[發明專利]基于弱弧光特征提取的GTA熔絲增材制造過程穩態判定方法

有效

• 申請號: 202010360579.8
• 申請日: 2020-04-30
• 公開（公告）號: CN111626988B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 楊東青;熊俊;施孟含;王克鴻;彭勇;王小偉;黃勇
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G06T7/90;G06T7/136;G06T7/181;G06T5/00;G06T7/80
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 趙毅

本發明公開了一種基于弱弧光特征提取的GTA熔絲增材制造過程穩態判定方法，所述方法包括以下步驟：本發明所述過程穩態是通過電弧弧長表征的，安裝視覺傳感器，調節光圈，直至圖像中電弧區域像素灰度值處于100～210，固定光圈，定義此時電弧弧光為弱弧光；采集弱弧光電弧圖像，對圖像依次進行高斯濾波、大津法閾值分割、Sobel算子提取邊緣、最小二乘法擬合曲線等處理，最終確定電弧弧長，當電弧弧長穩定在3.5～7.5mm時，則判定GTA熔絲增材制造過程為穩定的。本發明有效解決了GTA熔絲增材制造過程穩態判定的難題，方法精確度高、穩態判定過程耗時少、效率高、不受設備電信號干擾、可實現自動化判定，為后續GTA熔絲增材制造過程穩態控制奠定基礎。

技術領域

本發明屬于電弧熔絲增材制造技術領域，具體涉及一種基于弱弧光特征提取的GTA熔絲增材制造過程穩態判定方法。

背景技術

GTA熔絲增材制造是基于離散-堆積原理，利用鎢極產生的電弧為熱源融化填充絲材，根據三維模型進行路徑規劃，逐層堆疊成形金屬構件的先進制造技術，該技術具有絲材利用率高、沉積效率高、成形件致密性高等優點，在鈦合金、不銹鋼、高強鋼等金屬件制造中均有廣泛應用。

在GTA熔絲增材制造中，每堆積一層，GTA槍抬高一個分層切片的高度，理想狀態下堆積層高度與分層切片高度應保持一致，但隨著層數的增多，散熱條件越來越差，熔池受表面張力作用小，成形件在堆積過程中難以保持每層層高的穩定。若堆積層層高過小，易引起電弧的飄移，電弧能量不集中；若堆積層層高過大，鎢極易與堆積層接觸，發生短路，電弧熄滅，損壞鎢極，這兩種情況都會造成GTA熔絲增材制造過程穩定性差，最終導致成形效果差，甚至無法成形。因此，有必要提出一種GTA熔絲增材制造過程穩態判定方法。

關于GTA熔絲增材制造過程穩態的研究，有學者采用通循環冷卻水的方法來降低層間溫度，改善散熱條件，增強GTA熔絲增材制造過程穩定性，但該方法僅對靠近基板的堆積層有效，對于遠離基板的堆積層，散熱效果不顯著；有學者提出增加層間冷卻時間的控制策略，但該方法耗時長、效率低下，不適用于自動化生產；也有學者采用弧壓傳感的方法來提取電弧弧長，并以此表征增材制造過程穩定性，但該方法極易受設備電信號干擾，電弧電壓波動大，需要一系列濾波操作后才能提取有效信號，過程十分復雜。

發明內容

本發明的目的是解決GTA熔絲增材制造過程穩定性差的難題，提供一種基于弱弧光特征提取的GTA熔絲增材制造過程穩態判定方法。

為實現上述發明目的，一種基于弱弧光特征提取的GTA熔絲增材制造過程穩態判定方法，所述過程穩態是通過電弧弧長表征的，其特征在于包括以下步驟：

步驟一：將視覺傳感器固定在GTA槍上，使視覺傳感器垂直于GTA軸線與堆積路徑方向所構成的平面并正對鎢極；

步驟二：啟動視覺傳感器，采集圖像，對圖像進行標定，標定比例因子記為l；

步驟三：將GTA槍調節至基板上方，開啟GTA電源，采集圖像，同時調節視覺傳感器的光圈，直至圖像中電弧區域像素灰度值處于100～210時，定義此時電弧弧光為弱弧光，固定光圈，采集當前時刻圖像；

本發明中電弧區域像素灰度值取值范圍設定在100～210的原因是：如果電弧區域像素灰度值過小，圖像中電弧形態不完整，無法準確提取電弧弧長；如果電弧區域像素灰度值過大，電弧弧光過強，電弧弧光與熔池相連，無法準確提取電弧弧長

步驟四：在采集的圖像中確定鎢極直徑所占像素d和鎢極尖端的位置P(m,n)，其中，m為行坐標，n為列坐標，以點A(m+id,n)、點B(m+id,n-gd)、點C(m+kd,n-gd)、點D(m+kd,n)圍成的矩形ABCD為圖像處理區域，記為區域E；

步驟五：開發圖像處理算法，對區域E處理，具體步驟如下：

(1)采用高斯濾波對區域E進行處理，其函數定義式為