CN109623122B - 一种电子束熔丝沉积熔滴过渡距离的控制方法 - Google Patents
一种电子束熔丝沉积熔滴过渡距离的控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109623122B CN109623122B CN201811489898.8A CN201811489898A CN109623122B CN 109623122 B CN109623122 B CN 109623122B CN 201811489898 A CN201811489898 A CN 201811489898A CN 109623122 B CN109623122 B CN 109623122B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- droplet transfer
- axis
- electron beam
- image
- molten
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000012546 transfer Methods 0.000 title claims abstract description 64
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 31
- 230000008021 deposition Effects 0.000 title claims abstract description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 37
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 6
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 6
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 5
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 claims description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 3
- 239000000284 extract Substances 0.000 claims description 3
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K15/00—Electron-beam welding or cutting
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K15/00—Electron-beam welding or cutting
- B23K15/0026—Auxiliary equipment
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Welding Or Cutting Using Electron Beams (AREA)
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
Abstract
本发明涉及一种电子束熔丝沉积熔滴过渡距离的控制方法，属于增材制造监控技术领域。本发明通过视觉监控的方法，在进行电子束熔丝沉积增材制造成形过程中，实时采集熔滴过渡图像，通过图像处理，获得当前熔滴过渡距离信息，根据该熔滴过渡距离信息，调整送丝高度调节轴的滑块高度，实现了熔滴过渡距离的闭环控制，解决了采用开环控制时的粘丝、沉积不连续等问题，避免了熔池飞溅、大滴过渡等现象，提高了沉积过程的稳定性，进而保证了成形过程和产品质量的一致性，提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子束熔丝沉积熔滴过渡距离的控制方法，属于增材制造监控技术领域。
背景技术
电子束熔丝制造过程连续稳定是保证成形质量和制造效率的前提，而其中连续送进的丝材在电子束作用下端部熔化形成熔滴并向熔池过渡的过程尤为重要。为实现稳定的液桥过渡，需要保证丝材与电子束轴线相交，且交点位于熔池平面内。然而在加工过程中，由于丝材弯曲、基板不平等因素使得丝材和电子束交点离开熔池表面，当交点高于熔池表面时会造成熔丝不连续，影响沉积质量；当交点低于熔池表面时，会发生粘丝现象，导致沉积过程中断。已有研究者开始针对熔滴过渡距离进行控制研究，例如中国专利CN107584119A，公开了一种提高熔丝沉积过程中送丝稳定性的自适应调节装置，其利用丝材接触熔池时电路导通的原理，可以将熔滴过渡距离维持在零点附近。其缺点是其控制方法为开关控制，系统调整速度慢，而且只能将熔滴过渡距离维持在零点附近，而不能调整该距离值。
发明内容
本发明的目的是提出一种电子束熔丝沉积中熔滴过渡距离的控制方法，根据工艺要求，通过视觉监控，实现对电子束熔丝沉积增材制造过程中的熔滴过渡距离的闭环控制。
本发明提出的电子束熔丝沉积中熔滴过渡距离的控制方法，包括以下步骤：
(1)向待沉积增材工件上发射一束高能电子束，电子束将连续送入的丝材熔化，形成熔滴，熔滴过渡到待沉积增材工件上，在待沉积增材工件形成熔池，将电子束轴线L1与熔滴轴线L2的交点P1的纵坐标记为Y1，将电子束轴线L1与熔池长轴L3的交点P2的纵坐标记为Y2，定义熔滴过渡距离为△Y：△Y＝Y1–Y2；
(2)开始沉积时，使待沉积增材工件根据设定的轨迹运动，进行电子束熔丝沉积成形；
(3)在采样时刻t，实时采集熔滴过渡区域的图像，对熔滴过渡区域的图像进行图像处理，获得熔滴过渡距离，并根据得到的信息，对电子束熔丝沉积增材制造过程中的熔滴过渡距离进行控制，包括以下步骤：
(3-1)获取熔滴过渡区域的图像，并对图像进行增强和去燥处理，得到增强后的熔滴过渡区域图像；
(3-2)提取增强后的熔滴过渡区域图像中的灰度梯度特征，得到灰度梯度图像；
(3-3)对步骤(3-2)的灰度梯度图像进行阈值分割，得到二值化图像，从二值化图像中检测得到熔池轮廓S2和熔滴轮廓S1；
(3-4)对步骤(3-3)的熔滴轮廓进行霍夫变换，得到丝材末端的熔滴轴线L2的方程F1：
Y＝K1X+b1
其中，K1为熔滴轴线L2的斜率，b1为熔滴轴线L2的截距，X为横坐标，Y为纵坐标；
(3-5)对步骤(3-3)的熔池轮廓进行霍夫变换，得到熔池长轴L3的方程F2：
Y＝K2X+b2
其中，K2为熔池长轴L3的斜率，b2为熔池长轴L3的截距，X为横坐标，Y为纵坐标；
(3-6)设电子束轴线的横坐标为X3，将X3代入熔滴轴线L2的方程F1中，求解得到电子束轴线与熔滴轴线的交点P1的纵坐标Y1，将X3代入熔池长轴L3方程F2中，求解得到电子束轴线与熔池长轴的交点P2的纵坐标Y2，进而得到当前熔滴过渡距离△Yc：△Yc＝Y1–Y2；
(3-7)根据待沉积增材工件的工艺要求，设定一个目标熔滴过渡距离△Yo，计算当前熔滴过渡距离△Yc与目标熔滴过渡距离△Yo的偏差E：E＝△Yo－△Yc，将E作为实时监控的状态量；
(3-8)根据步骤(3-7)的实时监控状态量E，利用比例-积分-微分控制方法，通过下式计算熔滴过渡距离△Y的调整量ε：
其中，t为采样时刻，KP为比例-积分-微分控制中的比例系数，该比例系数的取值范围为0.1～10，TI为比例-积分-微分控制中的积分系数，该比例系数的取值范围为0.01～0.5，TD为比例-积分-微分控制中的微分系数，该微分系数的取值范围为0.01～0.5；
(3-9)根据调整量ε，使丝材沿Y轴作相应移动，实现对电子束熔丝沉积中熔滴过渡距离的控制。
本发明提出的电子束熔丝沉积熔滴过渡距离的控制方法，其优点是：
本发明的电子束熔丝沉积熔滴过渡距离的控制方法，通过视觉监控的方法，在进行电子束熔丝沉积增材制造成形过程中，实时采集熔滴过渡图像，通过图像处理，获得当前熔滴过渡距离信息，根据该熔滴过渡距离信息，调整送丝高度调节轴的滑块高度，实现了熔滴过渡距离的闭环控制，解决了采用开环控制时的粘丝、沉积不连续等问题，避免了熔池飞溅、大滴过渡等现象，提高了沉积过程的稳定性，进而保证了成形过程和产品质量的一致性，提高了生产效率。
附图说明
图1为本发明提出的电子束熔丝沉积熔滴过渡距离的控制方法中涉及的熔滴过渡距离计算示意图。
具体实施方式
本发明提出的电子束熔丝沉积中熔滴过渡距离的控制方法，包括以下步骤：
(1)向待沉积增材工件上发射一束高能电子束，电子束将连续送入的丝材熔化，形成熔滴，熔滴过渡到待沉积增材工件上，在待沉积增材工件形成熔池，将电子束轴线L1与熔滴轴线L2的交点P1的纵坐标记为Y1，将电子束轴线L1与熔池长轴L3的交点P2的纵坐标记为Y2，定义熔滴过渡距离为△Y：△Y＝Y1–Y2，如图1所示；
(2)开始沉积时，使待沉积增材工件根据设定的轨迹运动，进行电子束熔丝沉积成形；
(3)在采样时刻t，实时采集熔滴过渡区域的图像，对熔滴过渡区域的图像进行图像处理，获得熔滴过渡距离，并根据得到的信息，对电子束熔丝沉积增材制造过程中的熔滴过渡距离进行控制，包括以下步骤：
(3-1)获取熔滴过渡区域的图像，并对图像进行增强和去燥处理，得到增强后的熔滴过渡区域图像；本发明的一个实施例中，利用自适应滤波方法消除图像噪声，以增强熔滴过渡区域的图像特征。
(3-2)提取增强后的熔滴过渡区域图像中的灰度梯度特征，得到灰度梯度图像；本发明的一个实施例中，使用Sobel/Prewitt/LoG/HoG算子计算图像的灰度梯度，凸显熔滴过渡区域的熔滴和熔池信息。
(3-3)对步骤(3-2)的灰度梯度图像进行阈值分割，得到二值化图像，从二值化图像中检测得到熔池轮廓S2和熔滴轮廓S1，如图1所示；本发明的一个实施例中，使用采用自适应阈值分割、连通域提取等手段计算熔池轮廓和熔滴轮廓；
(3-4)对步骤(3-3)的熔滴轮廓进行霍夫变换，得到丝材末端的熔滴轴线L2的方程F1：
Y＝K1X+b1
其中，K1为熔滴轴线L2的斜率，b1为熔滴轴线L2的截距，X为横坐标，Y为纵坐标；
(3-5)对步骤(3-3)的熔池轮廓进行霍夫变换，得到熔池长轴L3的方程F2：
Y＝K2X+b2
其中，K2为熔池长轴L3的斜率，b2为熔池长轴L3的截距，X为横坐标，Y为纵坐标；
(3-6)由于电子束为一竖直线，设电子束轴线的横坐标为X3，将X3代入熔滴轴线L2的方程F1中，求解得到电子束轴线与熔滴轴线的交点P1的纵坐标Y1，将X3代入熔池长轴L3方程F2中，求解得到电子束轴线与熔池长轴的交点P2的纵坐标Y2，进而得到当前熔滴过渡距离△Yc：△Yc＝Y1–Y2；
(3-7)根据待沉积增材工件的工艺要求，设定一个目标熔滴过渡距离△Yo，计算当前熔滴过渡距离△Yc与目标熔滴过渡距离△Yo的偏差E：E＝△Yo－△Yc，将E作为实时监控的状态量；
(3-8)根据步骤(3-7)的实时监控状态量E，利用比例-积分-微分控制方法，通过下式计算熔滴过渡距离△Y的调整量ε：
其中，t为采样时刻，KP为比例-积分-微分控制中的比例系数，该比例系数的取值范围为0.1～10，本发明的一个实施例中，取值为0.5，TI为比例-积分-微分控制中的积分系数，该比例系数的取值范围为0.01～0.5，本发明的一个实施例中，取值为0.1，TD为比例-积分-微分控制中的微分系数，该微分系数的取值范围为0.01～0.5，本发明的一个实施例中，取值为0.1，
(3-9)根据调整量ε，使丝材沿Y轴作相应移动，实现对电子束熔丝沉积中熔滴过渡距离的控制。
Claims (1)
1.一种电子束熔丝沉积中熔滴过渡距离的控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)向待沉积增材工件上发射一束高能电子束，电子束将连续送入的丝材熔化，形成熔滴，熔滴过渡到待沉积增材工件上，在待沉积增材工件形成熔池，将电子束轴线L1与熔滴轴线L2的交点P1的纵坐标记为Y1，将电子束轴线L1与熔池长轴L3的交点P2的纵坐标记为Y2，定义熔滴过渡距离为△Y：△Y＝Y1–Y2；
(2)开始沉积时，使待沉积增材工件根据设定的轨迹运动，进行电子束熔丝沉积成形；
(3)在采样时刻t，实时采集熔滴过渡区域的图像，对熔滴过渡区域的图像进行图像处理，获得熔滴过渡距离，并根据得到的信息，对电子束熔丝沉积增材制造过程中的熔滴过渡距离进行控制，包括以下步骤：
(3-1)获取熔滴过渡区域的图像，并对图像进行增强和去燥处理，得到增强后的熔滴过渡区域图像；
(3-2)提取增强后的熔滴过渡区域图像中的灰度梯度特征，得到灰度梯度图像；
(3-3)对步骤(3-2)的灰度梯度图像进行阈值分割，得到二值化图像，从二值化图像中检测得到熔池轮廓S2和熔滴轮廓S1；
(3-4)对步骤(3-3)的熔滴轮廓进行霍夫变换，得到丝材末端的熔滴轴线L2的方程F1：
Y＝K1X+b1
其中，K1为熔滴轴线L2的斜率，b1为熔滴轴线L2的截距，X为横坐标，Y为纵坐标；
(3-5)对步骤(3-3)的熔池轮廓进行霍夫变换，得到熔池长轴L3的方程F2：
Y＝K2X+b2
其中，K2为熔池长轴L3的斜率，b2为熔池长轴L3的截距，X为横坐标，Y为纵坐标；
(3-6)设电子束轴线的横坐标为X3，将X3代入熔滴轴线L2的方程F1中，求解得到电子束轴线与熔滴轴线的交点P1的纵坐标Y1，将X3代入熔池长轴L3方程F2中，求解得到电子束轴线与熔池长轴的交点P2的纵坐标Y2，进而得到当前熔滴过渡距离△Yc：△Yc＝Y1–Y2；
(3-7)根据待沉积增材工件的工艺要求，设定一个目标熔滴过渡距离△Yo，计算当前熔滴过渡距离△Yc与目标熔滴过渡距离△Yo的偏差E：E＝△Yo－△Yc，将E作为实时监控的状态量；
(3-8)根据步骤(3-7)的实时监控状态量E，利用比例-积分-微分控制方法，通过下式计算熔滴过渡距离△Y的调整量ε：
其中，t为采样时刻，KP为比例-积分-微分控制中的比例系数，该比例系数的取值范围为0.1～10，TI为比例-积分-微分控制中的积分系数，该比例系数的取值范围为0.01～0.5，TD为比例-积分-微分控制中的微分系数，该微分系数的取值范围为0.01～0.5；
(3-9)根据调整量ε，使丝材沿Y轴作相应移动，实现对电子束熔丝沉积中熔滴过渡距离的控制。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811489898.8A CN109623122B (zh) | 2018-12-06 | 2018-12-06 | 一种电子束熔丝沉积熔滴过渡距离的控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811489898.8A CN109623122B (zh) | 2018-12-06 | 2018-12-06 | 一种电子束熔丝沉积熔滴过渡距离的控制方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109623122A CN109623122A (zh) | 2019-04-16 |
| CN109623122B true CN109623122B (zh) | 2019-08-16 |
Family
ID=66071830
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811489898.8A Active CN109623122B (zh) | 2018-12-06 | 2018-12-06 | 一种电子束熔丝沉积熔滴过渡距离的控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109623122B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110576251B (zh) * | 2019-09-06 | 2020-07-10 | 清华大学 | 电子束熔丝增材制造过程的零件形貌三维重建方法及装置 |
| CN114178546B (zh) * | 2021-11-25 | 2022-11-01 | 清华大学 | 双通道电子束熔丝沉积熔滴过渡状态监测方法及装置 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106695105A (zh) * | 2017-03-14 | 2017-05-24 | 西安智熔金属打印系统有限公司 | 电子束熔丝增材制造方法 |
| WO2017096050A1 (en) * | 2015-12-04 | 2017-06-08 | Raytheon Company | Electron beam additive manufacturing |
| EP3213854A1 (en) * | 2016-02-29 | 2017-09-06 | Rolls-Royce Corporation | Method, system and computer readable storage medium for energy deposition for processing gas turbine engine components |
| CN107538134A (zh) * | 2016-06-27 | 2018-01-05 | 伊利诺斯工具制品有限公司 | 宽路径焊接、包覆和增材制造 |
| CN107584119A (zh) * | 2017-09-26 | 2018-01-16 | 哈尔滨工业大学 | 一种提高熔丝沉积过程中送丝稳定性的自适应调节装置 |
| CN108372355A (zh) * | 2016-12-20 | 2018-08-07 | 中国航空制造技术研究院 | 一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置及方法 |
| CN108778573A (zh) * | 2016-03-03 | 2018-11-09 | H.C.施塔克公司 | 通过增材制造制备金属部件 |
-
2018
- 2018-12-06 CN CN201811489898.8A patent/CN109623122B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017096050A1 (en) * | 2015-12-04 | 2017-06-08 | Raytheon Company | Electron beam additive manufacturing |
| EP3213854A1 (en) * | 2016-02-29 | 2017-09-06 | Rolls-Royce Corporation | Method, system and computer readable storage medium for energy deposition for processing gas turbine engine components |
| CN108778573A (zh) * | 2016-03-03 | 2018-11-09 | H.C.施塔克公司 | 通过增材制造制备金属部件 |
| CN107538134A (zh) * | 2016-06-27 | 2018-01-05 | 伊利诺斯工具制品有限公司 | 宽路径焊接、包覆和增材制造 |
| CN108372355A (zh) * | 2016-12-20 | 2018-08-07 | 中国航空制造技术研究院 | 一种实现梯度材料制备的电子束熔丝增材制造装置及方法 |
| CN106695105A (zh) * | 2017-03-14 | 2017-05-24 | 西安智熔金属打印系统有限公司 | 电子束熔丝增材制造方法 |
| CN107584119A (zh) * | 2017-09-26 | 2018-01-16 | 哈尔滨工业大学 | 一种提高熔丝沉积过程中送丝稳定性的自适应调节装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109623122A (zh) | 2019-04-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109623122B (zh) | 一种电子束熔丝沉积熔滴过渡距离的控制方法 | |
| CN111037050B (zh) | 一种基于视觉传感的gta增材制造系统及控制方法 | |
| CN109623123B (zh) | 一种电子束熔丝沉积中熔滴过渡距离的控制系统 | |
| CN106735210A (zh) | 一种用于送粉式增材制造设备的控制系统及控制方法 | |
| CN110434427B (zh) | 脉冲gta填丝增材制造堆积层片双变量控制方法及系统 | |
| CN105033408B (zh) | Gma增材制造双被动视觉传感检测装置及其检测方法 | |
| CN106001926B (zh) | 基于视觉传感的激光—电弧复合焊接实时自动控制装置及其焊接方法 | |
| CN106925783B (zh) | 一种金属3d打印设备和方法 | |
| CN107999932A (zh) | Gta填丝增材制造弧长前馈检测与开环控制方法 | |
| CN106914708B (zh) | 激光双丝间接电弧复合焊接装置及送丝速度预测计算方法 | |
| CN103071774A (zh) | 一种控制连铸机矫直点处铸坯表面温度的方法 | |
| CN109207994A (zh) | 一种三段往复式激光熔覆装置及方法 | |
| CN105555047B (zh) | 一种无引线镀金线路板的生产方法 | |
| CN108723550B (zh) | 前馈补偿的gta填丝增材制造成形高度反馈控制方法 | |
| CN109465530B (zh) | 一种电子束熔丝沉积增材制造实时监控方法 | |
| CN109128177B (zh) | 一种控制增材制造电弧弧长和成形件端面平整度的方法 | |
| CN105382417B (zh) | 铝锂合金薄板t型接头异种模式激光焊接的方法 | |
| WO2023142212A1 (zh) | 一种闭环控制激光功率改善工件塌边问题的装置和方法 | |
| CN110369723A (zh) | 一种3d激光打印的激光功率优化方法 | |
| US9862631B2 (en) | Apparatus for eliminating heterogeneous glass and glass manufacturing apparatus comprising the same | |
| CN112996624A (zh) | 增材制造 | |
| CN104646643B (zh) | 一种直接约束控制导电金属流体液面波动的电磁控制方法 | |
| CN102864472B (zh) | 一种微射流电铸喷头 | |
| US4784680A (en) | Method of and apparatus for manufacturing float glass | |
| CN108417490A (zh) | 蚀刻金属工件的方法和显示面板的制作方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |