基于LabView的激光熔覆/激光重熔过程温度场实时监测
系统
技术领域
[0001] 本
发明涉及一种激光加工过程温度场测量领域，具体来说，是一种
基于LabView的激光熔覆/激光重熔过程温度场实时监测系统。
背景技术
[0002] 激光熔覆、激光重熔、
激光焊接等激光加工过程一个共同的特点就是在高能束激光作用下与金属材料相互作用形成高温熔池。但激光加工特有的急冷急热特性以及输入
能量的不均衡不稳定特点势必导致温度场的显著变化，影响金属熔池的
稳定性，产生较大的温度梯度和热应
力，进而引起成形件或涂层的
翘曲变形、开裂等
缺陷。比外，加工过程中温度场的演变决定了激光熔池内的
传热传质，进而直接影响到了熔池的形状、金属层及基体的组织、性能、表面
质量等。因此对激光加工过程进行温度场测量和监控，对于揭示其温度场演变规律、合理选择材料及优化加工工艺参数、控制成形质量有着极其重要的意义。
[0003] 目前激光熔覆/激光重熔过程中温度场的测量一般都是通过
热电偶、便携式红外测温枪或红外热成像仪、基于高速CCD的温度场测量等方法进行。
[0004] 热电偶测温具有结构简、单应用广泛、型号多、测温范围广、价格低廉等优点，但其测量方式为
接触式测量，在测量时需要在基体上打孔埋入热电偶，对基体造成破坏，而且不能测量熔池中心点处的温度，只能定点测量，不能进行实时温度测量。
[0005] 便携式红外测温枪或红外热成像仪属于非接触式测量，携带方便，而且能够进行远距离测量，近年来在测温领域使用越来越广泛。但商业化的红外测温枪或红外热成像仪测温范围较小，一般都在1200℃以下，如果要进行高温测量则需要专
门定制、价格较为昂贵。关键是商业化的便携式红外测温枪不能对整个加工过程进行实时测量，只能采集某一时刻温度，无法获取加工过程温度场的演变规律。红外热成像仪虽然能够录制整个加工过程录像，获取加工过程温度场，但要根据其外形结构设计专用夹具，而且一般由于体积较大，不便于安装在加工机床
主轴上。
[0006] 基于高速CCD的温度场测量，其原理是通过高速CCD拍摄激光加工过程中熔池的热
辐射图像，然后通过
图像处理技术进行标定、对比即可得到物体表面的温度场分布，是高温物体温度场检测的一个新的发展趋势，但受
黑体辐射源设备限制，其温度标定范围也受到限制，特别是在高温区域标定方面；而且在图像
数据采集、图像处理、程序设计开发等方面较为繁琐，总体上还处于实验室阶段。
发明内容
[0007] 为了解决上述
现有技术和测温系统的不足，本发明提供一种基于LabView的激光熔覆/激光重熔过程温度场实时监测系统，该系统以上位机技术、
单片机技术、虚拟仪器技术、测试技术等为
基础，根据实际加工工艺研制出操作简单、界面友好、开放性强的温度实时测量系统，能够满足激光熔覆、激光重熔以及
激光焊接等激光加工过程中温度场的测量需求。
[0008] 本发明是以如下技术方案实现的：一种基于LabView的激光熔覆/激光重熔过程温度场实时监测系统，由
软件控制部分和温度测量装置组成，其特征在于：所述的软件控制部分包含有LabView程序和单片机程序；LabView程序的参数设置包括控制界面模
块、图形控
制模块、参数显示模块、温度曲线动态显示窗口和动态
温度计；
[0009] 控制界面模块设有串口输入、波特率输入、启动/停止按钮、报警温度设置、数据输出路径设置和温度超限警告灯；
[0010] 图形
控制模块设有移动游标工具、缩放和平移选项，还有温度曲线设置选项；
[0011] 参数显示模块设有日期、实时温度、报警温度、
精度选择、时间和周期选择选项；
[0012] 单片机程序设有上位机串口通信模块、
电压控制模块；
[0013] 所述的温度测量装置由红外测温
传感器、单片机、22.1184MHZ晶振及复位
电路、单片机供电电源模块、红外传感器供电电源模块、激光加工机床构成；
[0014] 将红外测温传感器通过线路与单片机连接，单片机通过RS232芯片与上位机相连，红外测温传感器电源模块与红外测温传感器连接，单片机电源模块与单片机连接，22.1184MHZ晶振及复位电路与单片机连接；通过夹具将红外测温传感器固定在激光加工机床主轴上。
[0015] 控制界面模块中数据输出路径设置可以保存为用Excel或Origin两种软件打开的文件。
[0016] 图形控制模块中温度曲线设置选项具有折线图、散点图、面积图、直线图、直方图五种常用显示模式。
[0017] 所述的温度曲线动态显示窗口中纵坐标温度数值可以根据需求进行起始温度和终止温度设置，只需单击两端温度值，然后输入新的温度值即可。动态温度计也可以根据需求进行起始温度和终止温度设置。
[0018] 参数显示模块中精度选择可以输入有三种精度“1”、“2”和“3”，当输入“1”数据精度为整数，“2”时数据精度为小数点后一位，“3”时精度为小数点后两位。当输入“1”数据精度为整数，“2”时数据精度为“0.1”，“3”时数据精度“0.01”。
[0019] 参数显示模块中在周期选择栏目中可输入用户自定义数值。
[0020] 所述的温度场实时监测系统，其操作步骤为：
[0021] ①通过夹具将红外测温传感器固定在激光加工机床主轴上，并与热源中心对准；
[0022] ②开启上位机，在上位机屏幕上出现
系统软件操作界面；
[0023] ③在操作界面上设置各个参数：在请选择输入串口中选择串口号，点击选择即可；在波特率栏中输入本系统固定波特率115200，根据加工材料的需要输入报警温度，在数据输出路径栏目输入存储数据的路径及格式，路径可自定义；格式可选择保存成利用Excel或Origin软件打开的两种；
[0024] ④在系统操作界面上精度选择窗口栏目根据需要输入三种精度“1”、“2”和“3”之一；当输入“1”数据精度为整数，“2”时数据精度为小数点后一位，“3”时精度为小数点后两位；在周期选择栏目输入用户自定义数值；
[0025] ⑤在系统操作界面上图形控制模块中左键单击温度曲线，选择常用曲线、
颜色设置、线条样式功能，其中常用曲线包括折线图、散点图、面积图、直线图、直方图五种常用显示模式，选择其中一种常用曲线；
[0026] ⑥当所有控制参数和显示模式设置完毕后，点击系统操作界面上启动/停止按钮，当开始一个新的实验时，点击该按钮变亮，再单击左上
角运行按钮，仪器即开始工作；当温度测量结束时，点击该按钮，仪器即停止工作；
[0027] ⑦若在测温过程中或实验结束时想查看测温曲线细节，可充分利用图形控制模块中的图形缩放和平移功能进行局部、全局查看及上下、左右平移；
[0028] ⑧数据和图片的输出与保存：当温度测量完毕后，在温度曲线动态显示窗口上单击右键选择导出按钮——导出简化图像即可将温度测量结果曲线以位图的形式保存至所需文件夹，以供分析使用；同时测量数据自动保存在步骤③中所设置的路径中，可以在计算中利用Excel或Origin软件打开进一步分析和编辑。
[0029] 本发明的有益效果：
[0030] 1.界面简单、友好、功能实用，所有模块一目了然，集成度高，开放性强，可根据需要进行二次开发。
[0031] 2.可以根据需要输出Excel和Origin文件，有利于
数据处理，可以用Excel或Origin软件直接打开。
[0032] 3.为防止材料
气化和温度过高，可设置报警温度，同时伴随有温度报警声音设置，若温度高于设定值，将发出警报声，可通过数控编程调节工艺参数来保证成形件性能。
[0033] 4.根据测量需要可以选择整数、0.1、0.01三种不同数据精度，能满足实验或科研需要。
[0034] 5.在温度曲线动态显示窗口，被测量温度实时动态显示，便于观察，并配合右侧柱状温度计进行观察。动态温度曲线可以利用图形控制功能模块中的缩放功能进行曲线的全局和局部的动态缩放，满足全局和细节查看需求。
[0035] 6.本测温系统可以通过改变测温传感器的
位置即可是进行定点和动态两种温度测量，满足不同条件需要。
附图说明
[0036] 下面结合附图及
实施例对本发明作进一步说明。
[0039] 图3是本发明下位机单片机程序流程图；
[0040] 图4是本发明LabView操作界面示意图；
[0041] 图5是本发明图形控制模块中图形缩放六种模式示意图；
[0042] 图6是本发明图形控制模块中温度曲线六种图形显示模式示意图；
[0043] 图7是本发明系统电路图；
[0044] 图8是本发明一种参数设置及测温过程系统界面；
[0045] 图9是本发明一种温度曲线图。
具体实施方式
[0046] 基于LabView的激光熔覆/激光重熔过程温度场实时监测系统，主要由软件控制部分和温度测量装置组成，软件控制部分由LabView程序和单片机程序组成。
[0047] 如图1所示，温度测量装置包括红外测温传感器、单片机、单片机供电电源模块、传感器供电电源模块、22.1184MH晶振及复位电路。所述的红外测温传感器通过线路与单片机连接，单片机通过RS232芯片与上位机相连，24V电源适配器与传感器连接，5V电源适配器与单片机相连，红外测温传感器通过夹具固定在激光加工机床主轴上。
[0048] 单片机电源模块包括一个5V的电源适配器、保护
开关及电源指示灯。电源适配器将220V交流电经过电源
变压器、整流、滤波、稳压等过程转
化成5V的直流稳压电源，给单片机供电。传感器供电电源模块主要包含一个24V的电源适配器，同样经过上述转化得到一个24V的直流稳压电源给红外传感器供电。之所以采用两个电源，主要是由于A/D转换时以单片机的工作电压作为参考电压，为避免单片机工作电源
波动影响A/D转换结果，从而影响数据采集的准确性，因此在向单片机和传感器供电时分别采用独立的高精度稳压电源，确保了数据采集的准确性。
[0049] 其中，单片机供电电源模块采用LG中国有限公司的TA-22GT2型电源适配器，接通220V交流电后，电源内部的转压电路将220V交流电经过电源变压器、整流、滤波、稳压等过程转化成24V的直流稳压电源，然后给单片机进行供电。
[0050] 红外测温传感器供电电源模块采用湘潭市华鑫
电子科技有限公司的型HX2403-A(608)型电源适配器。接通220V交流电后，电源适配器内部的转压电路将220V交流电经过电源变压器、整流、滤波、稳压等过程转化成5V的直流稳压电源，然后给红外测温传感器进行供电。
[0051] 激光加工机床一般是由CO2
激光器和数控系统组成的数控激光加工机床。
[0052] 如图2和图3所示，温度场测温系统工作时，上位机按照图2的程序流程图工作，下位机按照图3的流程图运行。上位机开启后，出现如图4所示的LabView操作界面，包含控制界面、图形控制、参数显示、温度曲线动态显示和动态温度计五大模块。图形控制模块包含图形操作和温度曲线连个操控面板，其中图形操作可以实现切换、缩放和滚动模式三种功能，而缩放可以实现六种缩放模式，如图5所示，A是将一个矩形区域放大，B是将两条纵线之间的区域放大，C是将两条横线之间的区域放大，D是取消最后一次放大，恢复上一步设置，E是以一个点为中心放大，F是以一个点为中心缩小。
[0053] 温度曲线有六种显示模式，如图6所示，1是折线图，2是散点图，3是数据点折线图，4是面积图，5是直线图，6是直方图。
[0054] 如图7所示，当电源开始向单片机和传感器供电后，各部分开始工作，温度传感器开始采集温度数据，并将采集的温度数据以电压的形式输出，单片机的A/D采集口将温度传感器输出的数据计算处理后，通过Max232串口通信电路，将转化好的数据发送给上位机。
[0055] 将图1中的本发明基于LabView的激光熔覆/激光重熔过程温度场实时监测系统应用于激光加工过程中基体某定点热源的温度测量，本发明测温系统的操作步骤是：
[0056] ①将红外测温传感器通过线路与单片机连接，单片机通过RS232芯片与上位机相连，红外测温传感器电源模块与红外测温传感器连接，单片机电源模块与单片机连接，按下单片机上保护开关，此时指示灯亮起，表明系统处于工作状态。然后通过夹具将红外测温传感器固定在激光加工机床
工作台上，并与基体某点对准。
[0057] ②将本发明的测温系统接入电源，开启上位机，上位机和下位机的流程图如图2和图3所示，在上位机屏幕上出现如图4所示的操作界面。
[0058] ③在操作界面上设置各个参数：在请选择输入串口中选择串口号COM3，在波特率栏中输入固定波特率115200，根据加工材料的需要输入报警温度，在数据输出路径栏目输入存储数据的路径及格式G:\TEMP.XSL，如图8所示。
[0059] ④在图形控制模块中左键单击温度曲线，选择常用曲线显示模式，如图6所示的六种模式，一般选择折线图应用较多。
[0060] ⑤在参数显示模块中精度选择栏目根据需要输入三种可选精度“1”、“2”、“3”，本实施例中根据需要输入“3”，此时数据精度“0.01”。在周期选择栏目输入用户自定义数值，如输入周期为50，即每50ms接收到一个温度数据。日期和时间栏目系统会自动给出，与当前上位机时间保持一致，如图8所示。
[0061] ⑥上述参数设置完毕后，先点击系统操作界面上启动/停止按钮，再单击左上角运行按钮，测温系统开始工作。温度曲线动态显示模块会显示动态的温度曲线，动态温度计中的标尺会上下浮动显示当前温度，参数显示模块中的实时温度会动态显示当前瞬时温度，如图8所示。当温度测量结束时，
鼠标左键单击启动/停止按钮，测温系统停止工作。
[0062] ⑦若在测温过程中想查看测温曲线细节，可充分利用图形控制模块中的图形缩放和平移功能，缩放功能有六种，如图5所示，平移功能可实现曲线的上下、左右平移。
[0063] ⑧数据和图片的输出与保存。当温度测量完毕后，在温度曲线动态显示窗口上单击右键选择导出按钮——导出简化图像即可将温度测量结果曲线以位图的形式保存至所需文件夹，以供分析使用，图片结果如图9所示。同时测量数据自动保存在步骤③中所设置的路径中，可以在计算中利用Excel或Origin软件打开进一步分析和编辑。
[0064] 该系统可以实现激光重熔、激光熔覆、激光焊接等激光加工过程中温度数据的实时采集、动态监测，高温警报、温度数据存储和输出、不同温度曲线显示模式设置和温度曲线图片输出、不同温度精度设置、温度曲线动态显示、数据的回放、查看与编辑等功能，根据测温要求选择不同测温范围的传感器，可实现0～2500℃以内的温度测量。本系统
人机交互界面友好、操作简单、具有较强的升级扩展能力，可广泛应用于激光重熔、激光熔覆、激光焊接等激光加工过程中移动熔池热源温度或定点热源温度测量和监测领域，是研究上述激光加工过程中温度场演变的有效工具。
[0065] 实验员通过显示器能清楚的观察到激光重熔过程中温度变化，便于工作人员读取，取代以往逐点测温，再分析处理的方式，给激光熔覆、激光重熔以及激光焊接过程中温度场的获取及分析处理带来极大的方便。
[0066] 在实验进行中或实验后，都能通过通讯模块与PC机相连对刚才的加工过程进行反复观察、定点分析、温度曲线的分析处理等操作，能更好，更快，更准确的得出温度场结果。
