CN109648172B - 弧压辅助的gta增材制造熔宽检测视觉系统实时标定方法 - Google Patents

弧压辅助的gta增材制造熔宽检测视觉系统实时标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种弧压辅助的GTA增材制造熔宽检测的视觉系统实时标定方法，利用弧压信号可间接表征钨极尖端到堆积层表面的距离的特点，将弧压信号融合到熔池检测的视觉系统标定中，通过测定钨极尖端到堆积层表面的距离，采集弧压变化曲线并进行滤波处理，计算不同钨极尖端到堆积层表面的距离下，图像中不同列的像素比例因子，从而完成视觉系统的实时标定；本发明将虚拟弧压信号融合到熔池检测的视觉系统实时标定中，有效地解决了GTA填丝增材制造过程熔宽检测的视觉系统标定失效难题，且可以适用于复杂构件GTA填丝增材制造熔宽尺寸的实时检测，为后续GTA填丝增材制造堆积尺寸的实时控制提供了可靠的技术支撑。

Description

弧压辅助的GTA增材制造熔宽检测视觉系统实时标定方法
技术领域
本发明属于电弧填丝增材制造技术领域，具体涉及一种弧压辅助的GTA增材制造熔宽检测视觉系统实时标定方法。
背景技术
钨极氩弧(Gas Tungsten Arc，GTA)填丝增材制造以GTA电弧作为热源，金属丝材为填充材料，逐层堆积成形金属构件，由于该技术具有设备成本低、电弧稳定、电流与送丝可独立调节的显著优点，因而广泛应用于昂贵金属材料的增材制造，如钛合金、镍基高温合金、高强钢，成形的金属构件具有优良的组织和力学性能。
在GTA填丝增材制造中，由于热积累的影响，随堆积层数的增加，熔池易于铺展，表现为熔池宽度逐渐增大。同时，堆积过程中，层间温度与前层堆积尺寸也对当前层熔池宽度影响较大。为解决各种干扰因素引起的熔池宽度不均难题，在GTA枪后方安装视觉传感系统实时检测熔池尺寸不失为一种有效的方法。
然而，在GTA填丝增材制造逐层堆积过程中，每堆积一层，GTA枪提升一个分层切片高度。由于众多因素的扰动，如：工艺参数波动、堆积层热积累和前层堆积状况，致使当前层堆积的高度与GTA枪提升的高度不一致，视觉传感系统到堆积层表面的距离动态波动，使得事先标定的视觉传感系统失效，难以精准反馈堆积层熔池宽度的变化。因此，如何解决GTA填丝增材制造中熔池宽度视觉传感系统的实时标定成为一个难题。
中国专利申请号201510282713.6名为“GMA增材制造双被动视觉传感检测装置及其检测方法”的专利提供了一种GMA增材制造熔池尺寸检测方法，该方法在GMA枪正面安装一个视觉传感器，用于检测GMA枪喷嘴到堆积层熔池尾部的垂直距离，将此高度信息融合到熔池宽度检测的视觉传感器中，完成熔池宽度检测的视觉系统标定。由于在GMA枪正面安装一个高度检测的视觉传感系统，一方面使得检测装置过于复杂，另一方面也不适合于复杂金属构件熔池宽度的检测，如交叉路径金属构件。基于此，本发明亟待提出一种简单、有效的适合于GTA填丝增材制造熔宽检测的视觉系统实时标定方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有GTA填丝增材制造中熔宽视觉传感系统标定失效的难题，提供一种弧压辅助的GTA增材制造熔宽检测视觉系统实时标定方法。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种弧压辅助的GTA增材制造熔宽检测的视觉系统实时标定方法，包括以下步骤：
步骤一：调整GTA枪姿态，使其垂直于基板表面，将视觉系统安装在GTA枪后方，保持GTA枪轴线、视觉系统中心轴与堆积路径方向在同一平面内，调整视觉系统位置，使视觉系统中心轴与GTA枪轴线的夹角α为10-20°；
视觉系统中心轴与GTA枪轴线的夹角α设定为10-20°的原因是：如果夹角设定过小，则视觉系统检测的是固态堆积层熔宽，检测系统滞后过大，倘若夹角设定过大，则视觉系统易直接观察到电弧甚至GTA枪喷嘴区域；
步骤二：打磨基板，在基板上堆积N层堆积道，熄灭电弧；
步骤三：将GTA枪移动至堆积层高度平稳段区域，所述高度平稳段区域是指堆积路径长度内N层堆积道高度平整的区域，且该区域不包括起弧端和熄弧端，调节GTA枪到堆积层表面的距离，测量GTA枪钨极尖端到堆积层表面的距离Li；
步骤四：将模板厚度d为0.3-1.8mm的标定模板置于堆积层表面并位于钨极尖端下方，使模板平面与钨极尖端垂直，开启视觉系统，采集标定模板图像，计算图像中第P列和第Q列的像素比例系数Cpi和CQi；GTA移动至N层堆积道末端，启动电弧，开始堆积第N+1层，待电弧燃烧2-5s后，弧压采集系统记录弧压变化曲线，采用滤波算法对曲线进行滤波处理，提取步骤三中GTA枪位置处的弧压Ui；
模板厚度d设定为0.3-1.8mm是为了模拟单个堆积层的高度对视觉系统标定的影响，通过设定合适的模板厚度，可以保证视觉系统标定过程获得更高的精度；电弧燃烧时间设定为2-5s的原因是：如果电弧燃烧时间太短，弧压采集系统容易采集到起弧段非平稳的电压，倘若电弧燃烧时间过长，会致使采集的弧压变化数据量过少。
步骤五：继续重复步骤二、步骤三和步骤四，通过改变步骤三中钨极尖端到堆积层表面的距离，获取(L1，Cp1，CQ1)，(L2，Cp2，CQ2)，(L3，Cp3，CQ3)，…，(Ln，Cpn，CQn)数据，拟合计算钨极尖端到堆积层表面的距离L与弧压U的标定关系式：L＝aU+b，式中a和b为拟合系数；不同钨极尖端到堆积层表面的距离L下，图像中第P列和第Q列的像素比例系数Cp和CQ分别表示为：
Figure BDA0001954739810000021
Figure BDA0001954739810000022
式中：w0，w1，…，wM和v0，v1，…，vM是2M+2个拟合的系数；
图像中任意列R(P≤R≤Q)的像素比例系数CR为：
CR＝(CQ-CP)(R-P)/(Q-P)+CP，待CR计算后，即完成了不同钨极尖端到堆积层表面的距离L下视觉系统的实时标定。
作为优选方式，步骤二中堆积的N层堆积道为多层单道结构或多层多道结构。
作为优选方式，步骤二中堆积的N层堆积道为多层单道结构时，N≥5，堆积的N层堆积道为多层多道结构时，N≥1。堆积的N层堆积道为多层单道结构时，N设定为≥5主要是因为多层单道结构一般在堆积前4层时，堆积层受到基板的影响过大，堆积层尺寸波动较大；堆积的N层堆积道为多层多道结构时，N设定为≥1是因为多层多道结构表面搭接一般较为平整，因此只需设定N≥1即可。
作为优选方式，步骤四中标定模板是边长为1-3mm的方形网格。
作为优选方式，步骤四中的滤波算法为防脉冲滑动平均滤波算法。
作为优选方式，步骤五中M的取值范围为1-5。M的取值范围设定为1-5主要是为了既要数据拟合精度，但又不致使拟合过程计算量过大。
本发明的有益效果为：本发明设计了一种弧压辅助的GTA增材制造熔宽检测视觉系统实时标定方法，弧压信号可间接表征钨极尖端到堆积层表面的距离，将弧压信号融合到熔池检测的视觉系统标定中，有效地解决了GTA填丝增材制造过程中视觉系统到堆积层表面距离变化引起的标定失效难题，同时，弧压信号是一种虚拟传感方式，不易受强烈电弧光的干扰、非常适合复杂构件GTA填丝增材制造熔宽的检测，本发明为GTA填丝增材制造堆积尺寸的实时控制提供了可靠的技术支撑。
附图说明
图1为弧压辅助的GTA增材制造熔宽检测的视觉系统实时标定方法示意图。
1为基板，2为堆积道，3为GTA增材制造电源，4为GTAW焊枪，5为钨极，6为弧压采集系统，7为视觉系统，8为工控机，9为标定模板。
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。
本实施例的试验平台如下：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枪通过夹具固定在MOTOMAN机器人第六轴末端上，机器人控制GTA的运动，视觉系统安装在GTA枪后方，弧压采集系统由霍尔电压传感器和数据采集卡组成。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300mm×200mm×6mm。
如图1所示，一种弧压辅助的GTA增材制造熔宽检测视觉系统实时标定方法，具体包括以下步骤：
步骤一：调整GTA枪姿态，使其垂直于基板表面，将视觉系统安装在GTA枪后方，保持GTA枪轴线、视觉系统中心轴与堆积路径方向在同一平面内，调整视觉系统位置，使视觉系统中心轴与GTA枪轴线的夹角α为10-20°；
步骤二：打磨基板，在基板上堆积N层堆积道，熄灭电弧；
步骤三：将GTA枪移动至堆积层高度平稳段区域，所述高度平稳段区域是指堆积路径长度内N层堆积道高度平整的区域，且该区域不包括起弧端和熄弧端，调节GTA枪到堆积层表面的距离，测量GTA枪钨极尖端到堆积层表面的距离Li；
步骤四：将模板厚度d为0.3-1.8mm的标定模板置于堆积层表面并位于钨极尖端下方，使模板平面与钨极尖端垂直，开启视觉系统，采集标定模板图像，计算图像中第P列和第Q列的像素比例系数Cpi和CQi；GTA移动至N层堆积道末端，启动电弧，开始堆积第N+1层，待电弧燃烧2-5s后，弧压采集系统记录弧压变化曲线，采用滤波算法对曲线进行滤波处理，提取步骤三中GTA枪位置处的弧压Ui；
步骤五：继续重复步骤二、步骤三和步骤四，通过改变步骤三中钨极尖端到堆积层表面的距离，获取(L1，Cp1，CQ1)，(L2，Cp2，CQ2)，(L3，Cp3，CQ3)，…，(Ln，Cpn，CQn)数据，拟合计算钨极尖端到堆积层表面的距离L与弧压U的标定关系式：L＝aU+b，式中a和b为拟合系数；不同钨极尖端到堆积层表面的距离L下，图像中第P列和第Q列的像素比例系数Cp和CQ分别表示为：
Figure BDA0001954739810000041
Figure BDA0001954739810000042
式中：w0，w1，…，wM和v0，v1，…，vM是2M+2个拟合的系数；
图像中任意列R(P≤R≤Q)的像素比例系数CR为：
CR＝(CQ-CP)(R-P)/(Q-P)+CP，待CR计算后，即完成了不同钨极尖端到堆积层表面的距离L下视觉系统的实时标定。
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 (6)

1.一种弧压辅助的GTA增材制造熔宽检测视觉系统实时标定方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：调整钨极氩弧焊枪姿态，使其垂直于基板表面，将视觉系统安装在钨极氩弧焊枪后方，保持钨极氩弧焊枪轴线、视觉系统中心轴与堆积路径方向在同一平面内，调整视觉系统位置，使视觉系统中心轴与钨极氩弧焊枪轴线的夹角α为10-20°；
步骤二：打磨基板，在基板上堆积N层堆积道，熄灭电弧；
步骤三：将钨极氩弧焊枪移动至堆积层高度平稳段区域，所述高度平稳段区域是指堆积路径长度内N层堆积道高度平整的区域，且该区域不包括起弧端和熄弧端，调节钨极氩弧焊枪到堆积层表面的距离，测量钨极氩弧焊枪钨极尖端到堆积层表面的距离Li；
步骤四：将模板厚度d为0.3-1.8mm的标定模板置于堆积层表面并位于钨极尖端下方，使模板平面与钨极尖端垂直，开启视觉系统，采集标定模板图像，计算图像中第P列和第Q列的像素比例系数Cpi和CQi；钨极氩弧焊枪移动至N层堆积道末端，启动电弧，开始堆积第N+1层，待电弧燃烧2-5s后，弧压采集系统记录弧压变化曲线，采用滤波算法对曲线进行滤波处理，提取步骤三中钨极氩弧焊枪位置处的弧压Ui；
步骤五：继续重复步骤二、步骤三和步骤四，通过改变步骤三中钨极尖端到堆积层表面的距离，获取(L1，Cp1，CQ1)，(L2，Cp2，CQ2)，(L3，Cp3，CQ3)，…，(Ln，Cpn，CQn)数据，拟合计算钨极尖端到堆积层表面的距离L与弧压U的标定关系式：L＝aU+b，式中a和b为拟合系数；不同钨极尖端到堆积层表面的距离L下，图像中第P列和第Q列的像素比例系数Cp和CQ分别表示为：
Figure FDA0002721049640000011
Figure FDA0002721049640000012
式中：w0，w1，…，wM和v0，v1，…，vM是2M+2个拟合的系数；
图像中任意列R(P≤R≤Q)的像素比例系数CR为：
CR＝(CQ-CP)(R-P)/(Q-P)+CP，待CR计算后，即完成了不同钨极尖端到堆积层表面的距离L下视觉系统的实时标定。
2.根据权利要求1所述的一种弧压辅助的GTA增材制造熔宽检测视觉系统实时标定方法，其特征在于：步骤二中堆积的N层堆积道为多层单道结构或多层多道结构。
3.根据权利要求1所述的一种弧压辅助的GTA增材制造熔宽检测视觉系统实时标定方法，其特征在于：步骤二中堆积的N层堆积道为多层单道结构时，N≥5，堆积的N层堆积道为多层多道结构时，N≥1。
4.根据权利要求1所述的一种弧压辅助的GTA增材制造熔宽检测视觉系统实时标定方法，其特征在于：步骤四中标定模板是边长为1-3mm的方形网格。
5.根据权利要求1所述的一种弧压辅助的GTA增材制造熔宽检测视觉系统实时标定方法，其特征在于：步骤四中的滤波算法为防脉冲滑动平均滤波算法。
6.根据权利要求1所述的一种弧压辅助的GTA增材制造熔宽检测视觉系统实时标定方法，其特征在于：步骤五中M的取值范围为1-5。
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