CN110026552A - 用于针对增材制造提供位置反馈的系统和方法 - Google Patents

用于针对增材制造提供位置反馈的系统和方法 Download PDF

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詹森·K·弗拉姆
S·R·彼得斯
W·T·马修斯
P·E·丹尼
乔纳森·保罗
利维·J·米切尔
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Abstract

披露了一种用于在机器人增材制造工艺过程中校正高度误差的系统和方法。在增材制造工艺过程中在创建当前层时对输出电流、输出电压、输出功率、输出电路阻抗、以及送丝速度中的一项或两项进行采样。基于输出电流、输出电压、输出功率、输出电路阻抗、以及送丝速度中的至少一项或两项来确定多个瞬时接触尖端到工件距离(CTWD)。基于该多个瞬时CTWD来确定平均CTWD。至少基于平均CTWD来生成校正因子，该校正因子用于补偿当前层的高度的任何误差。

Description

用于针对增材制造提供位置反馈的系统和方法
优先权
本美国专利申请要求2017年12月19日提交的美国临时专利申请序列号62/607,598的权益和优先权，该申请以其全部内容通过援引并入本文。
技术领域
本发明的某些实施例涉及增材制造。更具体地，本发明的某些实施例涉及针对可以使用焊接、包层或热丝工艺并且可以与机器人系统一起使用的增材制造工艺提供位置反馈的系统和方法。
背景技术
在增材制造工艺过程中，构建多个金属材料相继层以产生工件零件。可以使用机器人焊接单元来按照该机器人焊接单元的机器人控制器的命令随着时间一层接一层地建立该工件零件。该机器人控制器可以包括读取将使用增材(一层接一层)制造工艺来产生的工件零件的3D模型的软件。该机器人控制器以编程方式将该3D模型分为多个层并且为这些单独的层中的每一层规划焊接路径来进行该零件的建造。针对每个层确定期望的沉积，从而针对每个沉积层得到期望的高度。然而，随着实际的一层接一层沉积的进行，任何给定层的实际所得高度由于多个因素，例如像工件零件衬底的表面条件(例如，温度或在衬底上的位置)和对某些焊接参数的控制可以达到的准确度，而可能偏离期望的或希望的高度。
通过将这样的系统和方法与在本申请的其余部分中参照附图所阐述的本发明的实施例进行比较，本领域技术人员将清楚常规的、传统的和已提出的方法的进一步的限制和缺点。
发明内容
提供了一种用于在增材制造工艺过程中校正高度误差的系统和方法。在增材制造工艺过程中在产生当前层时对输出电流和送丝速度中的一者或两者进行采样。基于输出电流、送丝速度、电路阻抗、输出电压和输出功率中的至少一个或每一个来确定多个瞬时的接触尖端到工件距离(CTWD)。基于所述多个瞬时CTWD来确定平均CTWD。至少基于该平均CTWD来生成校正因子，该校正因子用于补偿当前层和/或下一层的高度的任何误差。
在一个实施例中，提供了一种具有电源的增材制造系统。该电源被配置成用于在增材制造工艺过程中在创建3D工件零件的当前层时实时采样瞬时参数对。这些瞬时参数对中的每个瞬时参数对可以包括输出电流、送丝速度、输出电压、电路阻抗、以及输出功率。该电源或单独的系统控制器中的至少一者还被配置成用于：在该当前层的创建过程中采样这些瞬时参数对中的每个参数对时，针对并且至少基于每个参数对来实时地确定瞬时接触尖端到工件距离。该电源和/或单独的系统控制器进一步被配置成用于：在该当前层的创建过程中确定每个瞬时接触尖端到工件距离时，基于每个瞬时接触尖端到工件距离来实时地确定运行期平均接触尖端到工件距离。该电源或系统控制器中的任一者或两者还被配置成用于生成校正因子。该校正因子至少是基于该运行期平均接触尖端到工件距离并且在创建该3D工件零件的当前层时实时地用于补偿与该当前层的希望沉积水平的沉积水平偏差。在一个实施例中，该瞬时接触尖端到工件距离可以进一步基于输出电压、电极类型、电极直径、所用的保护气体、或所用的沉积工艺中的一项或多项。该运行期平均接触尖端到工件距离可以是这些瞬时接触尖端到工件距离的简单运行期数学平均值或加权平均值中的一者。在一个实施例中，该电源被配置成用于：至少部分地通过将该运行期平均接触尖端到工件距离与设定点接触尖端到工件距离进行比较来生成该校正因子。该电源和/或系统控制器还可以被配置成用于：在该当前层的创建过程中，响应于该校正因子来实时地调节该系统的行进速度、持续时间、或送丝速度中的一项或多项。响应于该校正因子来调节行进速度可以包括考虑预设行进速度。响应于该校正因子来调节沉积工艺持续时间可以包括考虑预设工艺持续时间。响应于该校正因子来调节送丝速度可以包括考虑预设送丝速度。在一个实施例中，该校正因子进一步是基于与该3D工件零件相对应的一个或多个3D模型参数、或由机器人控制器针对该当前层的当前沉积操作所提供的机器人参数。所述3D模型参数和机器人参数可以包括当前层的指定高度或沉积工具针对当前层的指定位置中的一项或多项。在一个实施例中，该沉积系统包括机器人，该机器人具有被配置成用于与该电源操作性通信的机器人控制器。在一个实施例中，该沉积系统包括操作性连接至该机器人的沉积工具。在一个实施例中，该系统包括操作性连接至该工具和该电源上的送丝器。
在一个实施例中，提供了一种具有沉积电源的材料沉积系统。该沉积电源被配置成用于在材料沉积增材制造工艺过程中在创建3D工件零件的当前层时实时采样瞬时参数对。这些瞬时参数对中的每个瞬时参数对可以包括以下各项中的任意两项：输出电流、输出电压、电路阻抗、功率输出、以及送丝速度。该电源还被配置成用于：在该当前层的创建过程中采样这些瞬时参数对中的每个参数对时，针对并且至少基于每个参数对来实时地确定瞬时接触尖端到工件距离。该电源进一步被配置成用于：在该当前层的创建过程中确定每个瞬时接触尖端到工件距离时，基于每个瞬时接触尖端到工件距离来实时地确定运行期平均接触尖端到工件距离。该电源还被配置成用于：基于跨整个当前层所确定的每个瞬时接触尖端到工件距离来确定总的平均接触尖端到工件距离。该电源进一步被配置成用于：在该当前层的创建过程中，响应于该运行期平均接触尖端到工件距离来实时地调节该系统的工艺持续时间、行进速度、或送丝速度中的一项或多项。该电源还被配置成用于：至少基于该总的平均接触尖端到工件距离来生成将在创建该3D工件零件的下一层时使用的校正因子。根据一个实施例，该电源包括控制器，该控制器被配置成用于：确定该瞬时接触尖端到工件距离，确定该运行期平均接触尖端到工件距离，确定该总的平均接触尖端到工件距离，在该当前层的创建过程中调节工艺持续时间、行进速度、或送丝速度中的一项或多项，并且生成将在创建该下一层时使用的校正因子。在其他示例性实施例中，该沉积系统使用系统控制器，该系统控制器可以在该沉积电源的外部但联接至该沉积电源上、但控制该电源的至少某一部分操作。在一个实施例中，该瞬时接触尖端到工件距离进一步是基于输出电压、电极类型、电极直径、所用的保护气体、或所用的沉积工艺中的一项或多项。在一个实施例中，响应于该运行期平均接触尖端到工件距离来调节行进速度包括考虑预设行进速度。响应于该运行期平均接触尖端到工件距离来调节工艺持续时间包括考虑预设工艺持续时间。响应于该运行期平均接触尖端到工件距离来调节送丝速度包括考虑预设送丝速度。在一个实施例中，该校正因子进一步是基于与该3D工件零件相对应的3D模型参数、或由机器人控制器针对下一层的下一工艺操作所提供的机器人参数中的一项或多项。所述3D模型参数和机器人参数可以包括下一层的指定高度或沉积工具针对该下一层的指定位置中的一项或多项。该总的平均接触尖端到工件距离是以下各项中的一项：跨整个当前层所确定的瞬时接触尖端到工件距离的简单数学平均值、跨整个当前层所确定的瞬时接触尖端到工件距离的加权平均值、或跨整个当前层所确定的瞬时接触尖端到工件距离的运行期平均值。在一个实施例中，该系统包括：机器人，该机器人具有被配置成用于与该电源操作性通信的机器人控制器；操作性连接至该机器人的沉积工具；以及操作性连接至该工具和该电源上的送丝器。
将从以下说明和附图中更充分地理解本发明的所展示实施例的细节。
附图说明
图1展示了机器人室单元的示例性实施例的图解；
图2展示了图1的机器人室单元的电源的示例性实施例的示意性框图，该电源操作性连接至可消耗型电极和工件零件上；
图3展示了图1的机器人室单元的枪的一部分的示例性实施例的图解，该部分提供了在增材制造工艺过程中与工件零件相互作用的丝电极；
图4A和4B展示了在存在和不存在电弧时接触尖端到工件距离(CTWD)的概念；
图5展示了具有两条曲线的二维曲线图的示例性实施例，该二维曲线图中示出了在使用特定类型的焊接气体以给定送丝速度进行弧焊工艺时两条不同的焊丝(为相同类型但具有两种不同的大小)的CTWD与焊接输出电流(安培数)之间的关系；
图6展示了三维曲线图的示例性实施例，该三维曲线图中示出了在提供特定类型的焊接气体进行弧焊工艺时具有特定类型和大小的CTWD、焊接输出电流(安培数)、和送丝速度之间的关系；
图7展示了图2的电源的控制器的一部分的示例性实施例，该部分被配置成用于确定实际的瞬时CTWD；
图8展示了图2的电源的控制器的一部分的示例性实施例，该部分被配置成用于根据这些瞬时CTWD来确定随时间推移的平均CTWD并且计算校正因子；
图9展示了在增材制造工艺过程中一层接一层地校正增材制造高度误差的方法的实施例的流程图；
图10展示了采用了图9的方法的增材制造工艺的实例；
图11展示了图2的电源的控制器的一部分的示例性实施例，该部分用于补偿当前层的与希望沉积水平的沉积水平偏差；
图12展示了本发明的接触型沉积工艺的示例性实施例。
具体实施方式
下面是对可以在本披露中使用的示例性术语的定义。所有术语的单数形式和复数形式均落入各自的含义内：
本文使用的“软件”或“计算机程序”包括但不限于一个或多个计算机可读和/或可执行指令，所述指令致使计算机或其他电子装置以希望的方式执行功能、动作和/或行为。这些指令可以实施为各种形式，比如例程、算法、模块或程序，包括来自动态链接库的单独应用程序或代码。软件还可以实现为各种形式，比如独立程序、函数调用、小服务程序(servlet)、小应用程序(applet)、应用程序、储存在存储器、操作系统的一部分中的指令、或其他类型的可执行指令。本领域普通技术人员将了解的是，软件的形式取决于例如所希望应用的要求、其运行环境、和/或设计师/程序员的期望等等。
本文使用的“计算机”或“处理元件”或“计算机装置”包括但不限于可以存储、检索和处理数据的任何被编程的或可编程的电子装置。“非瞬时计算机可读介质”包括但不限于CD-ROM、可移除的闪存卡、硬盘驱动器、磁带、以及软盘。
如本文使用的“沉积工具”是指但不限于枪、炬、或接受消耗品的任何装置，该消耗品是例如在焊接、热丝、包层或出于向消耗品施加由电源提供的电力的目的的其他材料沉积工艺中使用的线材、板材等等。
如本文使用的“沉积输出电路路径”是指如下电气路径：所述电气路径从沉积电源的输出的第一侧、经第一线缆(或线缆的第一侧)、到电极、到工件(通过电极与工件之间的短路、电弧、或直接持续接触)、经第二线缆(或线缆的第二侧)并且回到该沉积电源的输出的第二侧。
如本文使用的“线缆”是指以下电气线缆，该电气线缆可以连接在沉积电源与电极和工件之间(例如，经过送丝器)，以提供电力使电流从电极传递到工件，无论是通过电极与工件之间的电弧、短路还是持续的直接接触。
如本文使用的“沉积输出”可以是指电气输出电路、或沉积电源的输出端口或端子，或者是指由电气输出电路、或沉积电源的输出端口提供的电功率、电压或电流。
如本文使用的“计算机存储器”是指被配置成用于存储可以被计算机或处理元件检索的数字数据或信息的存储设备。
如本文使用的“控制器”是指在控制沉积电源、材料沉积系统或机器人时所涉及的逻辑电路和/或处理元件以及相关联的软件或程序，并且与已知的控制器的构造一致，例如包括处理器等。
术语“信号”、“数据”和“信息”在此可以可互换地使用并且可以处于数字形式或模拟形式。
术语“工艺参数”在此是广义地使用的并且可以指代输出电流波形的一部分的特征(例如，振幅、脉冲宽度或持续时间、斜率、电极极性)、材料沉积工艺(例如，短弧焊接工艺、热丝工艺、包层工艺、脉冲焊接工艺等)、送丝速度、调制频率、或者焊接行进速度。
参照图1，机器人室单元10总体上包括框架12、被布置在该框架内的机器人14、以及同样被布置在该框架内的工作台16。机器人室单元10可用于通过增材制造工艺来在衬底上建造工件零件22，如在下文中更详细地描述的。应注意的是，虽然图1和这里讨论的一些其他附图参考和/或示出了“焊接”系统，但是本发明的实施例不限于此。即，本发明的实施例可以用于其他类型的材料沉积工艺中，包括热丝工艺和包层工艺。由于这些系统之间的总体系统相似性，不需要将它们单独示出，并且本文讨论的附图以及下面的讨论可以同样地适用于任何和所有这些类型的材料沉积工艺。例如，热丝室单元或包层室单元中的任一者在构造和操作上与图1所示的系统相似。因此，本文关于或参考“焊接”室或系统的讨论包含了其他沉积工艺并且对其是示例性的。相应地，为了效率和简洁，将不关于这些其他类型的材料沉积工艺来重复类似的讨论和描述，因为本领域普通技术人员将容易理解本文讨论适用于这些其他材料沉积工艺。
在所描绘的实施例中，框架12包括多个侧壁和门以包围机器人14和工作台16。虽然在平面图中示出了基本上矩形的构型，但是框架12和单元10可以采取多种构型。
前通道门26安装至框架12上以便通到该框架内部。类似地，后通道门28也安装在框架12上。在任一门上(仅在前门26上描绘)可以提供多个窗口32。这些窗口可以包括本领域已知的有色安全屏(screen)。
在框架12上与前门26相邻地提供了控制面板40。控制面板40上所提供的控制旋钮和/或开关与同样安装至框架12上的控件包壳42中容纳的控件进行通信。可以按与用于已知室单元的控件相似的方式来使用控制面板40上的控件，以控制在单元10中执行的操作。
根据实施例，机器人14安装在基座上，该基座安装在支撑件(未示出)上。在所描绘的实施例中所使用的机器人14可以是从发那科机器人美国有限公司(FANUC RoboticsAmerica,Inc.)可获得的ARC100/Be机器人。也可以使用其他类似的机器人。在所描绘的实施例中机器人14是相对于工作台16定位的并且包括十一条移动轴线。如果希望的话，该基座(未示出)可以类似于转动架地相对于该支撑件(未示出)进行旋转。相应地，有些驱动机构(例如，马达和传动装置(未示出))可以被容纳在基座中和/或支撑件中以用于使机器人14旋转。
枪60附接至机器人臂14的远端上。枪60可以类似于本领域已知的焊枪(并且还可以是用于如本文讨论的其他工艺的材料沉积枪)。柔性管或导管62附接至枪60。可以储存在容器66中的可消耗型电极丝64穿过导管62被递送至枪60。送丝器68(例如可以是从林肯电气公司(The Lincoln Electric Company)可获得的PF 10R-ll送丝器)附接至框架12以利于将丝64递送至枪60。
虽然机器人14被示出为安装至框架12的底座或下部分，但是如果希望的话，机器人14可以按与美国专利号6,772,932所披露的机器人相似的方式来安装。即，该机器人可以安装至该框架的上部结构上并且向下延伸进入室单元10中。
返回参见图1所描绘的实施例，为了进行沉积操作的电源72安装至并搁置在平台74上，该平台连接至框架12上并且可以是该框架的一部分。所描绘实施例中的电源72是从林肯电气公司可获得的PW 455M(非STT)；然而，其他合适的电源可以用于该操作。控制着机器人14的机器人控制器76也搁置并安装在平台74上。该机器人控制器典型地伴随着机器人14。取决于所使用的材料沉积工艺，电源72可以是如本文所提及的焊接、热丝、包层或其他材料沉积电源中的任何一种。
机器人室单元10还可以包括保护气体供应源(未示出)。在操作过程中，送丝器68、枪60、保护气体供应源、和电源72操作性相连接，以允许在可消耗型丝与工件零件22之间创建电弧从而创建沉积层，如本领域熟知的。当然，在其他实施例中，可以不使用电弧，例如在热丝工艺中。根据实施例，在气体保护金属极电弧焊(GMAW)工艺期间可以使用保护气体来保护焊接区免受大气气体(例如，氧气或氮气)的影响。这样的大气气体可能导致各种焊接金属缺陷，例如熔合(fusion)缺陷、脆化和多孔性。
所使用的保护气体的类型或保护气体的组合取决于被焊接的材料和焊接工艺。要提供的保护气体的流速取决于保护气体的类型、行进速度、焊接电流、焊缝几何形状、以及焊接工艺的金属过渡模式。惰性保护气体包括氩气和氦气。然而，可能存在希望使用其他保护气体或气体组合(比如二氧化碳(CO2)和氧气)的情形。根据实施例，保护气体可以在电弧焊接工艺期间被给送至焊接工具，以使焊接工具在焊接工艺期间将保护气体分配到焊接区。
可消耗型丝或电极的选择取决于进行增材制造的工件零件的组成、沉积工艺、层的构型、以及工件零件衬底的表面条件。可消耗型丝的选择可以显著影响所得层的机械特性并且可以是层品质的主要决定因素。可能希望所得金属层具有类似于基础衬底材料的机械特性、而没有例如不连续性、污染物、或多孔性的缺陷。
现有的可消耗型丝电极通常含有相对小百分比的脱氧金属，例如硅、锰、钛、和铝，以帮助防止氧孔隙。一些电极可以含有如钛和锆等金属以避免氮孔隙。取决于工艺以及在其上进行沉积的基础衬底材料，在气体保护金属极电弧焊(GMAW)中使用的电极的直径典型地在0.028至0.095英寸范围内、但是可以大到0.16英寸。最小的电极(总体上直径最高达0.045英寸)可以是与短路金属过渡工艺相关联的，而用于喷射过渡工艺的电极的直径可以是至少0.035英寸。当然，其他沉积工艺，例如热丝、包层等，可以使用具有不同组成、大小和形状的消耗品，并且本发明的实施例不限于此。例如，热丝消耗品可能具有通常不能通过电弧被直接过渡的组分，例如碳化钨等。
应注意的是，虽然未示出，但系统10还可包括其他系统/部件，例如激光器等。众所周知，激光器可以用于热丝、焊接和/或包层操作中，并且因此系统10可以包括激光器。因为使用激光器进行沉积工艺的系统和工艺，所以不需要在此详细描述这些系统。
图2展示了图1的机器人室单元10的电源72的示例性实施例的示意性框图，该电源操作性连接至可消耗型电极64和工件零件22上。如上所述，电源72可以是焊接电源(如以下示例性描述中所述)、或者可以是热丝、包层或其他类型的材料沉积电源。如普遍理解和已知的，用于这些其他类型的材料工艺的这些电源具有与关于图2所示出和描述的相似的结构和操作。相应地，以下讨论同样适用于不使用焊接工艺的实施例。电源72包括开关电源供应器105，该开关电源供应器具有功率转换电路110和桥接开关电路180，该桥接开关电路提供电极64与工件零件22之间的输出功率。功率转换电路110可以是基于半桥输出拓扑结构的变压器。例如，功率转换电路110可以是逆变器类型，该类型包括例如由输出变压器的主侧和次侧对应地描绘的输入功率侧和输出功率侧。也可能有其他类型的功率转换电路，例如具有DC输出拓扑结构的斩波器类型。电源105还包括桥接开关电路180，该桥接开关电路操作性连接至功率转换电路110并且被配置成用于切换(例如，用于AC焊接的)输出电流的极性的方向。
电源72进一步包括波形发生器120和控制器130。波形发生器120根据控制器130的命令生成输出波形。由波形发生器120所生成的波形对功率转换电路110的输出进行调制，以在电极64与工件零件22之间产生输出电流。控制器130还命令桥接开关电路180的切换并且可以为功率转换电路110提供控制命令。
电源72进一步包括电压反馈电路140和电流反馈电路150，以监测电极64与工件零件22之间的输出电压和电流(和/或当在没有电弧的情况下沉积时，流经电极/工件的电压和电流)并且将所监测到的电压和电流提供回到控制器130。控制器130可以用反馈电压和电流来作出关于更改由波形发生器120生成的输出波形的决定和/或作出例如影响电源72的操作的其他决定。根据实施例，在沉积工艺过程中使用控制器130来确定CTWD并且使用该CTWD来调节持续时间(WTD)和/或送丝速度(WFS)，如在下文中更详细地讨论的。此外，虽然在一些实施例中控制器130可以定位在电源72内，但是控制器130可以与电源72分离但是耦合到电源72(例如耦合到电源72内的另一个控制器)。如本文描述的，控制器130的操作将是类似的，但是实施例不限于使控制器130在电源内。
根据实施例，开关电源供应器105、波形发生器120、控制器130、电压反馈电路140以及电流反馈电路150构成电源72。机器人室单元10还包括送丝器68，该送丝器将可消耗型丝电极64通过沉积枪(例如，热丝、包层或焊接工具)60以选定的送丝速度(WFS)朝向工件零件22给送。送丝器68、可消耗型电极64以及工件零件22不是电源72的一部分而是可以经由一个或多个输出线缆操作性连接到电源72上。同样，在一些实施例中，控制器130可以与电源72分离、但是与电源72通信。
图3展示了图1的机器人室单元10的焊接/沉积枪60的一部分的示例性实施例的图解，该部分提供了在增材制造工艺过程中与工件零件22相互作用的电极64。枪60可以具有绝缘导体管61、电极导管63、气体扩散器65、接触尖端67、以及给送穿过枪60的丝电极64。控制开关或触发器(未示出)在被机器人14激活时启动了丝给送、电功率、和保护气体流动(如果需要的话)，从而致使在电极64与工件零件22之间产生电弧(在电弧焊接或电弧沉积工艺中)。接触尖端67是导电的并且通过线缆连接至电源72上并且在引导电极64朝向工件零件22的同时传输电能给电极64。接触尖端67是固定的并且其大小确定成在维持电气接触的同时允许电极64穿过。当然，类似的构型可以用于非电弧沉积工艺中，在该工艺中不使用电弧。
送丝器68将电极64供应至工件零件22，从而驱使电极64穿过导管62直到接触尖端67。丝电极64可以以恒定的给送速率被给送，或可以基于电弧长度和焊接电压来改变给送速率。一些送丝器可以达到高达1200in/min的给送速率，但是半自动GMAW的给送速率典型地在从75到400in/min的范围内。
在到达接触尖端67的途中，丝电极64被电极导管63保护并引导，这有助于防止扭结并且维持丝电极64的不间断给送。气体扩散器65将保护气体均匀地引导至焊接区中。来自该一个或多个保护气体罐的气体软管将气体供应至气体扩散器65(如果需要的话)。
参照图3，所示的枪的构造对于包层和/或热丝沉积工艺是类似的。然而，当然，在非电弧沉积工艺(例如，热丝)中，消耗品64与工件上的熔池直接接触而不是如图所描绘的(在熔池上方)。由于热丝沉积是众所周知的，因此不需要在此进行详细描述。
图4A和4B展示了在存在和不存在电弧时接触尖端到工件距离(CTWD)的概念。在图4A中，CTWD被示出为在电极64与工件零件22之间没有建立电弧的情况下接触尖端67的一端与工件零件22的顶层之间的距离。该CTWD可以用于非电弧材料沉积系统中，例如热丝和其他非电弧沉积工艺中。在图4B中，CTWD被示出为在电极64与工件零件22之间建立了电弧的情况下接触尖端67的一端与工件零件22的顶层之间的距离。同样，在沉积工艺过程中保持恒定的希望的接触尖端到工件距离(CTWD)是重要的。总体上，随着CTWD增加，工艺电流减小。CTWD太长可能导致电极太热并且还可能浪费保护气体(在焊接工艺中)。此外，针对不同的沉积工艺，希望的CTWD可以不同。
根据实施例，工件零件22是按照机器人控制器76的命令随着时间一层接一层构建的。机器人控制器76包括读取将使用增材(一层接一层)制造工艺来创建的工件零件22的3D模型的软件。机器人控制器76以编程方式将该3D模型分为多个层并且为这些单独的层中的每一个层规划沉积路径来进行零件22的构建。针对每个层确定期望的沉积，从而针对每个沉积层得到期望的高度。然而，随着实际的一层接一层构建的进行，任何给定层的实际所得高度由于多个因素，例如像工件零件衬底的表面条件和对某些参数的控制可以达到的准确度，而可能偏离期望的或希望的高度。因此，根据实施例，在沉积工艺过程中针对每层来监测CTWD并且用其来补偿高度尺寸的误差，如在下文中详细描述的。
图5展示了具有两条曲线510和520的二维曲线图500的示例性实施例，该二维曲线图中示出了在使用特定类型的焊接气体进行弧焊工艺时两条不同的可消耗型丝(为相同类型并且以相同的固定速率给送、但是具有两个不同的直径)的CTWD与输出电流(安培数)之间的关系。当然，这些曲线图可以类似地针对本文所述的其他不同类型的工艺、包括包层工艺、热丝工艺等而生成，其中针对各种其他参数/关系、而不仅仅针对两个不同的直径来生成曲线图。这些曲线图仅仅是示例性的。根据实施例，控制器130可以基于输出电流(安培数)、电极类型、电极直径、送丝速度(WFS)、使用的保护气体(如果使用的话)、以及使用的沉积工艺(例如，热丝、包层、GMAW、GTAW等)来实时确定沉积工艺过程中的实际瞬时CTWD。当CTWD在沉积工艺过程中实时改变时，输出电流(安培数)将实时地反应出该变化，如由适当的曲线(例如，510或520)所定义的。当实际CTWD在沉积工艺过程中实时改变时，控制器130通过接收从电流反馈电路150反馈来的输出电流值、以及已经知晓的所选的丝电极类型/直径、保护气体混合物、和送丝速度来确定实际CTWD。当然，在其他示例性实施例中，曲线图/比较可以使用其他参数而不是电流。例如，在其他示例性实施例中，可以将CTWD关系与输出电流、输出功率和/或输出电路阻抗进行比较。可以将这种比较类似于图5中所示进行绘制。即，在一些沉积工艺中，使用不同的参数反馈而不是电流(安培数)可能更有利。例如，在热丝工艺中，使用输出功率和/或输出电路阻抗可能更有利，因为这些参数在相应工艺过程中敏感。因此，示例性实施例不限于使用电流强度对比CTWD，而是还可以使用功率对比CTWD、电压对比CTWD、和/或阻抗对比CTWD。同样，可以将这些曲线图/曲线类似于图5中所示进行构造。
根据实施例，曲线510对应于以下丝电极：其具有的直径为0.045英寸并且为低碳钢、铜涂覆类型，用在提供90％的氩保护气体与10％二氧化碳保护气体的混合物的焊接工艺中。此外，根据实施例，曲线520对应于以下丝电极：其具有的直径为0.052英寸并且为同一低碳钢、铜涂覆类型，用在提供90％的氩保护气体与10％二氧化碳保护气体的同一混合物的焊接工艺中。如从图5中可以看到，当同一类型的焊丝的直径变成增大的直径时，代表CTWD与安培数的关系的曲线从曲线图500的原点向外移动。
根据多个不同的实施例，针对电极类型、电极直径、送丝速度、所用保护气体(用于电弧型工艺)和沉积工艺的某种组合，可以通过实验或通过基于理论的分析来确定CTWD与安培数(和/或CTWD与电压、功率或阻抗)之间的关系。一旦确定这样的关系，该关系就可以表达出或存储在控制器130中，例如作为查找表(LUT)或作为数学传递函数或算法。
根据替代性实施例，可以在沉积工艺过程中(例如，基于电弧长度和输出电压)改变送丝速度(WFS)，并且因此LUT或数学传递函数可以反映出改变送丝速度对CTWD的影响。例如，图6展示了三维曲线图600的示例性实施例，该三维曲线图中示出了在提供特定类型的气体进行弧焊工艺时具有特定类型和大小的可消耗型丝的CTWD、输出电流(安培数)、和送丝速度(WFS)之间的关系。曲线图600上的曲线610形成了表面。根据实施例，控制器130可以基于输出电流(安培数)、送丝速度、电极类型、电极直径、使用的保护气体(如果使用的话)、以及工艺类型来实时确定沉积工艺过程中的实际瞬时CTWD。同样，像图5那样，还可以生成/创建图6的三维曲线图，用于将CTWD与电压、功率和电路阻抗进行比较。即，如同图5那样，通过使用CTWD与电流、电压、功率和电路阻抗中任一项或其组合的比较，可以优化在不同工艺(例如热丝、包层、GTAW等)中维持CTWD。因此，如图6所示对电流的描绘同样是示例性的，并且其他实施例可以使用与本文所讨论的类似的其他工艺参数，而不脱离本发明的精神或范围。
因此，在示例性实施例中，当实际CTWD在沉积工艺过程中实时改变时，成对的输出电流(安培数)和WFS(参数对)将实时地反映出该变化，如由曲线图600的表面曲线610所定义的。同样，在其他实施例中，电源电压或电路阻抗可以是与WFS成对的一部分。此外，当实际CTWD在沉积工艺过程中实时改变时，控制器130通过接收从电流反馈电路150反馈来的输出电流(安培数)值以及从送丝器68反馈来的WFS值、以及已经知晓的所选的丝电极类型/直径和保护气体混合物来确定实际CTWD。图6示出了与由曲线图600的表面曲线610所确定的实际CTWD值612相对应的安培数/WFS参数对611的实例。对电极类型、电极直径、所用保护气体、工艺类型等的其他组合而言，其他表面的曲线将限定CTWD、WFS、和安培数(或电压、功率或阻抗)的关系。根据替代性实施例，取决于工艺，考虑从电压反馈电路140反馈给控制器130的输出电压可以提供更准确地确定实际瞬时CTWD。进一步，在其他示例性实施例中，系统/控制器130可以使用反馈电路150和140中的至少一者或两者来确定功率和/或输出电路阻抗，然后将其在类似于图5和/或6所示的曲线图中使用。由于在诸如本文描述的系统中确定输出功率和电路阻抗是众所周知的，因此在此不需要对其进行详细描述。同样，取决于所使用的沉积工艺，由于系统敏感度或CTWD对所确定的参数的敏感度，可能更有利的是使用电流、电压、功率和电路阻抗中的任一个或与CTWD的组合。
根据多个不同的实施例，对于电极类型、电极直径、所用保护气体、和工艺类型工艺类型的某种组合，可以通过实验或通过基于理论的分析来确定CTWD、WFS和安培数、电压、功率或电路阻抗之间的关系。一旦确定这样的关系，该关系就可以表达出或存储在控制器130中，例如作为查找表(LUT)或作为在软件中表达的数学传递函数。
图7展示了图2的电源72的控制器130的一部分700的示例性实施例，该部分被配置成用于确定实际瞬时CTWD。如图7的实施例所示，使用LUT 710来实现输入内容711(WFS、丝类型、丝大小、安培数、电压、保护气体、以及工艺类型)与输出内容712(实际CTWD)之间的关系。LUT 710可以是在例如作为EEPROM的固件中实施的。在一些实施例中，不得使用输出电压、工艺类型或保护气体这些输入。针对输入内容711的任何特定组合，实时地产生代表实际瞬时CTWD的输出内容712。当然，可以使用其他输入内容711来实现所希望的性能，而不脱离本发明的精神或范围。同样，控制器130可以在电源72的内部，但也可以位于用于控制系统的操作的单独的控制器/计算机中。如本文所讨论的，另外的输入内容711可以包括输出功率和电路阻抗，其可以从反馈电路或其他源提供。然而，在其他实施例中，可以在LUT中通过至少使用电压值和电流值来确定功率和/或阻抗。
图8展示了图2的电源72的控制器130的一部分800的示例性实施例，该部分被配置成用于基于来自LUT 710的这些CTWD 712来随时间推移而确定平均CTWD 812、并且计算校正因子。该校正因子可以采取工艺持续时间822、送丝速度(WFS)824、或这两者的形式。图8还示出了通信地接口连接至电源72的控制器130的部分800上的机器人控制器76。可选地或替代性地，该校正因子可以采取沉积枪的行进速度的形式。
根据实施例，在执行当前沉积操作来在工件零件22上的当前位置处创建当前层时，在当前沉积操作过程中确定多个瞬时CTWD 712，并且根据针对当前层的这多个瞬时CTWD 712通过求平均模块810来计算出平均CTWD 812。由校正因子模块820基于平均CTWD812并且进一步基于与下一个沉积操作相对应的3D模型/机器人参数计算出用于下一个沉积操作的校正因子(例如，持续时间822、WFS 824、或这两者)，这些参数是由控制器130从机器人控制器76接收的。该校正因子被电源72用来在下一个沉积操作过程中在下一个工件零件位置处(例如，与下一层相对应的下一个高度位置)生成下一层。
根据实施例，平均CTWD可以是这些瞬时CTWD的简单数学平均值。在另一个实施例中，平均CTWD可以是加权平均值。例如，可以对后面的瞬时CTWD(例如，可以是十个中的最后四个)给予更大的权重。根据又一个实施例，平均CTWD可以是运行期平均值，其中瞬时CTWD的样本总数可以一层一层地改变。也有可能存在针对不同的增材制造应用表现好的其他用于确定平均CTWD的方式。因此，在此广义地使用术语“平均CTWD”。
根据实施例，这些3D模型/机器人参数可以包括下一层的指定高度和枪60的指定位置中的一项或多项。通过知晓下一层的3D模型/机器人参数以及来自当前层的平均CTWD，可以针对下一个操作来增大或减小持续时间和/或WFS来生成下一层。根据多个不同的实施例，求平均模块810和校正因子模块820可以被实施为控制器130中的软件和/或硬件。例如，设想了作为在处理器上运行的软件、或作为固件(例如，编程的EEPROM)的实施形式。其他所实施的实施例也是可能的(例如，数字信号处理器)。
例如，在当前层的平均CTWD 812比基于3D模型/机器人参数所预期的更长时，这可能表明所得到的当前层的高度太短(例如，没有足够的材料沉积到达这一层的指定高度)。因此，可以增加用于下一操作的持续时间和/或WFS来为下一层沉积更多材料以补偿当前层的短高度。
类似地，在当前层的平均CTWD短于预期时，这可能表明所得的当前层太高(例如，沉积了太多的材料，超过该层的指定高度)。因此，可以减小用于下一个操作的持续时间和/或WFS以便对下一层沉积更少的材料来补偿当前层。以此方式，通过允许下一层补偿当前层，就可以将在生成所有层之后该工件零件在特定位置处的所得总高度的任何误差最小化。根据替代性实施例，可以针对下一层来调节(增大或减小)枪的行进速度以帮助补偿当前层。
根据多个不同的实施例，下一层的持续时间(和/或送丝速度)与平均CTWD之间的关系可以通过实验或通过基于理论的分析来确定。总体上，CTWD的确定在针对CTWD的给定改变产生了较大安培数改变的区域中更精确(例如，参见图5)。
图9展示了在例如机器人增材制造工艺过程中一层接一层地校正增材制造高度误差的方法900的实施例的流程图。应注意的是，虽然图9可以参考焊接工艺，但是类似的过程/方法可以用于其他工艺，例如包层、热丝等。因此，关于该图对“焊接”的任何提及都旨在是示例性的而非限制性的。现在转向图9，在步骤910中，在增材制造工艺过程中为了创建当前层，对输出电流(和/或电压、功率、以及电路阻抗)和送丝速度中的一项或两项进行采样。在步骤920中，基于输出电流(和/或电压、功率、以及阻抗)和送丝速度、以及丝类型、丝大小、沉积工艺类型以及可选地在增材制造工艺过程中所使用的气体类型中的一项或两项，来确定多个瞬时接触尖端到工件距离。在步骤930中，基于在增材制造工艺过程中针对当前层所确定的该多个瞬时CTWD来确定平均CTWD。在步骤940中，基于该平均CTWD以及来自用于控制该机器人增材制造/沉积工艺的机器人控制器的一个或多个参数来生成将在产生下一层时使用的校正因子。
图10展示了采用了图9的方法900的增材制造工艺的实例，其中该工艺是基于电弧的工艺。在图10的工艺中，每层材料沿着z方向在工件衬底上的指定位置处的高度被指定为50密尔，其中密耳是千分之一英寸。在指定位置处沉积每个层的过程中，在每层的持续时间期间如在此所描述地确定瞬时CTWD的大约十个(10)样本。此外，根据瞬时CTWD的这十个(10)样本确定平均CTWD。根据实施例，用于一个层的校正因子可以在跨该层上的指定位置改变时发生改变或变化。
在图10的实例中，确定层N的平均CTWD长于预期并且层N的高度最终为40密耳而不是希望的50密耳。因此，通过使用在此所描述的工艺，至少基于层N的平均CTWD来确定下一层N+1的校正因子，其中持续时间和送丝速度各自被增大了所确定的量来补偿层N的高度不足。因此，层N+1的高度最终为60密耳，从而使得从层N的底部到层N+1的顶部的总高度为100密耳，如所希望的。该工艺可以针对所有层在指定位置处以类似的方式进行，从而使得该指定位置处的高度具有最小化的可接受的误差。并且，根据实施例，除了持续时间和送丝速度之外(或作为其替代方案)，可以调节行进速度来补偿当前层。即，可以调节下一层的持续时间、送丝速度、或行进速度中的任一项或多项来补偿当前层。
作为替代方案，可以针对当前层实时地生成校正因子。例如，可以在当前层的沉积工艺过程中计算出瞬时CTWD的运行期平均值。在监测该运行期平均值时，可以基于运行期平均CTWD针对当前层实时地调节持续时间、行进速度、电源输出、和/或送丝速度。
图11展示了图2的电源72(或系统10)的控制器130的一部分1100的示例性实施例，该部分用于补偿与当前层的所希望沉积水平(希望高度)的沉积水平(高度)偏差。如图11所示，控制器130的部分1100被配置成用于针对当前层生成经调节的行进速度、经调节的持续时间、经调节的送丝速度(WFS)、以及经调节的电源输出。根据一个实施例，电源72的控制器130将经调节的行进速度传递至机器人控制器76，使得机器人控制器76可以驱动机器人14从而以经调节的行进速度来移动枪60。类似地，电源72的控制器130将经调节的WFS传递至送丝器68，使得送丝器68可以以经调节的WFS来驱动电极(丝)。
再次参见图11，在当前层的沉积过程中生成运行期平均(RA)CTWD时，通过比较器1110将运行期平均CTWD与CTWD设定点进行比较。该CTWD设定点是表示希望的CTWD的数值。比较器1110的输出是校正因子。根据一个实施例，该校正因子可以是运行期平均CTWD与该CTWD设定点之差。根据另一个实施例，比较器1110可以被替换为更复杂的、提供了输出内容(校正因子)与输入内容(RA CTWD和CTWD设定点)之间的关系的LUT(或由处理器执行的函数/算法)。
根据一个实施例，该校正因子是三个(3)LUT(或由处理器执行的函数/算法)1120、1130、和1140的输入内容。而且，预设行进速度被输入到第一LUT 1120，预设持续时间被输入到第二LUT 1130，并且预设工作点被输入到第三LUT 1140。根据一个实施例，预设工作点包括送丝速度(WFS)和多个波形参数。这些波形参数可以包括例如峰值电压、峰值电流、功率、脉冲持续时间、背景振幅、或频率中的一项或多项。根据一个实施例，这些波形参数被配置成用于在WFS下起作用。
第一LUT 1120的输出内容是经调节的行进速度，并且第二LUT 1130的输出内容是经调节的持续时间。第三LUT 1140的输出内容是经调节的WFS和经调节的电源输出。经调节的电源输出可以包括例如输出电压或输出电流中的一项或多项。这些经调节的参数在沉积当前层时在多个位置中的每个位置处补偿与当前层的希望沉积水平(所希望的高度)的沉积水平(高度)偏差。LUT(或由处理器执行的函数/算法)的输入内容与输出内容之间的关系是通过实验或通过基于理论的分析来确定的。在当前层上的每个位置处实时地执行补偿。
以此方式，可以针对当前层实时地实现精细的沉积校正。
根据另一个实施例，可以实施这两种途径(即，针对当前层进行实时校正、以及基于当前层对下一层进行校正)的组合。这样的组合式途径可以产生有助于使这些层的高度保持彼此更加一致的粗略校正与精细校正的组合。例如，在一个实施例中，在当前层实时校正的途径可以提供对当前层上的许多不同位置处的精细校正，并且在下一层上校正的途径可以提供对下一层的单一粗略校正。然而，一旦下一层成为当前层，就可以再次应用精细校正。
例如，在一个实施例中，提供了具有电源72的系统。电源72和/或控制器130被配置成用于在机器人增材制造工艺过程中在创建3D工件零件的当前层时实时采样瞬时参数对。这些瞬时参数对中的每个瞬时参数对包括输出电流、电压、功率或阻抗、以及送丝速度。电源72还被配置成用于：在该当前层的创建过程中采样这些瞬时参数对中的每个参数对时，针对并且至少基于每个参数对来实时地确定瞬时接触尖端到工件距离。
电源72和/或控制器130进一步被配置成用于：在该当前层的创建过程中确定每个瞬时接触尖端到工件距离时，基于每个瞬时接触尖端到工件距离来实时地确定运行期平均接触尖端到工件距离。电源72还被配置成用于：基于跨整个当前层所确定的每个瞬时接触尖端到工件距离来确定总的平均接触尖端到工件距离。总的平均接触尖端到工件距离可以是：跨整个当前层所确定的瞬时接触尖端到工件距离的简单数学平均值、或跨整个当前层所确定的瞬时接触尖端到工件距离的加权平均值。
电源72和/或控制器130进一步被配置成用于：在当前层的创建过程中，响应于运行期平均接触尖端到工件距离来实时地调节该系统的持续时间、行进速度、或送丝速度。电源和/或控制器130还被配置成用于：至少基于该总的平均接触尖端到工件距离来生成将在创建该3D工件零件的下一层时使用的校正因子。
根据一个实施例，该电源包括控制器130，该控制器被配置成用于：确定该瞬时接触尖端到工件距离，确定该运行期平均接触尖端到工件距离，并且确定该总的平均接触尖端到工件距离。控制器130还被配置成用于：在该当前层的创建过程中调节持续时间、行进速度、或送丝速度中的一项或多项，并且生成将在创建该下一层时使用的校正因子。在一个实施例中，该瞬时接触尖端到工件距离进一步是基于输出电压、电极类型、电极直径、所用的保护气体、所用的沉积工艺类型、输出功率、以及输出电路阻抗中的一项或多项。同样，在其他实施例中，控制器130可以在电源72外部。
在一个实施例中，响应于该运行期平均接触尖端到工件距离来调节行进速度包括考虑预设行进速度。响应于该运行期平均接触尖端到工件距离来调节持续时间包括考虑预设持续时间。响应于该运行期平均接触尖端到工件距离来调节送丝速度包括考虑预设送丝速度。
在一个实施例中，该系统包括：机器人14，该机器人具有被配置成用于与电源72操作性通信的机器人控制器76；操作性连接至机器人14上的工具60；以及操作性连接至工具60和电源72上的送丝器68。在一个实施例中，该校正因子进一步是基于与3D工件零件相对应的3D模型参数、和/或由机器人控制器76针对下一层的下一个操作所提供的机器人参数。所述3D模型参数和所述机器人参数可以包括下一层的指定高度(指定沉积水平)或工具针对下一层的指定位置中的一项或多项。
以此方式，可以分别针对正增材制造的3D工件零件的当前层和下一层来实现沉积水平的组合式精细及粗略补偿。
现在转向图12，示出了另一示例性实施例。在该实施例中，工艺是接触型沉积，例如用热丝沉积工艺。沉积工艺/系统使用高能热源(例如激光器1200)发射光束1210，或使用电极发射电弧(未示出)，以在工件22的表面上形成熔池。电弧可以通过本文描述的电源产生。进一步，激光器1200可以是提供足够的能量密度以在工件上形成熔池的已知的任何激光器。该激光器或电源可以用在上文关于图1描述的系统中。由于基于激光和电弧的热丝系统的使用、构造和操作是已知的，因此不需要在本文详细描述。像图4a所描述的那样，消耗品64穿过枪60中的接触尖端67并被引导到熔池(未示出)，在熔池中消耗品被沉积。在示例性实施例中，热源(光束或电弧)与消耗品64在行进方向上成直线、并且接近于垂直于工件22的表面。然而，在如图12中所示的其他示例性实施例中，消耗品64的中心线与工件22的工作表面成角度A。在示例性实施例中，角度A是在10至75度的范围内，而在其他示例性实施例中该角度A在25至60度的范围内。进一步，虽然在一些实施例中，该消耗品在热源的行进方向上是成直线的，但在其他示例性实施例中，消耗品在行进方向上偏向热源一侧，如图12所示。通过如本文所述使消耗品成角度和/或将消耗品定位到热源的一侧，可以对于给定高度Z实现更长的CTWD。这种更长的伸出是由于这种构型的几何形状，其中CTWD是具有侧边Z和工件表面的直角三角形的斜边。即，当距离Z改变(如上文描述的)给定距离时，CTWD变化将在规模上更大，从而产生更大的反馈信号以改善反馈控制。因此，上文提供的这样的实施例可以提供改进的精确高度控制。这得到改善的操作性能，特别是在具有相对低的输出电流或功率的操作中。
在一个实施例中，提供了一种具有电源的系统。该电源被配置成用于：在机器人增材制造工艺过程中为了创建3D工件零件的当前层，对输出电流、电压、功率或电路阻抗与送丝速度的瞬时参数对进行实时采样；针对并且至少基于在该当前层的创建过程中所采样到的瞬时参数对中的每个参数对来确定瞬时接触尖端到工件距离；基于针对当前层所确定的每个瞬时接触尖端到工件距离来确定平均接触尖端到工件距离；并且至少基于该平均接触尖端到工件距离来生成将在创建该3D工件零件的下一层时使用的校正因子。每个瞬时接触尖端到工作距离可以实时来确定，并且该电源可以被进一步配置成用于：在该当前层的创建过程中确定每个瞬时接触尖端到工件距离时实时地确定接触尖端到工件距离的运行期平均值；并且在当前层的创建过程中响应于接触尖端到工件距离的运行期平均值来实时调节持续时间或送丝速度中的一项或多项。该瞬时接触尖端到工件距离可以进一步基于输出电压、输出功率、输出电路阻抗、电极类型、电极直径、所用的保护气体、以及沉积工艺类型中的一项或多项。该校正因子可以影响下一层的持续时间、送丝速度、或行进速度中的一项或多项。该校正因子可以进一步基于与该3D工件零件相对应的3D模型参数、或由机器人控制器针对所述下一层的下一操作所提供的机器人参数中的一项或多项。所述3D模型参数和机器人参数可以包括下一层的指定高度或工具针对该下一层的指定位置中的一项或多项。该平均接触尖端到工件距离可以是以下各项中的一项：针对当前层确定的瞬时接触尖端到工件距离的简单数学平均值、针对当前层确定的瞬时接触尖端到工件距离的加权平均值、或针对当前层确定的瞬时接触尖端到工件距离的运行期平均值。该系统可以包括机器人，该机器人具有被配置成用于与该电源操作性通信的机器人控制器。该系统可以包括操作性连接至该机器人的工具。该系统可以包括操作性连接至该工具和该电源上的送丝器。
在一个实施例中，提供了一种具有电源的系统。该电源被配置成用于：在机器人增材制造工艺过程中为了创建3D工件零件的当前层，对输出电流与送丝速度的瞬时参数对进行实时采样；针对并且至少基于在该当前层的创建过程中所采样的瞬时参数对中的每个参数对来实时地确定瞬时接触尖端到工件距离；在该当前层的创建过程中确定每个瞬时接触尖端到工件距离时实时地确定接触尖端到工件距离的运行期平均值；并且在当前层的创建过程中响应于接触尖端到工件距离的运行期平均值来实时调节持续时间或送丝速度中的一项或多项。该电源可以进一步被配置成用于：基于针对当前层所确定的每个瞬时接触尖端到工件距离来确定平均接触尖端到工件距离；并且至少基于该平均接触尖端到工件距离来生成将在创建该3D工件零件的下一层时使用的校正因子。该瞬时接触尖端到工件距离可以进一步基于输出电压、输出功率、输出电路阻抗、电极类型、电极直径、所用的保护气体、以及沉积工艺类型中的一项或多项。该校正因子可以影响下一层的持续时间、送丝速度、或行进速度中的一项或多项。该校正因子可以进一步基于与该3D工件零件相对应的3D模型参数、或由机器人控制器针对下一层的下一操作所提供的机器人参数中的一项或多项。所述3D模型参数和机器人参数可以包括下一层的指定高度或工具针对该下一层的指定位置中的一项或多项。该系统可以包括机器人，该机器人具有被配置成用于与该电源操作性通信的机器人控制器。该系统可以进一步包括操作性连接至该机器人的工具。该系统还可以包括操作性连接至该工具和该电源上的送丝器。
总而言之，提供了一种用于在增材制造工艺过程中校正高度误差的系统和方法。在机器人增材制造工艺过程中在创建当前层时对输出电流、输出电压、输出功率、输出电路阻抗、以及送丝速度中的一项或两项进行采样。基于输出电流、输出电压、输出功率、输出电路阻抗、以及送丝速度中的至少一项或两项来确定多个瞬时接触尖端到工件距离(CTWD)。基于该多个瞬时CTWD来确定平均CTWD。至少基于该平均CTWD来生成校正因子，该校正因子用于补偿当前层和/或下一层的高度的任何误差。
在所附权利要求中，术语“包含”和“具有”被用作术语“包括”的简明语言等同形式；术语“在其中”等效于“其中”。此外，在所附权利要求中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“上”、“下”、“底”、“顶”等仅被用作标签，而不旨在对其对象施加数值或位置要求。进一步地，所附权利要求的限制不是被写成装置加功能的格式，并且并不旨在基于35U.S.C.§112第六段来解释，除非并且直到此类权利要求限制明确地使用了“用于…的装置(meansfor)”、并且在之后进行了没有进一步结构的功能陈述。如本文使用的，以单数叙述的并且在前有词语“一个”或“一种”的元件或步骤应被理解成为不排除所述元件或步骤的复数，除非明确阐明这种排除。此外，本发明提及“一个实施例”并不旨在被解释为：排除也结合了所叙述特征的附加实施例的存在。而且，除非明确地相反陈述，“包含”、“包括”或“具有”具有特定性质的一个元件或多个元件的实施例可以包括另外的、并不具有该性质的这样的元件。再有，某些实施例可以被示出为具有相同或相似的元件，然而，这仅仅是出于展示的目的，并且这样的实施例不必需要具有相同的元件，除非在权利要求中规定了这一点。
如本文使用的，术语“可以”和“可以是”表示：在一组情况下发生的可能性；拥有指定的性质、特征或功能；和/或通过表达与限定的动词相关联的能力、资格或可能性中的一个或多个来限定另一个动词。相应地，“可以”和“可以是”的使用指示的是，经修改的术语对于所指示的能力、功能或使用是明显适合的、能胜任的或适用的，同时考虑了在某些情形下，该经修改的术语可能有时不是适合的、能胜任的或适用的。例如，在一些情形下，可以预期一种事件或能力，而在其他情形下，不能发生该事件或能力——术语“可以”和“可以是”充分体现了这种不同。
本书面说明使用了实例来披露本发明，包括最佳模式，并且也使本领域普通技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明的可取得专利权的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域普通技术人员想到的其他实例。如果这样的其他实例具有并不有别于权利要求的文字语言的结构性要素或者如果这样的其他实例包括与权利要求的文字语言没有实质性不同的等同的结构性要素，则这样的其他实例旨在处于权利要求的范围内。
虽然已参照某些实施例描述了本申请要求保护的主题，但是本领域技术人员将理解的是，可以进行多种不同改变并且可以替换其等效形式而不脱离所要求保护的主题的范围。另外，可以进行许多修改来使特定情形或材料适合所要求保护主题的教导，而不脱离其范围。因此，意图使得所要求保护的主题不受限于所披露的特定实施例，而是，所要求保护的主题将包含落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (28)

1.一种增材制造系统，包括：
电源；以及
材料给送器，该材料给送器经由枪的接触尖端将增材材料提供至3D工件零件，
其中，该电源被配置成用于：
采样瞬时参数对，其中这些瞬时参数对中的每个瞬时参数对包括选自下组的任意两个参数，该组包括：在机器人增材制造工艺过程中在创建该3D工件零件的当前层时，将该增材材料提供至该3D工件零件的丝的送丝速度、该电源的输出功率、以及该电源的输出电路阻抗；
在该当前层的创建过程中采样这些瞬时参数对中的每个参数对时，针对并且至少基于每个参数对来确定该机器人增材制造工艺过程中的瞬时接触尖端到工件距离；
在该当前层的创建过程中确定每个瞬时接触尖端到工件距离时，基于每个瞬时接触尖端到工件距离来确定运行期平均接触尖端到工件距离；并且
至少基于该运行期平均接触尖端到工件距离来生成校正因子，以在创建该3D工件零件的当前层时使用该校正因子来补偿与该当前层的希望沉积水平的沉积水平偏差。
2.如权利要求1所述的增材制造系统，其中，这两个参数包括第一参数和第二参数，该第一参数是该送丝速度，并且该第二参数是该电源的输出功率、或该电源的输出电路阻抗。
3.如权利要求1所述的增材制造系统，其中，该机器人增材制造工艺包括使用该丝的热丝工艺。
4.如权利要求3所述的增材制造系统，其中，该电源包括高能热源，并且该3D工件零件的当前层的创建包括向该3D工件零件提供足够的能量密度以创建熔池，并且
其中，在该当前层的创建过程中该丝进入该熔池。
5.如权利要求4所述的增材制造系统，其中，在该丝进入该熔池时该丝的中线相对于该熔池的表面的角度在10度至75度的范围内。
6.如权利要求2所述的增材制造系统，其中，该瞬时接触尖端到工件距离进一步是基于以下各项中的至少一项：在该机器人增材制造工艺过程中所使用的热丝类型、热丝直径、沉积工艺、或保护气体。
7.如权利要求1所述的增材制造系统，其中，该运行期平均接触尖端到工件距离是这些瞬时接触尖端到工件距离的简单运行期数学平均值或这些瞬时接触尖端到工件距离的加权运行期平均值中的一者。
8.如权利要求1所述的增材制造系统，其中，该电源进一步被配置成用于：
至少部分地通过将该运行期平均接触尖端到工件距离与设定点接触尖端到工件距离进行比较来生成该校正因子；并且
在该当前层的创建过程中，响应于该校正因子来调节行进速度、持续时间、或送丝速度中的至少一项。
9.如权利要求8所述的增材制造系统，其中：
响应于该校正因子来调节行进速度包括考虑预设行进速度；
响应于该校正因子来调节持续时间包括考虑预设持续时间；并且
响应于该校正因子来调节送丝速度包括考虑预设送丝速度。
10.如权利要求1所述的增材制造系统，其中，该校正因子进一步是基于与该3D工件零件相对应的至少一个3D模型参数、或由机器人控制器针对该当前层的当前操作所提供的至少一个机器人参数。
11.如权利要求10所述的增材制造系统，其中，该至少一个3D模型参数包括该当前层的指定高度，并且该至少一个机器人参数包括该枪的针对该当前层的指定位置。
12.如权利要求1所述的增材制造系统，进一步包括机器人，该机器人具有被配置成用于与该电源操作性通信的机器人控制器。
13.如权利要求12所述的增材制造系统，该枪操作性地连接至该机器人。
14.如权利要求13所述的增材制造系统，进一步包括操作性连接至该枪和该电源的送丝器。
15.如权利要求1所述的增材制造系统，其中，该电源进一步被配置成用于：
基于跨整个当前层所确定的每个瞬时接触尖端到工件距离来确定总的平均接触尖端到工件距离；
在该当前层的创建过程中，响应于该运行期平均接触尖端到工件距离来调节该增材制造系统的沉积持续时间、行进速度、或送丝速度中的至少一项；并且
至少基于该总的平均接触尖端到工件距离来生成将在创建该3D工件零件的下一层时使用的校正因子。
16.如权利要求15所述的增材制造系统，其中，该电源包括控制器，并且其中，该控制器被配置成用于：
确定该瞬时接触尖端到工件距离；
确定该运行期平均接触尖端到工件距离；
确定该总的平均接触尖端到工件距离；
在该当前层的创建过程中调节该沉积持续时间、该行进速度、或该送丝速度中的至少一项；并且
生成将在创建下一层时使用的校正因子。
17.一种使用电源和材料给送器的增材制造方法，该材料给送器经由枪的接触尖端将增材材料提供至3D工件零件，该方法包括：
采样瞬时参数对，其中这些瞬时参数对中的每个瞬时参数对包括选自下组的任意两个参数，该组包括：在机器人增材制造工艺过程中在创建该3D工件零件的当前层时，将该增材材料提供至该3D工件零件的丝的送丝速度、该电源的输出功率、以及该电源的输出电路阻抗；
在该当前层的创建过程中采样这些瞬时参数对中的每个参数对时，针对并且至少基于每个参数对来确定该机器人增材制造工艺过程中的瞬时接触尖端到工件距离；
在该当前层的创建过程中确定每个瞬时接触尖端到工件距离时，基于每个瞬时接触尖端到工件距离来确定运行期平均接触尖端到工件距离；并且
至少基于该运行期平均接触尖端到工件距离来生成校正因子，以在创建该3D工件零件的当前层时使用该校正因子来补偿与该当前层的希望沉积水平的沉积水平偏差。
18.如权利要求17所述的方法，其中，这两个参数包括第一参数和第二参数，该第一参数是该送丝速度，并且该第二参数是该电源的输出功率、或该电源的输出电路阻抗。
19.如权利要求17所述的方法，其中，该机器人增材制造工艺包括使用该丝的热丝工艺。
20.如权利要求19所述的方法，其中，创建该3D工件零件的当前层包括向该3D工件零件提供来自高能量束的足够能量密度以创建熔池，并且
其中，在该当前层的创建过程中该丝进入该熔池。
21.如权利要求20所述的增材制造系统，其中，在该丝进入该熔池时该丝的中线相对于该熔池的表面的角度在10度至75度的范围内。
22.如权利要求18所述的方法，其中，该瞬时接触尖端到工件距离进一步是基于以下各项中的至少一项：在该机器人增材制造工艺过程中所使用的热丝类型、热丝直径、沉积工艺、或保护气体。
23.如权利要求17所述的方法，其中，该运行期平均接触尖端到工件距离是这些瞬时接触尖端到工件距离的简单运行期数学平均值或这些瞬时接触尖端到工件距离的加权运行期平均值中的一者。
24.如权利要求17所述的方法，其中，该方法进一步包括：
至少部分地通过将所述运行期平均导电嘴到工件距离与设定点导电嘴到工件距离进行比较来生成所述校正因子；并且
在该当前层的创建过程中，响应于该校正因子来调节行进速度、持续时间、或该送丝速度中的至少一项。
25.如权利要求24所述的方法，其中：
响应于该校正因子来调节行进速度包括考虑预设行进速度；
响应于该校正因子来调节持续时间包括考虑预设持续时间；并且
响应于该校正因子来调节送丝速度包括考虑预设送丝速度。
26.如权利要求17所述的方法，其中，该校正因子进一步是基于与该3D工件零件相对应的至少一个3D模型参数、或由机器人控制器针对该当前层的当前操作所提供的至少一个机器人参数。
27.如权利要求26所述的方法，其中，该至少一个3D模型参数包括该当前层的指定高度，并且该至少一个机器人参数包括该枪的针对该当前层的指定位置。
28.如权利要求17所述的方法，进一步包括：
基于跨整个当前层所确定的每个瞬时接触尖端到工件距离来确定总的平均接触尖端到工件距离；
在该当前层的创建过程中，响应于该运行期平均接触尖端到工件距离来调节沉积持续时间、行进速度、或该送丝速度中的至少一项；并且
至少基于该总的平均接触尖端到工件距离来生成将在创建该3D工件零件的下一层时使用的校正因子。
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