[發明專利]一種電弧增材制造過程的自適應控制系統及方法

有效

• 申請號: 202011362184.8
• 申請日: 2020-11-27
• 公開（公告）號: CN112620652B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 蔡笑宇;董博倫;林三寶;李權;王福德;趙衍華;范成磊;楊春利
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學;首都航天機械有限公司
• 主分類號: B22F12/00
• 分類號: B22F12/00;B22F12/90;B22F10/18;B33Y30/00;B33Y40/00
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 劉景祥

本發明公開了一種電弧增材制造過程的自適應控制系統及方法。數據采集模塊通過前置式紅外熱成像儀采集熔池前方的溫度信息并傳輸至控制模塊，通過前置式相機采集熔池圖像并傳輸至控制模塊，通過前置式結構光傳感器采集上一沉積層的輪廓信息并傳輸至控制模塊；控制模塊的數據處理器用于處理數據采集模塊傳輸的數據信息，控制模塊的前饋控制器基于對電弧能量和送絲速度進行前饋控制；控制模塊的反饋控制器對電弧能量進行反饋控制；通信模塊將控制模塊的控制信號傳輸至電源和送絲機；控制器自學習模塊用于前饋控制器人工智能模型的訓練。本發明提高了電弧增材制造技術對復雜結構的適用性。

技術領域

本發明涉及一種電弧增材制造過程的自適應控制系統及方法，屬于電弧增材制造與智能制造技術領域。

背景技術

電弧增材制造是一種以電弧為熱源，金屬絲材為填充材料的增材制造技術。對于尺寸較大，幾何形狀復雜的結構，傳統的等材制造和減材制造工藝存在制造工藝復雜，柔性化程度低，材料浪費嚴重等問題。采用電弧增材制造技術則可簡化制造工藝，快速響應產品結構設計，降低制造成本，應用前景廣闊。增材制造過程中材料的成形受散熱條件變化的影響很大，尺寸精度難以保證，這是增材制造結構質量控制所面臨的挑戰之一。目前大多數增材制造產品的制造過程仍是開環的，沉積參數在路徑規劃時就已確定。而在工業生產中，人們更希望能夠根據沉積過程中的工況的變化，自適應調整工藝參數來保證成形。然而增材制造過程的高度復雜性尚不能通過普適的數學模型來描述，過程控制的實現難度較大，提出可行的自適應控制方法是目前亟待解決的問題。若能在電弧增材制造過程中對材料的成形進行自適應控制，將有利于電弧增材制造的精度，并獲得更加穩定的產品質量。

發明內容

本發明針對電弧增材制造過程中材料的成形受散熱條件變化影響大，尺寸精度難以保證的問題，提出了一種電弧增材制造過程的自適應控制系統及方法。從根本上解決了復雜結構電弧增材制造時因散熱條件多變所引起的成形不均勻，沉積尺寸與設計尺寸偏差較大的問題，提高了電弧增材制造技術對復雜結構的適用性。

一種電弧增材制造過程的自適應控制系統，所述自適應控制系統包括數據采集模塊、控制模塊、通信模塊和控制器學習模塊，所述采集模塊、控制模塊和通信模塊依次連接，其中，

所述數據采集模塊，用于，通過前置式紅外熱成像儀采集熔池前方的溫度信息并傳輸至控制模塊，通過前置式相機采集熔池圖像并傳輸至所述控制模塊，通過前置式結構光傳感器采集上一沉積層的輪廓信息并傳輸至所述控制模塊；

所述控制模塊，包括數據處理器、前饋控制器和反饋控制器，所述數據處理器用于處理數據采集模塊傳輸的數據信息，從所述前置紅外熱成像儀傳輸的溫度場信息中提取熔池前方溫度場和溫度梯度場，從所述前置式相機傳輸的熔池圖像中提取熔池的實時尺寸，從前置式結構光傳感器傳輸的上一沉積層的輪廓信息中提取上一沉積層的尺寸；所述前饋控制器基于人工智能模型根據熔池前方溫度場和溫度梯度場信息對電弧能量進行前饋控制，根據上一沉積層的尺寸對送絲速度進行前饋控制；所述反饋控制器根據熔池的實時尺寸對電弧能量進行反饋控制；

所述通信模塊，用于將控制模塊的控制信號傳輸至電源，實現對電弧能量的實時調節，將控制模塊的控制信號傳輸至送絲機，實現對送絲速度的實時調節；

所述控制器自學習模塊，用于前饋控制器人工智能模型的訓練。

進一步的，所述前饋控制器基于人工神經元網絡，所述人工神經元網絡通過熔池前方溫度場和溫度梯度場信息預測沉積過程進行至該處時所需的電弧能量增量，通過上一沉積層的尺寸信息預測沉積過程進行至該處時所需的送絲速度增量。

進一步的，所述控制器自學習模塊，通過有限元數值模擬獲得大量隨機結構的電弧增材制造過程溫度場理論數據，通過迭代學習使所述前饋控制器的人工智能模型達到理想的精度。

一種電弧增材制造過程的自適應控制方法，基于上述的一種電弧增材制造過程的自適應控制系統，所述自適應控制方法包括以下步驟：