[發明專利]一種基于高速視覺和電參數協同傳感控制的高氮鋼電弧增材系統及其控制方法

有效

• 申請號: 202011157575.6
• 申請日: 2020-10-26
• 公開（公告）號: CN112238279B
• 公開（公告）日: 2021-11-12
• 發明（設計）人: 彭勇;方輝;王克鴻;程遠;李瑞峰;劉江華;郭振;王小滿;張考
• 申請（專利權）人: 南京聯空智能增材研究院有限公司
• 主分類號: B23K9/04
• 分類號: B23K9/04;B33Y10/00;B33Y30/00
• 代理公司: 南京泰普專利代理事務所(普通合伙) 32360
• 代理人: 張磊

1.一種基于高速視覺和電參數協同傳感控制的高氮鋼電弧增材控制方法，其特征在于，所述控制方法基于如下電弧增材系統，包括：

用于控制焊槍運動的增材機器人；

用于提供焊接電流的CMT電源；

用于熔化絲材進行增材工作的CMT焊槍；

用于產生高速相機拍攝熔滴過渡時的光源的激光器；

用于拍攝增材時熔滴過渡狀態的高速相機；

用于采集增材時電流電壓波形的電信號采集單元；

用于接收增材時采集到的熔滴過渡圖像和電流電壓波形，并根據熔滴大小和狀態控制CMT電源的焊接電流電壓波形的上位機控制器；

所述CMT電源產生CMT+P的復合電流電壓波形，所述高速相機的鏡頭前設有與所述激光器匹配、且用于過濾弧光的濾光片，所述高速相機以預定拍攝頻率拍攝；

所述電信號采集單元與所述高速相機相連，電信號采集單元開始采集時給高速相機一個外部脈沖觸發信號實現同步采集；

所述上位機控制器接收來自所述高速相機采集到的熔滴過渡圖像，并接收來自所述電信號采集單元上傳的電流電壓波形，實時提取熔滴大小和過渡特性，將熔滴大小與預設閾值進行對比，同時反饋給CMT電源進行輸出電流電壓波形的實時調節；

所述電弧增材控制方法包括如下步驟：

通過控制使得脈沖階段形成的熔滴在CMT階段完成過渡，通過上位機控制器以脈沖階段形成的熔滴的直徑為反饋量，以脈沖峰值電流時間和脈沖峰值電流大小為控制量，在保證每一道熔敷金屬成型良好的基礎上減小因熔滴過大進而爆炸產生的飛濺；

CMT電源輸出電流電壓波形的實時反饋調節過程為：

1）增材開始前，預設CMT+P電流波形的特征參數，脈沖峰值電流時間為t_p，脈沖峰值電流大小為I_p；

2）增材開始，熔滴在脈沖峰值階段形成并長大，并伴隨著預定程度的爆炸，接著在CMT階段過渡到熔池中；

3）對脈沖峰值階段形成的熔滴最大直徑D與預設閾值進行比較，當D小于D_min時，反饋控制信號提高脈沖峰值電流時間至（D_min/D）t_p或提高脈沖峰值電流大小至（D_min/D）I_p，當D大于D_max時，反饋控制信號降低脈沖峰值電流時間至（D_max/D）t_p或降低脈沖峰值電流大小至（D_max/D）I_p；所述脈沖峰值電流時間調節范圍為1.8ms~4.6ms，所述脈沖峰值電流大小調節范圍為150A~300A；

所述CMT+P電流波形中CMT與P的個數比為1:1，即一個脈沖階段結束后開始CMT階段，脈沖階段形成的熔滴通過CMT階段的焊絲送進和回抽運動完成過渡；

所述閾值D_min為保證焊縫成型良好的最小值，所述閾值D_max為保證熔滴穩定不產生劇烈爆炸的最大值；

所述高氮鋼電弧增材控制方法包括如下步驟：

S1、高速相機與激光器聚焦于焊絲末端用于采集熔滴過渡圖像并將圖像顯示在上位機控制器上，在脈沖基值階段和CMT階段，熔滴維持不變或在預定范圍內長大，不產生飛濺；在脈沖峰值階段，熔滴迅速長大至預定大小后產生飛濺，因此首先對脈沖峰值階段的圖像進行逐幀截取；

接著利用Matlab批量對截取的圖像進行閾值分割，因為液態熔滴本身跟周圍存在不同的灰度值，設置臨界灰度值為T，圖像中高于T值時將此像素灰度值設為255，低于T值時將此像素灰度值設為0，得到二值圖像；

然后進行數字形態處理，對從熔滴中分離出來的飛濺和細小熔滴的干擾信息進行排除；

最后利用Matlab批量計算二值圖像的像素面積并轉換成對應的熔滴直徑，相互之間比較得到脈沖峰值階段中熔滴能長大的最大直徑D；

S2、上位機控制器接收到電信號采集單元上傳的電流電壓波形；

S3、上位機控制器實時將提取的熔滴大小與預設閾值進行對比，同時反饋給CMT電源進行輸出電流電壓波形的實時調節。