CN107999932A - Gta填丝增材制造弧长前馈检测与开环控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种GTA填丝增材制造弧长前馈检测与开环控制方法，所述方法包括以下步骤：视觉系统采集GTA电弧图像，沿堆积路径方向，检测窗口位置设定在GTA电弧前方；采用平滑滤波、前一层固态金属边缘检测、边缘像素点Hough拟合等算法确定前一层固态金属上边缘位置，并计算其到钨极尖端的垂直距离，以此表征电弧弧长；计算前馈检测的超前步数；经超前步数延迟后，确定当前时刻弧长误差，调节单变量工艺参数进行弧长开环控制。本发明方法提出弧长前馈检测，提前计算弧长误差，待GTA焊枪运动至检测位置处开始控制弧长，有效解决了传统反馈检测由于检测过程滞后引起的控制尺寸波动难题。
Description
技术领域
本发明属于电弧填丝增材制造技术领域，具体涉及一种钨极氩弧(Gas tungstenarc，GTA) 填丝增材制造弧长前馈检测与开环控制方法。
背景技术
GTA填丝增材制造以GTA电弧作为热源，金属丝材送入电弧熔化并形成连续堆积道，根据设定路径层层堆积成形金属结构件。与其他电弧填丝增材制造技术相比，GTA填丝增材制造具有设备成本低、热输入小、成形精度高、堆积电流与送丝速度分别可调等显著优点，因而在贵重金属，如钛合金、镍基高温合金构件的直接成形上有良好的应用前景。
GTA填丝增材制造是多层堆积过程，每堆积一层，GTA焊枪升高一个预设层高，由于各种干扰因素的影响，如：层间温度、基板状况、工艺参数波动，致使实际堆积的层片高度与设定层高不符，多层堆积后，造成钨极尖端到堆积层表面距离(电弧弧长)发生变化。如果弧长过长，电弧能量分散，熔滴过渡不顺畅，堆积过程稳定性降低；如果弧长太短，可能导致钨极尖端与堆积层发生碰撞。因此，有必要开展GTA填丝增材制造弧长的实时检测与控制。
视觉检测由于信息量丰富而被广泛应用于电弧焊接及增材制造过程，有研究学者提出采用视觉传感检测熔池尾部上表面到钨极尖端的距离，该方法也不失为一种有效表征弧长的检测方式。但是，熔池尾部到钨极尖端存在一定水平距离，导致检测过程存在一定的滞后，属于滞后检测，其弧长控制过程属于过后控制，虽然这种方法可以提高GTA增材制造弧长的稳定性，但控制效果存在很大的波动。因此，有必要提出一种无滞后的检测与控制方法，从而进一步提高GTA填丝增材制造弧长及堆积过程的稳定性。
发明内容
本发明的目的是为解决GTA填丝增材制造弧长稳定性差引起的堆积缺陷以及现有滞后检测引起的控制稳定性差等难题，提供一种GTA填丝增材制造弧长前馈检测与开环控制方法。
为实现上述发明目的，本发明提供一种GTA填丝增材制造弧长前馈检测与开环控制方法，弧长是通过GTA焊枪内钨极尖端到前一层固态金属表面的垂直距离表征的，弧长前馈检测是指沿堆积路径方向，检测窗口内的固态金属表面位于钨极前方，弧长开环控制是根据前馈检测的弧长误差，调节工艺参数并开环控制弧长，包括以下步骤：
步骤一：被动视觉传感系统正对GTA焊枪，采集GTA电弧图像，沿堆积路径方向，检测窗口位置位于GTA电弧前方，窗口中心到钨极尖端的水平距离D为7-12mm，GTA电弧辐射光照明GTA电弧附近前一层固态金属表面，对窗口内的前一层固态金属表面进行检测；
D设定在7-12mm是因为如果窗口中心到钨极尖端的水平距离过小，则检测窗口容易受到GTA电弧波动的干扰，导致窗口内像素点的灰度信息被电弧湮没，难以检测前一层固态金属表面；如果窗口中心到钨极尖端的水平距离过大，窗口内的前一层固态金属表面受GTA电弧照明较弱，导致上边缘难以检测，因此，文中D设定在这个范围内是合理的。
步骤二：对窗口范围内的所有像素点进行平滑滤波、前一层固态金属表面上边缘检测、边缘像素点的Hough拟合，弧长为前一层固态金属上边缘到钨极尖端的垂直距离H；
步骤三：计算弧长前馈检测的超前步数n＝[D/(VS)+0.5]
其中，V为行走速度，单位为mm/s，S为检测系统的采样周期，单位为s，[]表示取整符号；
步骤四：前馈检测的弧长经n步延迟后，计算当前k时刻弧长误差e(k)＝H(k-n)-h-H0，其中，H(k-n)表示(k-n)时刻检测的前一层固态金属上边缘到钨极尖端的垂直距离，h为分层切片的层高，H0为初始设定弧长；
步骤五：计算k时刻开环控制的单变量工艺参数值W(k)＝e(k)/P+W0，
其中，P为增益系数，W0为初始单变量工艺参数值；
步骤六：重复步骤二和步骤四，在每个采样时刻，根据步骤四确定的弧长误差判断是否进行开环控制，如果弧长误差为零，则单变量工艺参数值为W0，否则，根据步骤五计算新的单变量工艺参数值，并实现GTA填丝增材制造弧长的开环控制。
作为优选方式，步骤五中所述的单变量工艺参数为堆积电流或送丝速度。
作为优选方式，步骤五中增益系数P是通过以下步骤确定的：
(a)GTA焊枪运动至基板上方，GTA焊枪指向与基板表面垂直，初始设定弧长为H0，即钨极尖端到基板表面的距离，采用同一工艺参数在基板上堆积N层单道直壁件，N＝4-8，单变量工艺参数初始值为W0，相邻层间的堆积路径方向相反，每堆积完一层，GTA电弧熄灭，层间等待30-120s；
(b)继续堆积第(N+1)层，单变量工艺参数为W0，待电弧运动至堆积路径长度一半时，调节的单变量工艺参数由W0瞬时阶跃至新的值W1，待完成(N+1)层堆积后，测量单变量工艺参数阶跃前(N+1)层的平均高度Q1和阶跃后(N+1)层的平均高度Q2；
(c)计算增益系数P＝(Q2-Q1)/(W1-W0)。
本发明方法具有的突出优点是：本发明方法采用被动视觉监测沿堆积路径方向位于GTA 电弧前方的前一层固态金属表面，设计算法提取前一层固态金属表面到钨极尖端的垂直距离，计算前馈检测的超前步数和前馈检测弧长误差，确定了单变量工艺参数控制值。与传统方法相比，本发明方法提出前馈检测，提前计算弧长误差，待GTA焊枪运动至检测位置处，根据弧长误差开始实时开环控制，有效解决了传统反馈检测由于检测过程滞后引起的控制波动难题。
附图说明
图1是GTA填丝增材制造弧长视觉传感检测位置示意图；
图2是前馈视觉检测及开环控制系统示意图；
图3是采集的原始电弧图像及前馈检测窗口位置；
图4是前一层固态金属表面上边缘的检测；
图5是前馈控制堆积的典型直壁件。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本实施例的具体试验平台：GTA填丝增材制造电源为Fronius MW300，送丝机型号为 KD4010，运动执行机构为MOTOMAN机器人，GTA焊枪固定在MOTOMAN机器人第六轴末端上，机器人控制GTA焊枪的运动，填充丝材为ER506低碳钢焊丝，丝材直径1.2mm，基板材质为Q235B低碳钢，基板尺寸为150mm×80mm×4mm。试验用工艺参数为：电流 150A，堆积速度3.3mm/s，送丝速度1.7m/min，纯氩作为保护气，气体流量为15L/min。
本实施例采用的视觉传感系统为：如图1所示，GTA焊枪垂直于基板平面，沿堆积路径方向，导丝管内的丝材沿电弧前方送入，视觉传感系统由摄像机和减光片构成，视觉传感系统位于X轴上且其轴线垂直于YOZ平面，即安装位置正对GTA焊枪。
前馈视觉检测及开环控制系统示意图如图2所示，一种GTA填丝增材制造弧长前馈检测与开环控制方法，弧长是通过GTA焊枪内钨极尖端到前一层固态金属表面的垂直距离表征的，弧长前馈检测是指沿堆积路径方向，检测窗口内的固态金属表面位于钨极前方，弧长开环控制是根据前馈检测的弧长误差，调节工艺参数并开环控制弧长，包括以下步骤：
步骤一：被动视觉传感系统正对GTA焊枪，采集GTA电弧图像，沿堆积路径方向，检测窗口位置位于GTA电弧前方，窗口中心到钨极尖端的水平距离D为7-12mm，GTA电弧辐射光照明GTA电弧附近前一层固态金属表面，对窗口内的前一层固态金属表面进行检测，采集的电弧图像与前馈检测窗口设定位置如图3所示；
步骤二：对窗口范围内的所有像素点进行平滑滤波、前一层固态金属表面上边缘检测、边缘像素点的Hough拟合，前一层固态金属表面上边缘的检测结果如图4所示，弧长为前一层固态金属上边缘到钨极尖端的垂直距离H；
步骤三：计算弧长前馈检测的超前步数n＝[D/(VS)+0.5]，
其中，V为行走速度，单位为mm/s，S为检测系统的采样周期，单位为s，[]表示取整符号；
步骤四：前馈检测的弧长经n步延迟后，计算当前k时刻弧长误差e(k)＝H(k-n)-h-H0其中，H(k-n)表示(k-n)时刻检测的前一层固态金属上边缘到钨极尖端的垂直距离，h为分层切片的层高，H0为初始设定弧长；
步骤五：计算k时刻开环控制的单变量工艺参数值W(k)＝e(k)/P+W0
其中，P为增益系数，W0为初始单变量工艺参数值；
步骤六：重复步骤二和步骤四，在每个采样时刻，根据步骤四确定的弧长误差判断是否进行开环控制，如果弧长误差为零，则单变量工艺参数值为W0，否则，根据步骤五计算新的单变量工艺参数值，并实现GTA填丝增材制造弧长的开环控制，图5是前馈控制堆积的典型直壁件。
步骤五中所述的单变量工艺参数为堆积电流或送丝速度。
步骤五中增益系数P是通过以下步骤确定的：
(a)GTA焊枪运动至基板上方，GTA焊枪指向与基板表面垂直，初始设定弧长为H0，即钨极尖端到基板表面的距离，采用同一工艺参数在基板上堆积N层单道直壁件，N＝4-8，单变量工艺参数初始值为W0，相邻层间的堆积路径方向相反，每堆积完一层，GTA电弧熄灭，层间等待30-120s；
(b)继续堆积第(N+1)层，单变量工艺参数为W0，待电弧运动至堆积路径长度一半时，调节的单变量工艺参数由W0瞬时阶跃至新的值W1，待完成(N+1)层堆积后，测量单变量工艺参数阶跃前(N+1)层的平均高度Q1和阶跃后(N+1)层的平均高度Q2；
(c)计算增益系数P＝(Q2-Q1)/(W1-W0)。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (3)
1.一种GTA填丝增材制造弧长前馈检测与开环控制方法，弧长是通过GTA焊枪内钨极尖端到前一层固态金属表面的垂直距离表征的，弧长前馈检测是指沿堆积路径方向，检测窗口内的固态金属表面位于钨极前方，弧长开环控制是根据前馈检测的弧长误差，调节工艺参数并开环控制弧长，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：被动视觉传感系统正对GTA焊枪，采集GTA电弧图像，沿堆积路径方向，检测窗口位置位于GTA电弧前方，窗口中心到钨极尖端的水平距离D为7-12mm，GTA电弧辐射光照明GTA电弧附近前一层固态金属表面，对窗口内的前一层固态金属表面进行检测；
步骤二：对窗口范围内的所有像素点进行平滑滤波、前一层固态金属表面上边缘检测、边缘像素点的Hough拟合，弧长为前一层固态金属上边缘到钨极尖端的垂直距离H；
步骤三：计算弧长前馈检测的超前步数n＝[D/(VS)+0.5]，
其中，V为行走速度，单位为mm/s，S为检测系统的采样周期，单位为s，[]表示取整符号；
步骤四：前馈检测的弧长经n步延迟后，计算当前k时刻弧长误差e(k)＝H(k-n)-h-H0，其中，H(k-n)表示(k-n)时刻检测的前一层固态金属上边缘到钨极尖端的垂直距离，h为分层切片的层高，H0为初始设定弧长；
步骤五：计算k时刻开环控制的单变量工艺参数值W(k)＝e(k)/P+W0，
其中，P为增益系数，W0为初始单变量工艺参数值；
步骤六：重复步骤二和步骤四，在每个采样时刻，根据步骤四确定的弧长误差判断是否进行开环控制，如果弧长误差为零，则单变量工艺参数值为W0；否则，根据步骤五计算新的单变量工艺参数值，并实现GTA填丝增材制造弧长的开环控制。
2.根据权利要求1所述的GTA填丝增材制造弧长前馈检测与开环控制方法，其特征在于步骤五中所述的单变量工艺参数为堆积电流或送丝速度。
3.根据权利要求1所述的GTA填丝增材制造弧长前馈检测与开环控制方法，其特征在于步骤五中增益系数P是通过以下步骤确定的：
(a)GTA焊枪运动至基板上方，GTA焊枪指向与基板表面垂直，初始设定弧长为H0，即钨极尖端到基板表面的距离，采用同一工艺参数在基板上堆积N层单道直壁件，N＝4-8，单变量工艺参数初始值为W0，相邻层间的堆积路径方向相反，每堆积完一层，GTA电弧熄灭，层间等待30-120s；
(b)继续堆积第(N+1)层，单变量工艺参数为W0，待电弧运动至堆积路径长度一半时，调节的单变量工艺参数由W0瞬时阶跃至新的值W1，待完成(N+1)层堆积后，测量单变量工艺参数阶跃前(N+1)层的平均高度Q1和阶跃后(N+1)层的平均高度Q2；
(c)计算增益系数P＝(Q2-Q1)/(W1-W0)。
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