CN104842042B - 一种基于cmt的金属焊接快速成形系统和方法 - Google Patents

一种基于cmt的金属焊接快速成形系统和方法 Download PDF

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白浩
曾泽文
陈剑
卢秉恒
刘红忠
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Abstract

本发明公开一种基于CMT的金属焊接成形系统和方法,包括:工控机,用于生成焊接成形的路径代码信息;CMT焊接专家系统,用于依据采集数据匹配知识库中的规则,进行推理得到结论,将结论转变为反馈控制信号进行闭环控制;CMT焊接装置,用于堆积形成目标成形零件;结构光视觉传感器,用于对已堆积成形的焊道进行表面形貌测量;图像采集卡,用于对结构光视觉传感器采集的信号进行处理;红外测温仪,用于对刚堆积完成的焊道的表面温度进行测量。本发明通过对焊接成形焊道的温度和表面形貌的测量,建立了焊接成形专家系统和成形高度和宽度反馈系统以及温度检测反馈系统,实现了CMT金属焊接快速成形的闭环控制,保证了成形的精度和质量。

Description

一种基于CMT的金属焊接快速成形系统和方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及焊接快速成形领域,具体涉及一种可以实现在线检测反馈,基于冷金属过渡技术(CMT)的金属焊接快速成形系统。
【背景技术】
[0002]金属焊接快速成形技术是一种将金属焊接技术与快速成形离散堆积原理结合起来的快速成形技术,通过三维实体扫描或直接建模获得目标零件的三维CAD实体模型,将模型沿某一坐标方向按一定的厚度进行分层切片处理,然后由焊接电弧将金属丝材熔化,按既定的成形路径堆积成形每一薄层,层层堆积最终形成三维实体零件的先进制造技术。金属焊接快速成形技术相比于目前的快速成形技术具有制造成本低、生产效率高、制造形式灵活、零件性能好等优势。在快速成形制造与再制造方面有着广阔的应用前景。
[0003]目前金属焊接快速成形技术研究的还不够深入,在实际应用方面中仍有不少问题。在工艺方面,焊接成形件的成形精度低,表面质量差,粗糙度较大,工艺不稳定。在成形系统方面:系统的精度和可靠性不高,成形系统不具备闭环控制功能;系统的热输入较大,容易引起成形件的变形,不具有温度检测与反馈系统。
【发明内容】
[0004]本发明的目的正是针对上述现有焊接快速成形系统的不足,提供一种基于CMT的金属焊接快速成形系统和方法;本成形系统具有成形高度、宽度反馈系统和温度检测反馈系统,可以实现对目标零件成形的精度和质量进行控制。
[0005]为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
[0006] —种基于CMT的金属焊接快速成形系统,包括:工控机、CMT焊接专家系统、CMT焊接装置、结构光视觉传感器、图像采集卡和红外测温仪;所述工控机,用于依据目标成形零件的三维CAD模型分层切片处理数据,生成焊接成形的路径代码信息,以及作为CMT焊接专家系统的硬件基础;所述CMT焊接专家系统包括知识库和推理机;所述CMT焊接专家系统用于依据图像采集卡和红外测温仪采集的数据为前提,匹配知识库中的规则,进行推理得到结论,将结论转变为相应的反馈控制信号,对成形过程进行闭环控制;所述CMT焊接装置,用于依据预设的焊接电流、脉冲频率及送丝速度的工艺参数,在基板的表面依据工控机生成的路径代码信息堆积成形每一层,逐层堆积形成目标成形零件;所述结构光视觉传感器,用于在目标零件成形的过程中,对已堆积成形的焊道进行表面形貌的测量;所述图像采集卡,用于对所述结构光视觉传感器采集的信号用卷积积分算法进行滤波、降噪及细化处理以获得成形层形貌的特征点;所述红外测温仪,用于在目标零件成形的过程中,每堆积完一层,对刚堆积完成的焊道的表面温度进行测量。
[0007]本发明进一步的改进在于:所述知识库,用于存放焊接参数与成形参数之间的数据库和焊接控制模式的控制规则集;知识库的构建采用产生式规则;推理机,用于根据图像采集卡和红外测温仪提供的信息在知识库中进行匹配,运用正向推理方法,从知识库中提取不同的控制规则,求得当前生产条件下最优的焊接参数。
[0008]本发明进一步的改进在于:知识库的内容包含:不同材料和直径的焊丝每一层焊缝的实际成形宽度、高度与预设成形宽度、高度的变化量与送丝速度和焊接电流之间关系的知识表达形式,以及在各个焊接成形层不同起始温度与焊接成形质量之间的知识表达形式。
[0009]本发明进一步的改进在于:所述焊接装置包括:运动控制器、三坐标焊接机器人、变位机、CMT电源、焊枪、CMT送丝机和水箱;所述运动控制器直接控制夹持焊枪的三坐标焊接机器人和变位机,控制焊枪沿着目标成形零件分层的每一层中的焊枪路径轨迹移动,以及控制变位机按照成形移动轨迹运动;所述三坐标焊接机器人,用于夹持焊枪,依据所述焊枪路径轨迹移动,使得焊枪的移动轨迹与所述的焊枪路径轨迹相同,进行堆积成形,并最终形成目标零件;所述变位机,用于固定基板,并依据所述运动控制器的变位机移动轨迹运动;所述CMT电源,用于依据CMT焊接专家系统输出的控制信号选择相应的电源工作方式、工作电压、工作电流和脉冲频率;所述焊枪,用于依据所述CMT电源的工作电压、工作电流,使所述焊丝与基板之间产生电弧,使焊丝熔化,并结合成形过程中对焊丝的抽拉,从而使熔滴平稳过渡,逐层堆积在基板上;所述CMT送丝机,用于依据所述CMT焊接专家系统输出的控制信号,选择相应的送丝速度对所述焊枪传输焊丝;所述水箱,用于所述焊接装置正常工作时,对所述焊枪进行循环冷却降温。
[0010] —种基于CMT的金属焊接快速成形方法,包括以下步骤:
[0011 ] I)构建CMT焊接专家系统:在工控机上利用VB6.0的数据库技术建立CMT焊接专家系统的知识库,利用VB6.0可视化系统对推理机进行编程,实现推理机的功能,并将推理得出的结论转换为数字信号,完成CMT焊接专家系统的构建;
[0012] 2)生成焊接成形路径代码:工控机根据成形零件的分层切片数据,生成焊接成形的路径代码;
[0013] 3)焊接装置开始第一层焊接成形:焊接装置依据预先设定的焊接电流、脉冲频率及送丝速度的工艺参数,在基板的表面依据工控机生成的路径代码信息堆积成形第一层;
[0014] 4)对焊接成形的过程中的表面形貌进行控制,包括:
[0015] a.结构光视觉传感器在目标零件成形过程中,实时对已堆积成形的部分进行表面形貌的测量,并将测量的数据信号输出给图像采集卡;
[0016] b.图像采集卡将结构光视觉传感器采集的数据信号用卷积积分进行滤波、降噪及细化的预处理以获得成形层形貌的特征点,然后将处理得到的数据通过数据接口传输到工控机中;
[0017] c.工控机再对图像采集卡预处理后的数据进行终处理,得到焊道表面形貌的数值信息,其中焊道表面形貌包括焊道高度和焊道宽度;
[0018] d.CMT焊接专家系统根据每一层焊道的高度与分层切片的厚度的差值以及每一层焊道宽度与预设宽度的差值组成的前提条件,匹配知识库中的规则,进行推理得到结论;
[0019] e.CMT焊接成形专家系统将得出的结论转换为数字信号,通过工控机的I/O口传输到CMT电源和CMT送丝机改变成形过程中的焊接电流和送丝速度,使CMT焊接装置成型的该层焊道形貌趋近于该分层切片数据所对应的焊道形貌;
[0020] 5)对焊接成形的过程进行温度控制,包括:[0021 ] a.每堆积完一层后,运动控制器开始中断,停止焊接成形运动;
[0022] b.红外测温仪对刚堆积完成的焊道的表面温度进行测量并通过总线传输到工控机;
[0023] c.CMT焊接专家系统根据刚堆积完成的焊道的表面温度和堆积的层数作为前提条件,匹配知识库中的规则,进行推理得到结论,得到开始堆积下一层的合适温度,等红外测温仪测试到刚堆积完成的焊道的表面温度降低到所述合适温度时,CMT焊接专家系统向CMT焊接装置发出开始堆积下一层的信号;
[0024] 6)CMT焊接装置开始第2层堆积成形,重复步骤4),5);焊接装置开始第3层堆积成形,重复步骤4),5)......焊接装置开始最后一层的堆积成形,重复步骤4),最终完成目标零件的堆积成形。
[0025] CMT焊接专家系统知识库的构建采用产生式规则。产生式规则是一种非常适合表示因果关系的知识表达形式,在语义上它表示“如果A则B”的因果或推理关系。其一般形式为:
[0026] if(前提丨,前提2,...,前提η) ,THEN(结论)
[0027] CMT焊接专家系统推理机的构建采用正向推理机制,系统根据采集到的数据,匹配知识库中的前提,从而得出结论。
[0028]在工控机上利用VB6.0的数据库技术建立CMT专家系统知识库。知识库的内容包含:不同材料和直径的焊丝每一层焊缝的实际成形宽度、高度与预设成形宽度、高度的变化量与送丝速度和焊接电流之间关系的知识表达形式,以及在各个焊接成形层不同起始温度与焊接成形质量之间的知识表达形式。
[0029]焊接装置根据生产经验选择CMT电源的工作模式、工作电流、脉冲频率、成形速度工艺参数产生电弧熔化焊丝,三坐标机器人夹持焊枪,并依据所述焊枪路径轨迹移动,使得焊枪移动的轨迹与所述焊接路径轨迹相同,并在基板的表面上堆积成形一层,逐层堆积形成目标实体零件。
[0030]相对于现有技术,本发明具有以下有益效果:本发明所述的CMT金属焊接快速成形系统,通过对焊接成形焊道的温度和表面形貌的测量,建立了焊接成形专家系统和成形高度和宽度反馈系统以及温度检测反馈系统,实现了 CMT金属焊接快速成形的闭环控制,保证了焊接成形的精度和质量。
【附图说明】
[0031]图1为本发明提供的一种CMT金属焊接快速成形的系统实施例的结构示意图;
[0032]图2为本发明具体实施例中的CMT焊接专家系统102的结构示意图;
[0033]图3为本发明具体实施例中的焊接装置103的结构示意图;
[0034]图4为本发明提供的一种CMT焊接快速成形系统的具体实施例中的成形高度和宽度反馈方法的原理图。
[0035]图5为本发明提供的一种CMT焊接快速成形系统的具体实施例中的温度反馈方法的原理图。
【具体实施方式】
[0036]为了使本发明的优点、技术方案和目的更加清晰,下面将结合附图对本发明实施例进行完整、清晰的描述。显而易见,所描述的实施例是本申请一部分实施例,而不是全部实施例。
[0037]请参阅图1所示,本发明提供了一种基于CMT的金属焊接快速成形系统,包括:工控机101、CMT焊接专家系统102、CMT焊接装置103、图像采集卡104、结构光视觉传感器105和红外测温仪106。
[0038]工控机101用于依据目标成形零件的三维CAD模型的分层切片处理数据,生成焊接成形的路径代码信息以及作为CMT焊接专家系统102的硬件基础。
[0039] CMT焊接专家系统102用于生成焊接装置103的工艺参数的控制信号和根据图像采集卡104和红外测温仪106的数据,得到焊道的表面形貌以及刚堆积完成的焊道的表面温度的数值,匹配知识库中的规则,进行推理,得出相应的结论,输出CMT焊接装置103的工艺参数,对目标零件的成形过程进行调节和反馈。
[0040] CMT焊接专家系统102是在以工控机101为硬件基础下建立的焊接过程控制系统,主要用于依据图像采集卡104和红外测温仪106的数据,对成形过程中进行闭环控制,包括对焊接成形的过程中焊道的表面形貌进行控制以及对焊接成形的过程温度进行控制。
[0041 ]请参阅图2所示,本发明具体实施例中的CMT焊接专家系统102,包括:知识库1021和推理机1022。
[0042]知识库1021,用于存放焊接参数与成形参数之间的数据库和焊接控制模式的控制规则集。
[0043]知识库1021的构建采用产生式规则。产生式规则是一种非常适合表示因果关系的知识表达形式,在语义上它表示“如果A则B”的因果或推理关系。其一般形式为:
[0044] if(前提丨,前提2,...,前提η) ,THEN(结论)
[0045]推理机1022,用于根据图像采集卡104和红外测温仪106提供的信息作为前提在知识库1021中进行匹配,运用正向推理方法,从知识库1021中提取不同的控制规则,求得当前生产条件下最优的焊接参数。
[0046] CMT焊接专家系统102的推理机1022的构建采用正向推理机制,系统根据采集到的数据,匹配知识库1021中的前提,从而得出结论。
[0047]焊接装置103依据生产经验设定初始焊接工艺参数选择CMT电源的工作模式、工作电流、成形速度等工艺参数产生电弧熔化焊丝,并在基板的表面上按成形路径堆积成形一层,逐层堆积形成目标实体零件。
[0048]请参阅图3所示,本发明具体实施例中的焊接装置103,包括:运动控制器1031、三坐标焊接机器人1032、变位机1033、CMT电源1034、焊枪1035、水箱1036和CMT送丝机1037。
[0049]其中运动控制器1031用于依据工控机101生成的焊接成形路径代码控制三坐标焊接机器人1032和变位机1033的移动轨迹。
[0050]运动控制器1031直接控制夹持焊枪1035的三坐标焊接机器人1032和变位机1033,焊枪1035沿着目的成形零件分层的每一层中的焊枪路径轨迹移动,以及控制变位机1033按照成形移动轨迹运动。
[0051]三坐标焊接机器人1032用于夹持焊枪1035,并依据运动控制器1031的焊枪路径轨迹移动,使得焊枪的移动轨迹与所述焊枪路径轨迹相同。
[0052]三坐标焊接机器人1032受运动控制器1031控制,依据焊接控制器1031发送的焊枪1035路径轨迹移动,使三坐标焊接机器人1032夹持的焊枪1035移行到预设的焊枪路径轨迹中。
[0053]变位机1033用于固定基板,并依据所述运动控制器1031的变位机移动轨迹运动。
[0054]变位机1033首先固定基板,并根据运动控制器1031发送的指令以旋转的方式运动,三坐标焊接机器人1032夹持焊枪1035在基板上进行成形运动,可结合变位机1033的运动,进行快速成形。
[0055]例如:当目的成形零件为截面为圆环类零件时,只需将目的成形零件的中心轴作为旋转轴,使基板在变位机1033上旋转。在焊接成形某一层时,将焊枪1035的位置固定,只将变位机1033转动,就可以形成圆环状的焊道成形,当目的成形零件的一层成形完毕后,将焊枪1035的位置移动到下一个位置,变位机1034重复旋转运动,实现下一层的堆积。
[0056] CMT电源1034用于依据CMT专家系统102输出的控制信号选择相应的电源工作方式、工作电压和工作电流。
[0057] CMT电源1034根据CMT专家系统102输出的控制信号,控制焊抢1035焊接时的工作电压、工作电流,使焊枪1035与基板之间产生电弧,熔化焊丝进行堆积成形,CMT专家系统102通过控制CMT电源1034的焊接电流,从而控制焊道的成形宽度和高度。
[0058]焊枪1035用于依据CMT电源102的工作电流,使焊丝与基板之间产生电弧,使焊丝熔化,结合成形过程中对焊丝的抽拉,从而使熔滴平稳过渡,按照焊枪1035的运动轨迹,逐层堆积在基板上。
[0059] CMT送丝机1037根据CMT焊接专家系统102输出的控制信号,选择相应的送丝速度对焊枪1035传输焊丝。
[0060] CMT送丝机1037根据CMT焊接专家系统102输出的控制信号,控制焊接成形的送丝速度,从而控制焊道的成形宽度和高度。
[0061]水箱1036用于对焊枪1035进行循环冷却降温,有效增大其使用寿命和工效。
[0062]图像采集卡104,用于对结构光视觉传感器105采集的信号卷积积分进行滤波、降噪及细化处理以获得成形层形貌的特征点。
[0063]结构光视觉传感器105,用于在目标零件成形的过程中对已堆积成形的部分进行表面形貌的测量,使用前应先对结构光视觉传感器105进行标定。
[0064]请参阅图4所示,示出了本发明一种基于CMT的金属焊接快速成形系统的具体实施例中的成形高度和宽度反馈系统/方法的原理图。
[0065]焊接装置103在当前工艺参数下,进行目标零件的快速成形,结构光视觉传感器105对堆积的焊道进行实时测量,图像采集卡104对结构光视觉传感器105采集的信号用卷积积分进行滤波、降噪及细化处理以获得成形层形貌的特征点。在工控机101对的图像采集卡104预处理的数据进行终处理,得到焊道的成形宽度、高度,并将数据传输到CMT焊接成形专家系统102中,CMT焊接专家系统102根据每一层焊道的高度与分层切片的厚度的差值以及每一层焊道宽度与预设宽度的差值组成的前提条件,匹配知识库1021中的规则,进行推理得到结论。CMT焊接专家系统102将得出的结论转换为数字信号,通过工控机101的I/O口传输到CMT电源1034和CMT送丝机1037改变成形过程中的焊接电流和送丝速度,从而达到了对成形过程的闭环控制。工艺参数的改变将直接影响焊道的成形,能够将成形参数趋近于预设成形参数,从而改善目标成形零件的精度。
[0066]红外测温仪106用于在目标零件成形的过程中,对刚堆积完成的焊道的表面温度进行测量。
[0067]请参阅图5所示,示出了本发明一种基于CMT的金属焊接快速成形系统的具体实施例中的温度反馈系统/方法的原理图。
[0068]焊接成形过程中,热力学因素中热能的输入、传播和分布规律直接影响母材和被融化金属的多少及熔池内复杂的冶金反应,从而影响成形零件的质量。因此有必要建立一个焊接快速成形温度反馈系统。
[0069]在目标零件焊接成形过程中,运动控制器1031每堆积完一层后开始执行中断指令,停止成形运动,红外测温仪106开始测量刚堆积完成的焊道的表面温度T,由于堆积过程中,层与层之间的散热条件不尽相同,因此CMT焊接专家系统102根据每一层刚堆积完成的焊道的表面温度和堆积的层数作为前提条件,匹配知识库1021中的规则,进行推理得到结论,得到开始堆积下一层的成形温度T0,等红外测温仪106测试到刚堆积完成的焊道的表面温度降低到成形温度TO时,CMT焊接专家系统102发出开始堆积下一层的信号。通过对每一堆积层起始焊接温度的控制,改善了焊接成形的条件,保证了成形质量。
[0070]本发明一种基于CMT的金属焊接快速成形方法,基于上述基于CMT的金属焊接快速成形系统,具体包括以下步骤:
[0071 ] I)构建CMT焊接专家系统:在工控机上利用VB6.0的数据库技术建立CMT焊接专家系统的知识库,利用VB6.0可视化系统对推理机进行编程,实现推理机的功能,并将推理得出的结论转换为数字信号,完成CMT焊接专家系统的构建;
[0072] 2)生成焊接成形路径代码:工控机根据成形零件的分层切片数据,生成焊接成形的路径代码;
[0073] 3)焊接装置开始第一层焊接成形:焊接装置依据预先设定的焊接电流、脉冲频率及送丝速度的工艺参数,在基板的表面依据工控机生成的路径代码信息堆积成形第一层;
[0074] 4)对焊接成形的过程中的表面形貌进行控制,包括:
[0075] a.结构光视觉传感器在目标零件成形过程中,实时对已堆积成形的部分进行表面形貌的测量,并将测量的数据信号输出给图像采集卡;
[0076] b.图像采集卡将结构光视觉传感器采集的数据信号用卷积积分进行滤波、降噪及细化的预处理以获得成形层形貌的特征点,然后将处理得到的数据通过数据接口传输到工控机中;
[0077] c.工控机再对图像采集卡预处理后的数据进行终处理,得到焊道表面形貌的数值信息,其中焊道表面形貌包括焊道高度和焊道宽度;
[0078] d.CMT焊接专家系统根据每一层焊道的高度与分层切片的厚度的差值以及每一层焊道宽度与预设宽度的差值组成的前提条件,匹配知识库中的规则,进行推理得到结论;
[0079] e.CMT焊接成形专家系统将得出的结论转换为数字信号,通过工控机的I/O口传输到CMT电源和CMT送丝机改变成形过程中的焊接电流和送丝速度,使CMT焊接装置成型的该层焊道形貌趋近于该分层切片数据所对应的焊道形貌;
[0080] 5)对焊接成形的过程进行温度控制,包括:
[0081 ] a.每堆积完一层后,运动控制器开始中断,停止焊接成形运动;
[0082] b.红外测温仪对刚堆积完成的焊道的表面温度进行测量并通过总线传输到工控机;
[0083] c.CMT焊接专家系统根据刚堆积完成的焊道的表面温度和堆积的层数作为前提条件,匹配知识库中的规则,进行推理得到结论,得到开始堆积下一层的合适温度,等红外测温仪测试到刚堆积完成的焊道的表面温度降低到所述合适温度时,CMT焊接专家系统向CMT焊接装置发出开始堆积下一层的信号;
[0084] 6)CMT焊接装置开始第2层堆积成形,重复步骤4),5);焊接装置开始第3层堆积成形,重复步骤4),5)......焊接装置开始最后一层的堆积成形,重复步骤4),最终完成目标零件的堆积成形。
[0085]本发明的CMT的金属焊接快速成形系统,通过建立焊接过程的温度反馈系统和成形高度和宽度反馈系统以及CMT焊接成形专家系统解决了常规焊接快速成形实体尺寸精度低、质量控制难的问题,具有很大的实用价值和广阔的应用前景。

Claims (1)

1.一种基于CMT的金属焊接快速成形方法,其特征在于,包括以下步骤: 1)构建CMT焊接专家系统:在工控机上利用VB6.0的数据库技术建立CMT焊接专家系统的知识库,利用VB6.0可视化系统对推理机进行编程,实现推理机的功能,并将推理得出的结论转换为数字信号,完成CMT焊接专家系统的构建; 2)生成焊接成形路径代码:工控机根据成形零件的分层切片数据,生成焊接成形的路径代码; 3)焊接装置开始第一层焊接成形:焊接装置依据预先设定的焊接电流、脉冲频率及送丝速度的工艺参数,在基板的表面依据工控机生成的路径代码信息堆积成形第一层; 4)对焊接成形的过程中的表面形貌进行控制,包括: a.结构光视觉传感器在目标零件成形过程中,实时对已堆积成形的部分进行表面形貌的测量,并将测量的数据信号输出给图像采集卡; b.图像采集卡将结构光视觉传感器采集的数据信号用卷积积分进行滤波、降噪及细化的预处理以获得成形层形貌的特征点,然后将处理得到的数据通过数据接口传输到工控机中; c.工控机再对图像采集卡预处理后的数据进行终处理,得到焊道表面形貌的数值信息,其中焊道表面形貌包括焊道高度和焊道宽度; d.CMT焊接专家系统根据每一层焊道的高度与分层切片的厚度的差值以及每一层焊道宽度与预设宽度的差值组成的前提条件,匹配知识库中的规则,进行推理得到结论; e.C M T焊接成形专家系统将得出的结论转换为数字信号,通过工控机的I / O 口传输到CMT电源和CMT送丝机改变成形过程中的焊接电流和送丝速度,使CMT焊接装置成型的该层焊道形貌趋近于该分层切片数据所对应的焊道形貌; 5)对焊接成形的过程进行温度控制,包括: a.每堆积完一层后,运动控制器开始中断,停止焊接成形运动; b.红外测温仪对刚堆积完成的焊道的表面温度进行测量并通过总线传输到工控机; c.CMT焊接专家系统根据刚堆积完成的焊道的表面温度和堆积的层数作为前提条件,匹配知识库中的规则,进行推理得到结论,得到开始堆积下一层的合适温度,等红外测温仪测试到刚堆积完成的焊道的表面温度降低到所述合适温度时,CMT焊接专家系统向CMT焊接装置发出开始堆积下一层的信号; 6)CMT焊接装置开始第2层堆积成形,重复步骤4),5);焊接装置开始第3层堆积成形,重复步骤4),5)......焊接装置开始最后一层的堆积成形,重复步骤4),最终完成目标零件的堆积成形。
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