T_i上升过快的区域，控制其加热装置，减小其加热功率，减小温度变化率C_i，使成型制件所在区域的温度缓慢上升；使各区域温度的变化率保持基本一致，减少由于温度的突变而造成成型制件由于散热不均导致的成型制件翘曲和变形，保证成型制件的烧结质量。

以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均应属于本发明的保护范围。应当指出，在不脱离本发明原理前提下的若干修改和修饰，应视为本发明的保护范围。