[發(fā)明專利]一種基于視覺(jué)傳感的GTA增材制造系統(tǒng)及控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911275374.3
• 申請(qǐng)日: 2019-12-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111037050B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-01-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 從保強(qiáng);祁澤武;齊鉑金;鐘豪;張亞婷;孫雪君
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): B23K9/04
• 分類號(hào): B23K9/04;B23K9/133;B23K9/32;B33Y10/00;B33Y30/00
• 代理公司: 北京慕達(dá)星云知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 趙徐平

1.一種基于視覺(jué)傳感的鎢極惰性氣體保護(hù)電弧GTA增材制造系統(tǒng)，其特征在于，包括工作臺(tái)，氬弧焊槍，上位機(jī)控制系統(tǒng)，電弧熱源系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，機(jī)器人，圖像采集系統(tǒng)，送絲系統(tǒng)，送絲旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和供氣系統(tǒng)；

所述電弧熱源系統(tǒng)，用于接收所述上位機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出的電弧參數(shù)及指令，在增材制造過(guò)程中與所述氬弧焊槍及所述工作臺(tái)形成回路，提供電弧熱源，并向所述上位機(jī)控制系統(tǒng)反饋實(shí)際電弧參數(shù)；

所述運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，用于接收所述上位機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出的運(yùn)動(dòng)參數(shù)及指令，控制所述機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)；并向所述上位機(jī)控制系統(tǒng)反饋實(shí)際運(yùn)動(dòng)參數(shù)；

所述機(jī)器人，用于固定所述氬弧焊槍和所述圖像采集系統(tǒng)，使所述氬弧焊槍和所述圖像采集系統(tǒng)按照運(yùn)動(dòng)參數(shù)移動(dòng)；

所述圖像采集系統(tǒng)，聚焦于所述氬弧焊槍鎢極正下方1.5～2.5mm處，用于采集電弧形貌，并向所述上位機(jī)控制系統(tǒng)反饋采集的電弧圖像信息；

所述送絲系統(tǒng)包括送絲控制器，送絲機(jī)和送絲管；

所述送絲控制器用于接收所述上位機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出的送絲參數(shù)及指令，控制所述送絲機(jī)送絲，并向所述上位機(jī)控制系統(tǒng)反饋實(shí)際送絲參數(shù)；

所述送絲管安裝于所述送絲旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上；絲材從所述送絲機(jī)的出絲口送出后穿入所述送絲管，由送絲管穿出后絲材端部位于所述氬弧焊槍鎢極下方偏向運(yùn)動(dòng)方向的位置；

所述送絲旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括送絲旋轉(zhuǎn)控制器和旋轉(zhuǎn)盤；所述送絲旋轉(zhuǎn)控制器用于接收所述上位機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出的送絲角度旋轉(zhuǎn)參數(shù)及指令，控制所述旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)；所述送絲管安裝于所述旋轉(zhuǎn)盤上，隨所述旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)送絲角度；

所述送絲旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與所述氬弧焊槍位置相對(duì)固定，隨所述氬弧焊槍沿運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)；

所述供氣系統(tǒng)，包括氣路與電路，所述氣路與所述氬弧焊槍通過(guò)導(dǎo)管連接，所述電路根據(jù)所述上位機(jī)控制系統(tǒng)的指令控制供氣的啟動(dòng)和停止。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于視覺(jué)傳感的鎢極惰性氣體保護(hù)電弧GTA增材制造系統(tǒng)，其特征在于，

所述電弧參數(shù)包括電弧電流參數(shù)和電弧電壓參數(shù)；

所述運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括運(yùn)動(dòng)路徑和運(yùn)動(dòng)速度參數(shù)；所述運(yùn)動(dòng)路徑包括X軸路徑、Y軸路徑、Z軸路徑；

所述送絲參數(shù)包括送絲速度。

3.一種基于視覺(jué)傳感的鎢極惰性氣體保護(hù)電弧GTA增材制造控制方法，其特征在于，利用權(quán)利要求1或2所述的GTA增材制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制，包括如下步驟：

(1)在上位機(jī)控制系統(tǒng)上設(shè)定好電弧參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、送絲參數(shù)，啟動(dòng)電弧增材制造過(guò)程；

(2)增材制造過(guò)程中，電弧熱源系統(tǒng)采集實(shí)際電弧參數(shù)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采集機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動(dòng)參數(shù)，送絲系統(tǒng)采集實(shí)際送絲參數(shù)，圖像采集系統(tǒng)采集電弧形貌信息；實(shí)時(shí)采集的信號(hào)均反饋至上位機(jī)控制系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)工藝參數(shù)信息顯示；

(3)上位機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)部MATLAB工程軟件對(duì)電弧形貌信息進(jìn)行圖像處理，提取電弧長(zhǎng)度和熔滴過(guò)渡模式信息，并進(jìn)行信息顯示；同時(shí)，基于提取出的電弧長(zhǎng)度和熔滴過(guò)渡模式信息，進(jìn)行弧長(zhǎng)調(diào)節(jié)及送絲角度調(diào)節(jié)；

弧長(zhǎng)調(diào)節(jié)優(yōu)先于送絲角度調(diào)節(jié)；

所述弧長(zhǎng)調(diào)節(jié)的具體過(guò)程為：

(1)實(shí)時(shí)提取電弧長(zhǎng)度信息，鎢極端部至上一沉積層的距離定義為實(shí)際電弧長(zhǎng)度L，將實(shí)際電弧長(zhǎng)度L與預(yù)設(shè)電弧長(zhǎng)度閾值比較，預(yù)設(shè)電弧長(zhǎng)度閾值L_max＝(1+10％)L₀，L_min＝(1-10％)L₀，L₀為預(yù)設(shè)電弧長(zhǎng)度；

(2)若L大于L_max，則由上位機(jī)控制系統(tǒng)輸出Z軸下降指令至運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，控制機(jī)器人使氬弧焊槍高度降低，從而減小電弧長(zhǎng)度，直至L處于L_min～L_max之間；

(3)若L小于L_min，則由上位機(jī)控制系統(tǒng)輸出Z軸上升指令至運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，控制機(jī)器人使氬弧焊槍高度升高，從而增大電弧長(zhǎng)度，直至L處于L_min～L_max之間。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于視覺(jué)傳感的鎢極惰性氣體保護(hù)電弧GTA增材制造控制方法，其特征在于，

在弧長(zhǎng)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行送絲角度調(diào)節(jié)，送絲角度調(diào)節(jié)的具體步驟為：

上位機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)電弧形貌信息，判斷熔滴過(guò)渡模式：

(1)若兩相鄰電弧形貌圖像采集幀的電弧輪廓重疊面積小于兩幀中任意一幀電弧輪廓面積的85％，則表明電弧一端處于在熔池和絲材間變換的不穩(wěn)定狀態(tài)，判定熔滴過(guò)渡模式為滴狀過(guò)渡模式；此時(shí)由上位機(jī)控制系統(tǒng)輸出送絲角度增大指令至送絲旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，控制送絲角度增大，絲材端部高度降低，直至不呈滴狀過(guò)渡模式的臨界，即絲材呈連續(xù)流淌過(guò)渡；

(2)若兩相鄰電弧形貌圖像采集幀的電弧輪廓重疊面積大于或等于兩幀各自電弧輪廓面積的85％，則表明電弧兩端在鎢極與熔池間呈穩(wěn)定狀態(tài)；此時(shí)存在呈連續(xù)流淌過(guò)渡或絲材未送進(jìn)熔池兩種情況，將后一幀電弧輪廓沿鎢極中心縱軸劃分成左右兩個(gè)區(qū)域：若左右區(qū)域電弧輪廓面積之差大于或等于整體電弧輪廓面積的10％，即電弧輪廓沿鎢極中心縱軸不呈軸對(duì)稱，則表明存在絲材送進(jìn)熔池，判定熔滴過(guò)渡模式為連續(xù)流淌過(guò)渡，此時(shí)無(wú)需進(jìn)行送絲角度調(diào)節(jié)；若左右區(qū)域電弧輪廓面積之差小于整體電弧輪廓面積的10％，即電弧輪廓沿鎢極中心縱軸近似呈軸對(duì)稱，則表明絲材未送進(jìn)熔池，此時(shí)由上位機(jī)控制系統(tǒng)輸出送絲角度減小指令至送絲旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，控制送絲角度減小，絲材端部高度升高；

(3)根據(jù)上位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)定程序進(jìn)行填充絲材逐層沉積，待上位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)定程序運(yùn)行完成后，結(jié)束電弧增材制造過(guò)程。