技术领域本实用新型属于高能束增材制造技术领域，具体涉及一种立体式、分区式梯度温度场主动调控系统。本实用新型特别适用于高能束增材制造及其热处理，也适用于其他需要有温度梯度调控的加工型设备中。
背景技术：
相对于传统的去除-切削加工方法，增材制造技术是一种基于“离散-堆砌”原理“自下而上，逐层增加”由零件三维数据驱动直接制造所需零件的方法。在此基础上,金属增材制造技术是以高能束流（激光束、电子束、等离子或离子束）为热源，加热材料使之结合（烧结或熔化），直接制造零件的方法。在加工过程中由于经受多次快速重熔和高温热循环的影响，温度场、构件的尺寸精度处于不断变化。受零件形状、尺寸变化的影响，逐层制造的零件中往往容易因局部温度不均匀产生热应力从而导致零件的变形、收缩和翘曲，当构件的尺寸越大、形状越复杂时这一现象更加突出。为了改善形局部热输入造成的不均匀温度场而产生的残余应力，最常用的办法是对加工好的成形件进行后续热处理，其中经历的冷却-再升温过程将会造成时间、保护气体、热能等资源上不同的浪费，而这将直接增加研发周期以及研发成本。此外，冷却过程中可能出现应力释放导致加工好的构件出现变形、翘曲甚至开裂等情况，加大生产出次品、废品的风险。最重要的是，变形、翘曲甚至开裂等情况往往在加工过程中便已经出现，此种方法由于缺少对成形过程中的内应力控制，并不能从根本上解决问题。针对这一情况提出在加工前及加工过程中对成形区域进行预热处理，在材料的熔化-凝固过程中起到预热缓冷的作用，通过对温度场的调节减小甚至消除加工过程中的内应力。当前文献中的处理办法大多集中为在成形区域底部添加加热装置进行温度场的调控，（如EOS-SLM设备，采用基板预热，最高升温至80℃;Trumpf-SLM设备，采用基板预热，最高升温至250℃；文献Microstructuralandmechanicalapproachesoftheselectivelasermeltingprocessappliedtoanickel-basesuperalloy.JournalofMaterialsProcessingTechnology213(2013)606–613中提到的可将预热温度升到900℃等）,此种方法的弊端在于由于仅能通过底部加热进行单向预热,其预热效果将随着成形高度的增加而不断下降;除此之外还有利用人提出利用金属感应线圈对送粉缸进行预热（选择性激光选区熔化SLM设备送粉筒预热装置和预热方法，专利申请号201310024599.8）。但是由于在成形过程中，温度场的变化受成形工艺、零件形状复杂程度、尺寸大小、成形高度等多方面的影响，而上述控制方法由于其温度场控制灵活性不足，缺少对内部温度场的有效监测及控制手段，因而无法保证不同构件的加工质量一致性。为了实现加工过程中温度梯度的监测及可控，本申请人提出了一种成形区域温度梯度可控的高能束选区熔化方法与设备（专利申请号201510437070.8），该发明利用测温模块所测得的成形区域边界温度实时计算出熔池内部的温度梯度区间，并通过温控模块对成形区域施加合适的热流条件以实现对熔池及成形区域温度梯度区间的控制，但此方法仅局限于Z方向上的温度梯度控制，无法进行XOY平面上的温度梯度控制。
技术实现要素：
针对上述问题，为了克服传统温度场控制系统单一不可自由调节的缺点，实现加工过程中Z方向及XOY平面的温度梯度调控，减小甚至消除加工过程中因温度梯度产生的内应力，本实用新型提供了一种用于高能束增材制造的温度场主动调控系统。为了克服传统温度场控制系统单一不可自由调节的缺点，本实用新型提供一种立体式、分区式梯度温度场主动调控系统。本实用新型提供的一种用于高能束增材制造的温度场主动调控系统，其特征在于，该系统包括温度场监控系统、加热系统和控制系统；所述温度场监控系统包括红外相机和测温热电偶，所述加热系统包括侧面加热系统、底面加热系统和冷却系统；所述红外相机位于腔体内顶部，观测角度对准成型缸上表面，用于对整个成形区域进行实时监控获取整个成形区域XOZ平面的温度场云图，并提供给控制系统；所述测温热电偶均匀分布在成型缸的四周，用于对整个成形区域进行实时监控获取加工整个成形区域XOZ及YOZ平面的温度点阵分布图；所述底面加热系统固定在升降活塞和基板之间，并保证底面加热系统上表面水平，侧面加热系统分布在成型缸四周，侧面温度控制系统用于作为主要的热源进行温度场的控制调节；所述冷却系统由包裹在侧面加热系统外侧包裹的冷却层构成，其作用在于加工完成后对成型缸的冷却及避免加工过程中腔体内部过热；所述控制系统分别与侧面加热系统以及底面加热系统通过控制信号连接，控制系统用于分别或同时控制温度场监控与反馈，底面加热系统的开启、关闭、功率调节，以及底面加热系统的开启、关闭、功率调节。作为上述技术方案的改进，所述侧面加热系统由分布于成形缸的四周的四个侧面加热子统构成；单个侧面加热子系统由阵列分布的c×d个独立的侧面加热子模块构成；每个侧面加热子模块与一个所述测温热电偶唯一对应。作为上述技术方案的进一步改进，所述底面加热系统是由阵列分布的a×b个独立的底面加热子模块构成，这些独立的加热子模块均在同一个水平面上整齐排列，并由控制系统利用红外摄像机获得的温度场云图进行独立判断开启或者停止加热。上述侧面加热子模块与底面加热子模块结构相同，均由两层陶瓷板及夹在中间的加热功率可连续调节的加热元件构成。本实用新型利用红外相机对整个成形区域进行实时监控获取整个成形区域XOY平面的温度场云图，解决了传统热电偶智能进行简单点测量的缺点，对整个成形过程进行连续监控，并实时调整整个加工区域的温度场，确保在加工过程中整个加工区域的温度场恒定。本实用新型通过四周均匀分布的测温热电偶对整个成形区域进行实时监控获取加工整个成形区域XOZ及YOZ平面的温度点阵分布图，绘制温度分布曲线，并通过四周分布的加热系统进行实时调整，确保加工过程中整个加工区域的温度场恒定。本实用新型系统集温度场监控系统、加热系统、温度控制系统为一体。在加工过程中温度控制实现PID参数自动调节，当局部温度偏离设计温度时能通过调整相应加热模块的开启、关闭、功率调节实现温度的自动调节。本实用新型的主要原理为，在构件的加工过程中，利用红外相机及成形缸四周的测温热电偶（可同时开启或单独开启）对加工过程进行实时监控并获得整个系统内的温度场信息。将获得的温度场信息反馈给控制系统，将该信息进行量化处理并通过控制系统对各个独立的加热模块（成形缸底面a×b个加热模块及成形缸四周4c×d个加热模块共计（a×b+4c×d）个加热模块构成）进行温度场的调节（相应加热模块的开启、关闭、功率调节），从而实现在加工过程中整个加工区域的温度场恒定。在加工完成以后再根据是否需要进行后续热处理选择不同的处理机制。因此与传统的温度场控制系统相比，该发明主要具有如下优点：1.利用温度场监控系统，对加工过程中整个加工区域进行实时立体监控，有效获得各个区域温度信息，并量化处理；2.利用各个独立加热模块，根据1所获得的温度场信息进行温度场控制，增强了针对不同加工参数、不同构件尺寸、形状的温度控制灵活性；3.在成形过程中直接去除应力，避免在成形过程中出现变形、翘曲甚至开裂等情况；4.成形-热处理一体化，减少中间环节，既增加了加工效率又减少了保护气体、热能的浪费，缩短了成形设备占用时间；5.利用成形区域外围的循环冷却水，使成形区域与机床区域分离，保证了机床温度不受加热影响，确保了成形过程中的安全性及稳定性。附图说明图1为本实用新型的立体式、分区式梯度温度场主动调控系统的结构示意图；图2为本实用新型的侧面加热系统的分布示意图（俯视图）；图3为本实用新型的单个侧面加热子系统的结构示意图；图4为本实用新型的底面加热系统分布示意图；图5为本实用新型的独立的加热子模块的结构示意图；图6为本实用新型的循环冷却系统示意图，其中，6A为主视图，6B为俯视图；图7为本实用新型具体实施过程中的加工及温度控制流程图；图8为本实用新型仅使用红外相机时的结构示意图；图9为本实用新型仅使用侧面测温热电偶时的结构示意图；图1－9中，1表示腔体，2表示红外相机，3表示气体出口，4表示工作台，5表示冷却层，6表示侧面加热系统，7表示测温热电偶，8表示成型缸，9表示气体入口，10表示控制系统，11表示零件已成形部分，12表示基板，13表示底面加热系统，14表示升降活塞，15表示冷却水出口，16表示冷水机，17表示冷却水入口，18表示侧面加热子模块，19、19’表示陶瓷板，20表示加热元件，21表示石棉布，22表示底面加热子模块、23表示冷却管。具体实施方式为了尽可能的降低在成形过程中因温度不均匀造成的不利影响，本实用新型设计了一套由温度场监控系统、加热系统和控制系统构成的梯度温度场主动调控系统。通过测量成形区域XOY平面及四周的温度场信息，将获得的温度场信息反馈给控制系统，将该信息进行量化处理并通过控制系统对各个独立的底面加热子模块及侧面加热子模块进行温度场的调节，从而实现在加工过程中整个加工区域的温度场恒定，避免热应力导致构件翘曲、变形、开裂。下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。如图1所示，本实用新型实例主要包括红外相机2、侧面加热系统6、测温热电偶7、控制系统10、底面加热系统13以及冷却系统。如图1所示，成型缸8位于腔体1内部中间，其下端连接有升降活塞14。底面加热系统13通过定位螺丝孔固定在升降活塞14上表面，并保证底面加热系统13上表面水平，其加热范围为20~900℃，底面加热系统13上表面加工有定位螺丝孔。基板12通过定位螺丝固定在加热系统13上，在设备工作的初始阶段，基板12上表面保持水平并与工作台4上表面处于同一水平面上。成型缸8四周分布着侧面加热系统6。在加工成形过程中，侧面温度控制系统6将作为主要的热源进行温度场的控制调节，其加热范围为20~900℃。冷却系统由包裹在侧面加热系统外侧包裹的冷却层5构成，其作用在于加工完成后对成型缸的冷却及避免加工过程中腔体内部过热。工作时冷却层5通过冷却水入口17与自带或外配的冷水机16相连，以获得连续输送的冷却水并经由冷却水出口15重新回到冷水机16中进行强制制冷。冷却系统可以确保在成形过程中机床温度不受加热影响，保证成形过程中的安全性。红外相机2位于腔体1内顶部，观测角度对准成型缸上表面，这样的目的是避免加工过程中扬起的烟尘对红外相机造成影响。在腔体1的两侧分别设计有气体入口9和气体出口3。在加工初始阶段，高纯的保护气体（氮气、氩气、氦气或其混合气体等，具体根据材料的物理、化学性质及加工需求等确定）由气体入口9充入腔体1内部，并将腔体1内部空气自气体出口3赶出以保证腔体1内部水、氧含量降低到所需的范围内。同时，红外相机安装位置略微向气体入口9偏移，气体入、出口设计可以将加工过程中产生的烟尘随气流带走，避免大量烟尘影响加工过程并保证红外相机2的观测精度。控制系统10分别用控制线与红外相机2、侧面加热系统6、底面加热系统13及升降活塞14连接，以控制它们工作。控制系统10发出指令可分别或同时控制加工启动、停止、加工参数，温度场监控与反馈，底面加热系统的开启、关闭、功率调节，侧面加热系统的开启、关闭、功率调节，升降活塞14的上升、下降及运动速度控制。如图2所示，侧面加热系统6由分布于成形缸8的四周的四个侧面加热子统61、62、63和64构成。如图3所示，单个侧面加热子系统由阵列分布的c×d个独立的侧面加热子模块18构成；每个侧面加热子模块18与一个测温热电偶7唯一对应，则每个侧面加热子系统均设有阵列分布的c×d个测温热电偶7，各测温热电偶7由控制系统10独立控制，实现测温-控温的精确控制。由于单个侧面加热子系统（61、62、63、64）每一行均由d个独立的侧面加热子模块18构成，为了方便后续介绍、说明，在此定义侧面加热系统6中第p行（1≤p≤c）所有的共计4d个侧面加热子模块18为侧面加热模块6-p。即6-p为侧面加热系统6中第p行所有的4d个侧面加热子模块。如图4所示，底面加热系统13是由阵列分布的a×b个独立的底面加热子模块22构成，这些独立的加热子模块均在同一个水平面上整齐排列，定义第m行，第n列的加热子模块为加热子模块22mn(其中1≤m≤a，1≤n≤b，其中a，b为正整数，分别表示加热模块的行数和列数)，它们由控制系统10独立控制，实现分别加热。如图5所示，侧面加热子模块18与底面加热子模块22结构相同，均由两层陶瓷板19、19’及夹在中间的加热功率可连续调节的加热元件20（可根据实际情况选择高温硅钼棒、电阻丝、电炉丝或其不同组合）构成。具体加热元件种类的选择侧面加热子模块18与底面加热子模块22可相同或不同。从图6A、6B可以看出，环绕侧面加热系统6的冷却层5由石棉布21及外侧的冷却管23构成。石棉布21主要起到保温隔热及降低温度梯度的作用，水冷机16产生的冷却水自冷却水入口17进入冷却管23并自下而上逆时针作用最后自冷却水出口15排出腔体并回到冷水机16强制制冷，如此循环达到冷却作用。本实用新型调控系统具有报警反馈功能，当控制系统检测到成形过程中区域内局部温度过高时，强制停止该区域加热并通过报警装置示警提醒。具体实现过程为：（1）通过红外相机实时或者间歇拍摄成形缸内温度场云图并反馈给控制系统，控制系统进行图像处理后根据a×b个加热模块的摆放位置转化为a×b个温度数字信号后再对加热模块进行开启、停止、温度控制。例如当第m行，第n列区域温度Tmn＞设定温度（T+ΔT）℃时(其中ΔT为设置的温度波动值，ΔT＞0)，降低对应加热模块或者停止其加热使区域内温度保持在设定温度T附近；当第m行，第n列区域温度Tmn＜设定温度（T-ΔT）℃时，开启或升高对应加热模块使区域内温度保持在设定温度T附近。通过对加热模块的温度控制达到整个XOY平面内温度场趋于恒定。当局部温度过高时(超出设置温度20~50℃)预警提示,强制关闭对应区域加热模块使区域温度降至温度区间(T-ΔT,T+ΔT)时恢复加热。（2）通过测温热电偶对整个成形区域进行实时监控获取加工整个成形区域XOZ及YOZ平面的温度点阵分布图，绘制温度分布曲线，并通过四周分布的加热模块进行实时调整，确保加工过程中整个加工区域的温度场恒定。当局部温度过高时(超出设置温度20~50℃)预警提示,强制关闭对应区域侧面加热模块并加快冷却水流量进行强制冷却;当该区域温度降至温度区间(T-ΔT,T+ΔT)时恢复加热。实施例一：本实例的结构如图1所示，以激光快速成型为例，同步使用红外相机2、测温热电偶进行温度场监控，如图7所示，控制系统10同步完成零件加工、温度测量及温度控制，具体的工作流程如下：（1)基板12安装及调平：将喷砂后的基板通过定位螺丝固定于底面加热系统13上，利用千分表使基板12上表面保持水平并保证基板12上表面与工作台4处于同一个水平面上；（2)建立保护气氛：手动将腔体1封闭，将保护气体气源（氮气、氩气、氦气或上述气体组成的混合气体等）与气体入口9连接，依次打开气体出口3及气体入口9阀门并调整气体流量，通过气体不断置换使腔体内部的氧含量降低到1PPM以下；（3)根据待加工构件XOY平面投影图，开启底面加热系统13，同步打开投影图对应底面加热子模块22，将基板12均匀升温至设定预热温度T1（80~200℃，根据材料及加工要求确定），开启红外相机2对成型区域进行温度监控并转化为数字温度信号反馈给控制系统10；根据待加工构件XOZ及YOZ平面投影图，开启第一、第二行侧面加热模块6-1及6-2对应的侧面加热子模块18，使侧面加热模块6-1升温至设定预热温度T2（80~200℃，根据材料及加工要求确定），6-2升温至0.4~0.8T2（根据材料及加工要求确定）；（4)将设计好的加工图形及加工参数导入计算机，在控制系统10的控制下开始进行加工；（5)采用逐层扫描加工的方式，即每加工一层，基板12便下降10~100μm（根据材料及加工要求确定）；（6)当基板12位置下降到侧面加热模块6-p的位置时，保持6-1~6-（p-1）加热模块温度处于设定预热温度T2附近，升温加热模块6-p至T2，升温加热模块6-（p+1）至（0.4~0.8）T2（根据材料及加工要求确定）。也就是说，当基板12位置下降到侧面加热模块6-p位置时，对应的侧面加热系统温度场为6-1~6-p维持在T2，6-（p+1）温度升温至0.4~0.8T2（根据材料及加工要求确定）；（7)在实际的加工过程中，通过红外相机2实时或者间歇拍摄成形缸内温度场云图并反馈给控制系统10，控制系统10进行图像处理后根据a×b个底部加热子模块22的摆放位置转化为a×b个温度数字信号后再对底部加热子模块22进行开启、停止、温度控制；通过测温热电偶对整个成形区域进行实时监控获取加工整个成形区域XOZ及YOZ平面的温度点阵分布图，绘制温度分布曲线，并通过四周分布的侧面加热系统进行实时调整，确保加工过程中整个加工区域的温度场恒定。底面温度控制与侧面温度控制可单独使用也可相互配合使用。通过测温热电偶对整个成形区域进行实时监控获取加工整个成形区域XOZ及YOZ平面的温度点阵分布图，绘制温度分布曲线，并通过四周分布的加热系统进行实时调整，确保加工过程中整个加工区域的温度场恒定；（8)重复上述步骤（5）~（7），直至完成整个零件的加工成形；（9)依次关闭气体出口3、气体入口9，使腔体内部呈一个密封状态，待腔体内构件冷却至室温后打开腔体1并将基板12连同成形的零件一同取出并回收剩余材料，然后用线切割的方法将零件从基板上切下，此时所有的加工操作完成。实施例二：本实例如采用的结构如图8所示，以激光快速成型为例，仅使用红外相机进行温度场监控，具体的工作流程参考实施例一中的图7所示。区别在于在成形过程中，仅通过红外相机2进行温度场的温度监控而无需开启测温热电偶7。需要注意的是，在此实施例中，由于未开启测温热电偶7，成形过程中XOZ及YOZ平面上的温度场调控仅通过控制系统10对侧面加热系统6的设定温度进行控制。例如，当基板12位置下降到侧面加热模块6-p位置时，设定对应的侧面加热系统6-1~6-p升温温度为T2，设定侧面加热系统6-（p+1）升温温度为0.4~0.8T2（根据材料及加工要求确定）。实施例三：本实例如采用的结构如图9所示，以激光快速成型为例，仅使用测温热电偶7进行温度场监控，具体的工作流程参考实施例一中的图7所示。区别在于在成形过程中，仅通过测温热电偶7进行温度场的监控而无需开启红外相机2。需要注意的是，在此实施例中，由于未开启红外相机2，成形过程中XOY平面上的温度场调控仅通过控制系统10对底面加热系统13的设定温度进行控制。例如，根据待加工构件XOY平面投影图，开启底面加热系统13，同步打开投影图对应底面加热子模块22，升温温度为T1（80~200℃，根据材料及加工要求确定）。实施例四：以激光快速成型-热处理为例，在零件的加工过程中直接进行去应力处理，具体的工作流程如下：重复实施例一，将预热温度T1、T2设置为300~800℃（具体根据材料及零件尺寸大小确定），在加工的过程中直接进行去应力退火及其他相关热处理过程，待加工完成后只需依次关闭气体入口3、气体出口9，使腔体内部呈一个密封状态，待腔体内构件冷却至室温后打开腔体1并将基板12连同成型的零件一同取出并回收剩余材料，然后用线切割的方法将零件从基板上切下，再依据实际需求（如材料物理性质、用途等）进行相关热处理。实施例五：以激光快速成型+后续热处理为例，在成形具体的工作流程如下：（1)重复实施例一中（1）~（8）；（2)依次关闭气体出口3、气体入口9，使腔体内部呈一个密封状态，在已有温度的基础上同步升温底面加热系统13、侧面加热系统6至温度T3并保温1~5小时（300~800℃，依据材料及零件尺寸大小确定）然后随炉冷却至室温进行去应力退火处理；（3)依据零件的实际需求（如材料物理性质、用途等），在腔体进行相关热处理；（4)关闭底面加热系统13、侧面加热系统6加热状态，待腔体内部温度降至室温后，打开腔体1并将基板12连同成型的零件一同取出并回收剩余材料，然后用线切割的方法将零件从基板上切下。以上所述为本实用新型的较佳实施例而已，但本实用新型不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本实用新型所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本实用新型保护的范围。