CN109352139A - 一种氧可控框架类金属零件gtaw电弧增材制造系统及方法 - Google Patents

一种氧可控框架类金属零件gtaw电弧增材制造系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种氧可控框架类金属零件GTAW电弧增材制造系统及方法，包括工控机，用于生成焊接成形路径代码信息；GTAW电弧长度检测及反馈系统用于经过图像处理将采集的弧长信息转换为反馈控制信号，对成形过程进行闭环控制；GTAW焊接装置用于堆积形成目标零件；环境保护装置用于净化装置内的氧气和水蒸气，使GTAW焊接装置处于设定的氧含量环境；USB视觉传感器用于获取增材过程中的电弧信息。本发明通过环境保护装置，可实现氧含量可控的活泼金属近净成形；通过对焊接成形过程中电弧长度的测量，建立了电弧长度检测及反馈系统，实现了GTAW电弧增材制造系统电弧长度的闭环控制，保证了熔滴过渡形式的稳定，改善了成形的质量。

Description

一种氧可控框架类金属零件GTAW电弧增材制造系统及方法
技术领域
本发明涉及金属电弧增材制造领域，具体涉及一种基于钨极惰性气体保护焊(GTAW)，可以实现在线电弧长度检测反馈和氧含量可控的活泼金属近净成形的电弧增材制造系统及方法。
背景技术
金属电弧增材制造技术是一种将金属焊接技术与离散堆积原理结合的制造技术。该技术实现近净成形和“自由制造”，解决了许多复杂零件难以成形的问题，是集信息技术、材料技术、精密机械技术为一体的交叉多学科的技术领域。现阶段金属增材制造的热源主要有激光、电子束、电弧等。其中激光和电子束热源主要用于金属粉末的连续逐层烧结制造小型复杂结构的金属零件，现已应用于航空航天、国防军工等高精尖领域。但以激光、电子束为热源的增材制造方法不适用于大型框架类零件的增材制造。电弧增材制造以其成本较低，沉积速度快的优点，在框型类零件增材制造中成为了首选。
目前，金属电弧增材制造以冷金属过渡焊(CMT)技术为主，但该方案的成本较高，限制了金属电弧增材制造的应用。基于钨极惰性气体保护焊(GTAW)的电弧增材制造技术具有设备及后续使用成本低、成形件显微组织均匀、力学性能优异等诸多优点。但由于GTAW电弧增材制造技术的研究刚刚起步，在实际应用方面仍存在一些问题。在控制系统方向，系统精度和可靠性不高，成形系统不具备闭环控制功能。由于焊接过程是复杂的金属微冶炼，其温度场和焊接状态在不断变化，单一的工艺研究很难做到成形精度的良好控制，成形过程的反馈控制尤为必要。在电弧增材制造过程监控方向，缺少增材制造过程监控系统，使操作人员实时掌握增材制造状态，做到及时判断和突发状况处理。氧含量对钛、镁、铝等活泼金属增材制造成形件的力学性能影响显著。微量氧含量可以提升金属的强度，但过高的氧含量则会引起金属材料的脆化，直接影响使用。目前广泛采用的惰性气体保护拖罩和真空保护箱均不具备环境中氧含量可调控等功能，限制了该技术的进一步推广应用。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种氧可控框架类金属零件GTAW电弧增材制造系统及方法。该发明具有活泼金属增材制造过程中环境氧含量可控、电弧长度可实时检测和监控，并且在增材制造过程中水冷焊枪端部与零件顶部相对位置可反馈控制和调节。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种氧可控框架类金属零件GTAW电弧增材制造系统，包括工控机、GTAW电弧长度检测及反馈系统、GTAW焊接装置、环境保护装置和USB视觉传感器。所述工控机，用于生成增材制造零件路径代码信息，以及作为GTAW电弧长度检测及反馈系统的硬件基础；所述 GTAW电弧长度检测及反馈系统包括图像采集模块、图像处理模块和反馈控制模块，所述 GTAW电弧长度检测及反馈系统用于依据增材零件的路径代码和USB视觉传感器采集数据为前提，将采集的弧长信息转换为反馈控制信号，对成形过程进行闭环控制；所述GTAW焊接装置用于依据增材制造零件时设定的工艺参数，在设定氧含量下，在基板的表面依据工控机发出的路径指令堆积成形每一层，逐层堆积形成目标零件；所述环境保护装置用于依据设定的环境参数，充入足量的氩气，净化装置内的氧气和水蒸气，使GTAW焊接装置处于设定的氧含量环境；所述USB视觉传感器用于获取增材制造过程中的电弧信息，以对增材制造过程进行监控和电弧长度测量。
本发明进一步的改进在于：所述GTAW电弧长度检测及反馈系统中的图像采集模块，根据USB视觉传感器采集电弧数据，传输至图像处理模块，并实时显示采集数据，实现增材过程监控；图像处理模块接收图像采集模块数据信息，经过图像处理算法提取弧长信息，运用差值法得到弧长偏离值，通过反馈控制模块传输至夹持水冷焊枪的调节Z轴。
本发明进一步的改进在于：所述环境保护装置的腔体为封闭腔体，所述腔体内设置GTAW 焊接装置，真空泵的管道与腔体相连通；三通管道分别与氩气瓶、铜触媒罐和风机罐相连通，与风机罐连通的管道与腔体相连通，所述铜触媒罐与活性炭罐之间有管道连通，所述活性炭罐的管道与腔体相连通；GTAW电源的电缆穿过腔体连接水冷焊枪的控制部分；冷水机的管道穿过腔体连接水冷焊枪冷却部分；工控机的电缆穿过腔体连接USB视觉传感器，工控机的电缆还与运动控制器相连接，所述运动控制器的电缆穿过腔体与三坐标四轴焊接机器人(控制部分)连接，送丝机向冷水焊枪传输焊丝。
本发明进一步的改进在于：所述GTAW焊接装置的运动控制器直接控制夹持水冷焊枪的三坐标四轴焊接机器人和变位机，控制水冷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GTAW电源用于依据选择的相应的电源工作方式、工作电压、工作电流和脉冲频率控制水冷焊枪；所述水冷焊枪依据GTAW电源的工作电压、工作电流，使所述焊丝和基板之间产生电弧，使焊丝熔化，并结合成形路径控制，使熔滴堆积在基板上；所述送丝机依据设定的送丝速度对所述水冷焊枪传输焊丝；所述冷水机用于所述GTAW焊接装置正常工作时，对所述水冷焊枪和基板进行循环冷却和降温。
本发明进一步的改进在于：所述三坐标四轴焊接机器人的调节Z轴夹持水冷焊枪，所述 X轴、Y轴、Z轴用于依据所述水冷焊枪路径轨迹移动，使得水冷焊枪的移动轨迹与所述水冷焊枪的路径轨迹相同，进行堆积成形，并最终形成目标零件；所述调节Z轴用于接收GTAW 电弧长度检测及反馈系统的反馈信号，通过调节夹持水冷焊枪的位置，调节电弧长度。
一种氧可控框架类金属零件GTAW电弧增材制造的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1)构建GTAW电弧长度检测及反馈系统：在工控机上利用Labview语言，构建电弧长度检测及反馈系统，利用OpenCV图像处理实现焊接电弧的处理及测量，将电弧长度的图像信息转换为反馈信号；
步骤2)焊接成形路径代码：工控机根据成形零件的分层数据，生成焊接成形的路径代码；
步骤3)准备工作：确定GTAW电弧增材制造丝材的材质、直径、基板，焊接电流、送丝速度、焊接速度，气流量，冷却水温度，腔体内氧含量、水含量；
步骤4)环境保护装置依据设定的环境参数，排出系统内的空气，充入足量的氩气，净化装置内的氧气和水蒸气，使GTAW焊接装置处于设定的氧含量环境；
步骤5)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；
步骤6)对焊接成形的过程中的电弧长度进行控制，包括：
a.USB视觉传感器在目标零件成形的过程中，实时对电弧进行图像采集，并将采集的数据传输至GTAW电弧长度检测及反馈系统，实现增材过程的实时监控；
b.GTAW电弧长度检测及反馈系统将视觉传感器采集的数据信号用卷积积分进行滤波、降噪及灰度、二值化处理，获得电弧特征图像；
c.GTAW电弧长度检测及反馈系统中图像处理模块，对电弧特征图像进行最终处理，提取电弧图像轮廓，得到电弧的长度；
d.GTAW电弧长度检测及反馈系统依据测量电弧的长度与电弧预定的理想长度的差值，结合反馈执行机构的参数，将电弧长度转换为反馈信号；
e.GTAW电弧长度检测及反馈系统中反馈控制将反馈信号通过工控机的I/O口传输到夹持水冷焊枪的调节Z轴，使电弧的长度趋近于设定的电弧长度；
步骤7)GTAW焊接装置开始第二层堆积成形，重复步骤5)；GTAW焊接装置开始第三层堆积成形，重复步骤5)；……GTAW焊接装置(103)开始最后一层的堆积成形，重复步骤5)，最终完成目标零件的堆积成形。
GTAW焊接装置根据生产经验选择GTAW电源的工作模式、工作电流、脉冲频率、成形速度等工艺参数产生电弧熔化焊丝，三坐标四轴焊接机器人夹持水冷焊枪，并依据所述水冷焊枪路径轨迹移动，使得水冷焊枪的移动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，逐层堆积成形目标零件。
本发明的有益效果是：该发明所述的电弧增材制造系统，通过建立氧含量可控环境，可以在不同的氧含量下快速成形活泼金属。通过对电弧长度的检测和反馈控制，保证了电弧的稳定性，保证了焊道形貌的一致，实现了电弧增材制造系统的闭环控制。本发明还可以实时监控增材制造过程，保证了突发状况的及时处理。
附图说明
图1为本发明提供的一种氧可控框架类金属零件GTAW电弧增材制造系统实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例中的GTAW电弧长度检测及反馈系统的结构示意图；
图3为本发明实施例中的GTAW焊接装置的结构示意图；
图4为本发明实施例中的三坐标四轴焊接机器人的结构简图；
图5为本发明实施例中的环境保护装置的结构示意图；
图6为本发明提供的一种氧可控框架类金属零件GTAW电弧增材制造系统的具体实施例中的电弧长度检测及反馈方法的原理图；
图7为本发明提供的一种氧可控框架类金属零件GTAW电弧增材制造系统实施例的结构简图；
图8为本发明实施例的电弧增材制造成形钛合金框型零件。
上述附图中，101-工控机，102-GTAW电弧长度检测及反馈系统，1021-图像采集模块， 1022-图像处理模块，1023-反馈调节模块，103-GTAW焊接装置，1031-运动控制器，1032-三坐标四轴焊接机器人，10321-X轴，10322-Y轴，10323-Z轴，10324-调节Z轴，1033-变位机， 1034-GTAW电源，1035-水冷焊枪，1036-冷水机，1037-送丝机，104-环境保护装置，1041- 氩气瓶，1042-铜触媒罐，1043-活性炭罐，1044-风机罐，1045-腔体，1046-真空泵，105-USB 视觉传感器。
具体实施方式
实施例
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。
请参阅图1所示，本发明提供了一种氧可控框架类金属零件GTAW电弧增材制造系统，包括：工控机101、GTAW电弧长度检测及反馈系统102、GTAW焊接装置103、环境保护装置104、USB视觉传感器105。
工控机101用于依据目标零件的三维CAD模型，生成焊接成形的路径代码信息以及作为GTAW电弧长度检测及反馈系统102的硬件基础。
GTAW电弧长度检测及反馈系统102用于监控焊接过程，以及根据USB视觉传感器105 获取的电弧信息，通过图像处理的方法，得到电弧长度的偏离值，对目标零件的成形过程中电弧长度进行反馈。
GTAW电弧长度检测及反馈系统102是在以工控机101为硬件的基础下建立的焊接过程控制系统，主要用于依据USB视觉传感器105的数据，对成形过程进行闭环控制，包括对增材制造过程进行监控和对焊接电弧长度进行控制。
请参阅图2所示，本发明具体实施例中的GTAW电弧长度检测及反馈系统102，包括：图像采集模块1021、图像处理模块1022和反馈调节模块1023。
图像采集模块1021，用于从USB视觉传感器105中得到电弧及熔池图像。
图像处理模块1022，用于处理接收至图像采集模块1021的图像。
图像处理模块的编写语言为OpenCV，处理流程为对接受至图像采集模块1021的图像进行滤波、降噪，在进行灰度化及二值化处理，然后提取电弧轮廓，得到电弧的长度信息。
反馈控制模块1023用于将电弧长度信息转换为反馈信号及与GTAW焊接装置103通信，将反馈信号传输至GTAW焊接装置103，实现电弧长度闭环控制。
GTAW焊接装置103依据生产经验设定初始焊接参数，选择GTAW电源1034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。
请参阅图3所示，本发明具体实施例中的GTAW焊接装置103，包括：运动控制器1031、三坐标四轴焊接机器人1032、变位机1033、GTAW电源1034、水冷焊枪1035、冷水机1036和送丝机1037。
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四轴焊接机器人1032和变位机1033的移动轨迹。
三坐标四轴焊接机器人1032用于夹持水冷焊枪1035，并依据运动控制器1031的水冷焊枪1035路径轨迹移动，使得水冷焊枪1035的移动轨迹与所述水冷焊枪1035路径轨迹相同。
三坐标四轴焊接机器人1032受运动控制器1031控制，依据运动控制器1031发送的水冷焊枪1035路径轨迹移动，使三坐标四轴焊接机器人1032夹持的水冷焊枪1035移动到预设的焊枪路径轨迹中。
变位机1033用于固定基板，并依据所述运动控制器1031的变位机移动轨迹移动。
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，三坐标四轴焊接机器人1032夹持水冷焊枪1035在基板上进行成形运动，可结合变位机1033的运动，进行增材制造。
例如：当目标成形零件为截面为圆环类零件时，只需将目标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，将水冷焊枪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，当目标零件的一层成形完毕后，将水冷焊枪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。
GTAW电源1034用于依据根据焊接经验设定的电源工作模式、工作电流，控制水冷焊枪1035发出电弧。
水冷焊枪1035用于依据GTAW电源1034的工作电流，使焊丝与基板之间产生电弧，使焊丝熔化，结合成形过程中对电弧长度的控制，从而使熔滴平稳过渡，按照水冷焊枪1035的运动轨迹，逐层堆积在基板上。
送丝机1037根据焊接经验设定的送丝速度，传输焊丝至水冷焊枪1035。
冷水机1036用于对水冷焊枪1035进行循环冷却降温，有效增大其使用寿命和工效。
三坐标四轴焊接机器人1032具有两个Z轴，分别用于：夹持水冷焊枪1035依据所述水冷焊枪1035路径轨迹移动，使得水冷焊枪1035的移动轨迹与所述水冷焊枪1035路径轨迹相同，进行堆积成形，并最终形成目标零件；以及调节夹持水冷焊枪1035的高度，调节电弧长度；
请参阅图4所示，本发明具体实施例中的三坐标四轴焊接机器人1032，包括：X轴10321、 Y轴10322、Z轴10323、调节Z轴10324和夹持在调节Z轴的水冷焊枪1035。
X轴10321、Y轴10322、Z轴10323用于依据所述焊枪路径轨迹移动，使得焊枪的移动轨迹与所述焊枪路径轨迹相同，进行堆积成形，并最终形成目标零件；
调节Z轴10324用于接收GTAW电弧长度检测及反馈系统102的反馈信号，通过调节夹持水冷焊枪1035的位置，调节电弧长度。
环境保护装置104依据设定参数利用真空泵排出腔体1045内的气体，并通过氩气瓶1041 向腔体1045中充入足量氩气，风机罐1044鼓动腔体1045中的氩气在铜触媒罐1042和活性炭罐1043中循环净化，使腔体1045处于设定的氧含量状态。
请参阅图5所示，本发明具体实施例中的环境保护装置104，包括：氩气瓶1041、铜触媒罐1042、活性炭罐1043、风机罐1044、腔体1045和真空泵1046。
腔体1045为封闭腔体，所述腔体1045内设置所述GTAW焊接装置103。
氩气瓶1041用于向腔体1045中充入足量氩气，保证腔体1045的氩气环境。
所述铜触媒罐1042用于净化腔体1045中的氧气，控制腔体1045的氧气含量。
所述活性炭罐1043用于吸附腔体1045中的水蒸气，控制腔体1045的水含量。
所述风机罐1044用于鼓动腔体1045中的气体在铜触媒罐1042和活性炭罐1043中循环净化，使腔体1045一直保持设定的氧含量和水含量。
真空泵1046用于排出腔体1045中的空气，为氩气瓶1041向腔体1045中充入氩气做准备。
请参阅图6所示，示出了本发明一种氧可控框架类金属零件GTAW电弧增材制造系统的具体实施例中的电弧长度反馈系统的原理图。
GTAW焊接装置103在当前工艺参数下，进行目标零件的增材制造，USB视觉传感器105 对电弧及熔池进行实时监控，将图像传输至工控机101，GTAW电弧长度检测及反馈系统102 中的图像采集模块1021对USB视觉传感器105采集的信号用卷积积分进行滤波、降噪及灰度、二值化处理，获得电弧的特征点；在GTAW电弧长度检测及反馈系统102中的图像处理模块1022对图像进行测量，获得电弧长度信息；在GTAW电弧长度检测及反馈系统102中的反馈控制模块1023将电弧长度信息转换为反馈信号，通过工控机101的I/O口传输到夹持水冷焊枪1035的调节Z轴10324，从而达到对电弧长度的闭环控制。电弧长度的稳定保证了熔滴过渡形式的稳定，从而改善目标零件的成形精度。
请参阅图8所示，示出了基于一种氧可控框架类金属零件GTAW电弧增材制造方法，增材制造完成的钛合金框架类零件实物图。
本发明一种氧可控框架类金属零件GTAW电弧增材制造方法—钛合金框架类零件增材制造实施例，基于上述氧可控框架类金属零件GTAW电弧增材制造系统，包括以下步骤：
步骤1)构建GTAW电弧长度检测及反馈系统：在工控机上利用Labview语言，构建电弧长度检测及反馈系统，利用OpenCV图像处理实现焊接电弧的处理及测量，将电弧长度的图像信息转换为反馈信号。
步骤2)准备工作：增材制造丝材为直径的Ti-6Al-4V焊丝，基板为200×100 ×6mm的TC2钛合金矩形板；焊接电流180A，送丝速度3cm/s，焊接速度4mm/s；气流量7L/min，冷却水温度为6℃；腔体内氧含量为0.1ppm、水含量为10ppm。
步骤3)焊接成形路径代码：工控机根据成形零件的CAD三维形状，生成焊接成形的路径代码。
步骤4)环境保护装置依据设定的环境参数，排出系统内的氧气并充入足量的氩气，使 GTAW焊接装置处于设定氧含量环境。
步骤5)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。
步骤6)对焊接成形的过程中的电弧长度进行控制，包括：
a.USB视觉传感器在目标零件成形的过程中，实时对电弧进行图像采集，并将采集的数据传输至GTAW电弧长度检测及反馈系统，实现增材制造过程的实时监控。
b.GTAW电弧长度检测及反馈系统将视觉传感器采集的数据信号用卷积积分进行滤波、降噪及灰度、二值化处理，获得电弧特征图像。
c.GTAW电弧长度检测及反馈系统中图像处理部分，对电弧特征图像进行最终处理，提取电弧图像轮廓，得到电弧的长度。
d.GTAW电弧长度检测及反馈系统依据测量电弧的长度与电弧预定的理想长度的差值，结合反馈执行机构的参数，将电弧长度转换为反馈信号。
e.GTAW电弧长度检测及反馈系统将反馈信号通过工控机的I/O口传输到调节Z轴，使电弧的长度趋近于设定的电弧长度。
步骤7)GTAW焊接装置开始第二层堆积成形，重复步骤5)；GTAW焊接装置开始第三层堆积成形，重复步骤5)；……GTAW焊接装置开始最后一层的堆积成形，重复步骤5)，最终完成目标零件的堆积成形(见图8)。
焊接装置根据生产经验选择GTAW电源的工作模式、工作电流、脉冲频率、成形速度等工艺参数产生电弧熔化焊丝，三坐标四轴焊接机器人夹持水冷焊枪，并依据所述水冷焊枪路径轨迹移动，使得水冷焊枪的移动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，逐层堆积成形目标零件。
本发明的一种氧可控框架类金属零件GTAW电弧增材制造系统，通过建立氧含量可控环境和电弧长度反馈系统，解决了活泼金属增材制造过程中易氧化的难题，使活泼金属的增材制造研究成为可能；电弧长度的反馈控制使增材制造过程中电弧长度总保持在合适的状态，从而使增材制造过程中的熔滴过渡形式保持稳定，保证了目标零件的成形形貌，具有很大的实用价值和广阔的应用前景。

Claims (6)

1.一种氧可控框架类金属零件GTAW电弧增材制造系统，其特征在于，所述系统包括：工控机(101)、GTAW电弧长度检测及反馈系统(102)、GTAW焊接装置(103)、环境保护装置(104)和USB视觉传感器(105)；
所述工控机(101)，用于生成增材制造零件路径代码信息，以及作为GTAW电弧长度检测及反馈系统(102)的硬件基础；
所述GTAW电弧长度检测及反馈系统(102)包括图像采集模块(1021)、图像处理模块(1022)和反馈控制模块(1023)，所述GTAW电弧长度检测及反馈系统(102)用于依据增材零件的路径代码和USB视觉传感器(105)采集数据为前提，将采集的弧长信息转换为反馈控制信号，对成形过程进行闭环控制；
所述GTAW焊接装置(103)用于依据增材制造零件时设定的工艺参数，在设定氧含量下，在基板的表面依据工控机(101)发出的路径指令堆积成形每一层，逐层堆积形成目标零件；
所述环境保护装置(104)用于依据设定的环境参数，充入足量的氩气，并净化装置内的氧气和水蒸气，使GTAW焊接装置(103)处于设定的氧含量环境；
所述USB视觉传感器(105)用于获取增材制造过程中的电弧信息，以对增材制造过程进行监控和电弧长度测量。
2.根据权利要求1所述的氧可控框架类金属零件GTAW电弧增材制造系统，其特征在于：所述GTAW电弧长度检测及反馈系统(102)中的图像采集模块(1021)，根据USB视觉传感器(105)采集电弧数据，传输至图像处理模块(1022)，并实时显示采集数据，实现增材过程监控；图像处理模块(1022)接收图像采集模块(1021)数据信息，经过图像处理算法提取弧长信息，运用差值法得到弧长偏离值，通过反馈控制模块(1023)传输至夹持水冷焊枪(1035)的调节Z轴(10324)。
3.根据权利要求1所述的氧可控框架类金属零件GTAW电弧增材制造系统，其特征在于：所述环境保护装置(104)的腔体(1045)为封闭腔体，所述腔体(1045)内设置所述GTAW焊接装置(103)，真空泵(1046)的管道与腔体(1045)相连通；三通管道分别与氩气瓶(1041)、铜触媒罐(1042)和风机罐(1044)相连通，与风机罐(1044)连通的管道与腔体(1045)相连通，所述铜触媒罐(1042)与活性炭罐(1043)之间有管道连通，所述活性炭罐(1043)的管道与腔体(1045)相连通；GTAW电源(1034)的电缆穿过腔体(1045)连接水冷焊枪(1035)的执行部分；冷水机(1036)的管道穿过腔体(1045)连接水冷焊枪(1035)的冷却部分；工控机(101)的电缆穿过腔体(1045)连接USB视觉传感器(105)，工控机(101)的电缆还与运动控制器(1031)相连接，所述运动控制器(1031)的电缆穿过腔体(1045)与三坐标四轴焊接机器人(1032)执行部分连接，送丝机(1037)向冷水焊枪(1035)传输焊丝。
4.根据权利要求1或3所述的氧可控框架类金属零件GTAW电弧增材制造系统，其特征在于：所述GTAW焊接装置(103)的运动控制器(1031)直接控制夹持水冷焊枪(1035)的三坐标四轴焊接机器人(1032)和变位机(1033)，控制水冷焊枪(1035)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(1033)按照成形移动轨迹运动；所述变位机(1033)用于固定基板，并依据所述运动控制器(1031)的变位机(1033)移动轨迹运动；所述GTAW电源(1034)用于依据选择的相应的电源工作方式、工作电压、工作电流和脉冲频率控制水冷焊枪(1035)；所述水冷焊枪(1035)依据GTAW电源(1034)的工作电压、工作电流，使所述焊丝和基板之间产生电弧，使焊丝熔化，并结合成形路径控制，使熔滴堆积在基板上；所述送丝机(1037)依据设定的送丝速度对所述水冷焊枪(1035)传输焊丝；所述冷水机(1036)用于所述GTAW焊接装置(103)正常工作时，对所述水冷焊枪(1035)和基板进行循环冷却和降温。
5.根据权利要求4所述的氧可控框架类金属零件GTAW电弧增材制造系统，其特征在于：所述三坐标四轴焊接机器人(1032)的调节Z轴(10324)夹持水冷焊枪(1035)，所述X轴(10321)、Y轴(10322)、Z轴(10323)用于依据所述水冷焊枪(1035)路径轨迹移动，使得水冷焊枪(1035)的移动轨迹与所述水冷焊枪(1035)的路径轨迹相同，进行堆积成形，并最终形成目标零件；所述调节Z轴(10324)用于接收GTAW电弧长度检测及反馈系统(102)的反馈信号，通过调节夹持水冷焊枪(1035)的位置，调节电弧长度。
6.一种氧可控框架类金属零件GTAW电弧增材制造系统的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1)构建GTAW电弧长度检测及反馈系统(102)：在工控机(101)上利用Labview语言，构建电弧长度检测及反馈系统，利用OpenCV图像处理实现焊接电弧的处理及测量，将电弧长度的图像信息转换为反馈信号；
步骤2)焊接成形路径代码：工控机(101)根据成形零件的分层数据，生成焊接成形的路径代码；
步骤3)准备工作：确定GTAW电弧增材制造丝材的材质、直径、基板，焊接电流、送丝速度、焊接速度，气流量，冷却水温度，腔体内氧含量、水含量；
步骤4)环境保护装置(104)依据设定的环境参数，排出系统内的空气，充入足量的氩气，净化装置内的氧气和水蒸气，使GTAW焊接装置(103)处于设定的氧含量环境；
步骤5)焊接装置开始第一层焊接成形：GTAW焊接装置(103)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；
步骤6)对焊接成形的过程中的电弧长度进行控制，包括：
a.USB视觉传感器(105)在目标零件成形的过程中，实时对电弧进行图像采集，并将采集的数据传输至GTAW电弧长度检测及反馈系统(102)，实现增材过程的实时监控；
b.GTAW电弧长度检测及反馈系统(102)将视觉传感器(105)采集的数据信号用卷积积分进行滤波、降噪及灰度、二值化处理，获得电弧特征图像；
c.GTAW电弧长度检测及反馈系统(102)中图像处理模块(1022)，对电弧特征图像进行最终处理，提取电弧图像轮廓，得到电弧的长度；
d.GTAW电弧长度检测及反馈系统(102)依据测量电弧的长度与电弧预定的理想长度的差值，结合反馈执行机构的参数，将电弧长度转换为反馈信号；
e.GTAW电弧长度检测及反馈系统(102)中反馈控制(1023)将反馈信号通过工控机(101)的I/O口传输到调节Z轴(10324)，使电弧的长度趋近于设定的电弧长度；
步骤7)GTAW焊接装置(103)开始第二层堆积成形，重复步骤5)；GTAW焊接装置(103)开始第三层堆积成形，重复步骤5)；……GTAW焊接装置(103)开始最后一层的堆积成形，重复步骤5)，最终完成目标零件的堆积成形。
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