[發明專利]前饋補償的GTA填絲增材制造成形高度反饋控制方法

有效

• 申請號: 201810524076.2
• 申請日: 2018-05-28
• 公開（公告）號: CN108723550B
• 公開（公告）日: 2020-04-14
• 發明（設計）人: 熊俊;皮宇鵬;陳輝
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: B23K9/095
• 分類號: B23K9/095;B23K9/167;G06T5/00;G06T7/00;G06T7/10;G06T7/136;G06T7/181
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 敖歡;葛啟函

本發明公開了一種前饋補償的GTA填絲增材制造成形高度反饋控制方法，所述方法包括以下步驟：視覺傳感器采集GTA電弧、電弧前方固態金屬與電弧后方熔池圖像；圖像處理算法檢測電弧前方固態金屬表面和電弧后方熔池尾部固態金屬表面；分別計算前饋檢測點偏差與反饋檢測點偏差；將前饋檢測點偏差補償到累加反饋檢測點偏差中，將其作為反饋控制器的輸入，計算控制參數的變化量；本發明方法將前饋檢測的高度偏差引入到反饋檢測的高度偏差中，利用前饋檢測的超前預測作用，有效克服了前述堆積層對當前堆積層高度的干擾，解決了傳統單純反饋檢測控制高度波動大的難題，為GTA填絲增材制造成形高度的高精度控制奠定了強有力的基礎。

技術領域

本發明屬于電弧填絲增材制造技術領域，具體涉及一種前饋補償的鎢極惰性氣體(Gastungsten arc，GTA)填絲增材制造成形高度反饋控制方法。

背景技術

GTA填絲增材制造采用GTA電弧作為熱源，外加輔助絲材作為填充材料，逐層堆積成形金屬構件。目前，該技術在鈦合金、鎳基高溫合金、高強鋁合金構件的制造上有著良好的應用前景。但是，GTA填絲增材制造存在眾多干擾因素，如堆積層散熱、工藝參數擾動等，致使當前堆積層成形高度與GTA焊槍提升的設定高度不一致。經過多層堆積后，鎢針到堆積層表面的距離變化較為顯著。如果距離過大，電弧能量發散，堆積層成形變差；如距離過小，鎢針接觸熔池，致使熔池污染。

目前，有研究學者提出采用視覺傳感器檢測鎢針尖端到當前堆積層表面的距離，通過在線調整工藝參數，實現堆積高度的反饋控制。但是反饋控制的穩定性較差，體現在成形件高度控制的不均勻，其產生原因主要有以下兩點：(1)常規的反饋檢測位置距離鎢極尖端較遠，檢測系統存在較大的滯后，其過程控制屬于滯后控制；(2)先前堆積層高度的非均勻性對當前堆積層的影響較大。為改善成形件堆積高度的均勻性，并進一步提高成形尺寸精度，亟需開發一種考慮先前堆積層干擾的檢測與控制方法。為此，本發明提出一種基于前饋補償的GTA填絲增材制造成形高度反饋控制新方法。

發明內容

本發明的目的是為解決現有GTA增材制造過程視覺反饋控制高度穩定性差且控制精度低的難題，提出一種前饋補償的GTA填絲增材制造成形高度反饋控制方法。

為實現上述發明目的，本發明提供一種前饋補償的GTA填絲增材制造成形高度反饋控制方法，包括以下步驟：

步驟一：調節視覺傳感器位置，使視覺傳感器光心垂直于GTA槍與成形路徑方向組成的平面，采集GTA電弧、電弧前方凝固金屬與電弧后方熔池圖像，設定鎢針尖端到成形層表面的理想控制值S₀為2.5-6.5mm，成形一層后，GTA槍抬升的高度z為0.4-1.9mm；

步驟二：引燃GTA電弧，沿成形路徑方向，在電弧前方金屬凝固區域設定第一矩形區域，第一矩形區域的正中心到GTA槍軸線的距離為6-9mm，在電弧后方熔池尾部金屬凝固區域設定第二矩形區域，第二矩形區域的正中心到GTA槍軸線的距離為5-15mm，采樣時刻為t時，利用圖像處理算法提取第一矩形區域內凝固金屬上的表面點，即前饋點，確定前饋點到GTA槍內鎢針末端的水平距離L，確定鎢針末端到前饋點的垂直距離S₁(t)，進一步利用圖像處理算法提取第二矩形區域內熔池尾部凝固金屬上的表面點，即反饋點，確定反饋點到GTA槍內鎢針末端的垂直距離S₂(t)；

步驟三：確定前饋超前參量d，計算t時刻的反饋點偏差error₂(t)＝S₂(t)-S₀，計算t-d時刻的前饋點偏差error₁(t-d)＝S₁(t-d)-z-S₀；其中，S₁(t-d)是(t-d)時刻前饋點到鎢針末端的垂直距離；