CN110340486A - 一种电弧增材制造状态监测反馈系统及状态监测反馈方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电弧增材制造状态监测反馈系统及状态监测反馈方法，通过获取增材制造过程各环节参量使用情况数据；设置各环节参量使用情况安全阈值；将获取的各环节参量使用情况数据与各环节参量使用情况安全阈值对比，若各环节参量使用情况数据超过各环节参量使用情况安全阈值，则进行预警，否则不进行预警，利用盘状焊丝余量检测单元、保护气余量检测单元、循环水箱流量及温度检测单元、焊枪温度检测单元、干伸长检测单元对各环节参量使用情况数据进行采集，能够对电弧增材制造过程的不良状态及时发现，即可保证大型金属结构件始终保持稳定成形，并可建立结构件成形过程档案，从而促进电弧增材制造技术在大型金属结构件制造领域的进一步产业化应用。

Description

一种电弧增材制造状态监测反馈系统及状态监测反馈方法

技术领域

本发明涉及电弧增材制造领域，具体涉及一种电弧增材制造状态监测反馈系统及状态监测反馈方法。

背景技术

电弧增材制造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，通过电弧将丝材逐层熔化堆积形成致密金属零部件的过程。电弧增材制造技术因其能够以高沉积速率、低设备成本、高的材料利用率和由此产生的环境友好型来制造大型金属结构件而日益受到工业制造部门的关注，在航空、航天、船舶、汽车行业有很大的产业化应用前景。

目前电弧增材制造技术虽然取得了一定的成就，但是在实际应用方面中仍有不少问题。电弧增材制造大型金属结构件的过程中，本质上是一个长时间熔化焊丝连续堆焊的过程，需要不断消耗原材料、保护气，随着分层切片高度与实际成形高度之间的误差，随着成形层数的增加逐渐累积，每层开始焊接的位置(即干伸长)会发生变化，并且需要焊接设备长时间不间断工作，对焊接设备也是极大的考验，需要密切关注循环水箱的工作状态，这些都将影响电弧增材制造过程的健康状态。而目前对于焊接设备的监控，均是工人根据工作经验进行修整调节，无法提供一个科学的监控，容易误判，如焊丝不足造成成形过程中止或者保护气余量较低时使成形过程熔融金属氧化严重形成缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电弧增材制造状态监测反馈系统及状态监测反馈方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电弧增材制造状态监测反馈系统，包括盘状焊丝余量检测单元、保护气余量检测单元、循环水箱流量及温度检测单元、焊枪温度检测单元、干伸长检测单元、数据采集卡和工控机；

所述焊丝余量检测单元用于对焊丝的余量进行实时检测，并将焊丝余量检测结果反馈至数据采集卡；

所述保护气检测单元用于对保护气余量进行实时检测，并将保护气余量检测结果反馈至数据采集卡；

所述循环冷却水箱流量及温度检测单元用于对于水箱温度及冷却水流量进行实时检测，并将水箱温度及冷却水流量检测结果反馈至数据采集卡；

所述干伸长检测单元用于堆积时干伸长检测，并将检测到的检测干伸长数据反馈至数据采集卡；

数据采集卡用于将接收到的数据传输至工控机，工控机用于预设阈值存储，并将接收到的数据与预设阈值对比，如果接收到的数据不在预设阈值范围内，则工控机进行预警反馈，否则不进行预警反馈。

进一步的，盘状焊丝余量检测单元包括霍尔传感器以及固定于盘状焊丝上的磁钢，盘状焊丝安装于送丝机上，霍尔传感器固定于送丝机外侧与送丝机上的磁钢对应，霍尔传感器用于记录盘状焊丝上的磁钢转动圈数；霍尔传感器连接于数据采集卡。

进一步的，保护气余量检测单元包括设置于保护气瓶出口处的气体压力传感器，气体压力传感器连接于数据采集卡。

进一步的，循环水箱流量及温度检测单元包括设置于循环水箱出口处的水流量传感器和热电偶；水流量传感器和热电偶连接于数据采集卡。

进一步的，焊枪温度检测单元包括贴设于焊枪侧壁的贴片型热电偶，贴片型热电偶连接于数据采集卡。

进一步的，干伸长检测单元包括固定在焊枪一侧的激光测距传感器，激光测距传感器测距方向与焊枪枪头平行，激光测距传感器连接于数据采集卡。

进一步的，数据采集卡采用NI9223数据采集卡；工控机采用华北工控RPC-610工控机。

一种电弧增材制造状态监测及反馈方法，包括以下步骤：

步骤1)、分别获取增材制造过程各环节参量使用情况数据；

步骤2)、设置各环节参量使用情况安全阈值；

步骤3)、将获取的各环节参量使用情况数据与各环节参量使用情况安全阈值对比，若各环节参量使用情况数据超过各环节参量使用情况安全阈值，则进行预警，否则不进行预警。

进一步的，各环节参量包括盘状焊丝余量、保护气余量、循环水箱流量及温度、焊枪温度和干伸长。

进一步的，设盘状焊丝余量使用情况阈值小于盘状焊丝所能旋转的最大圈数20圈；保护气余量使用情况安全阈值为保护气瓶最大气压的5％。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种电弧增材制造状态监测反馈系统及状态监测反馈方法，通过分别获取增材制造过程各环节参量使用情况数据；设置各环节参量使用情况安全阈值；将获取的各环节参量使用情况数据与各环节参量使用情况安全阈值对比，若各环节参量使用情况数据超过各环节参量使用情况安全阈值，则进行预警，否则不进行预警，分别利用盘状焊丝余量检测单元、保护气余量检测单元、循环水箱流量及温度检测单元、焊枪温度检测单元、干伸长检测单元对各环节参量使用情况数据进行采集，能够对电弧增材制造过程的不良状态及时发现，即可保证大型金属结构件始终保持稳定成形，并可建立每一大型结构件成形过程档案，从而促进电弧增材制造技术在大型金属结构件制造领域的进一步产业化应用。

进一步的，盘状焊丝余量检测单元包括霍尔传感器以及固定于盘状焊丝上的磁钢，盘状焊丝安装于送丝机上，霍尔传感器固定于送丝机外侧与送丝机上的磁钢对应，霍尔传感器用于记录盘状焊丝上的磁钢转动圈数；霍尔传感器连接于数据采集卡，采用霍尔传感器测量盘状焊丝的圈数，结构简单，测量结果准确。

进一步的，保护气余量检测单元包括设置于保护气瓶出口处的气体压力传感器，结构简单易设置，测量结果准确。

进一步的，焊枪温度检测单元包括贴设于焊枪侧壁的贴片型热电偶，能够实时监测焊枪的工作稳定，达到实时监测的目的。

进一步的，干伸长检测单元包括固定在焊枪一侧的激光测距传感器，激光测距传感器测距方向与焊枪枪头平行，激光测距传感器连接于数据采集卡，避免人工监测误差，能够实时获取干伸长数据。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

其中1-送丝机，2-盘状焊丝，3-磁钢，4-霍尔传感器，5-保护气瓶，6-气体压力传感器，7-循环水箱，8-焊接电源，9-热电偶，10-水流量传感器，11-激光距离传感器，12-焊枪，13-贴片型热电偶，14-机器人，15-数据采集卡，16-液压升降工作平台，17-工控机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，一种电弧增材制造状态监测反馈系统，包括盘状焊丝余量检测单元、保护气余量检测单元、循环水箱流量及温度检测单元、焊枪温度检测单元、干伸长检测单元、数据采集卡和工控机；

所述焊丝余量检测单元用于对焊丝的余量进行实时检测，并将焊丝余量检测结果反馈至数据采集卡；

所述保护气检测单元用于对保护气余量进行实时检测，并将保护气余量检测结果反馈至数据采集卡；

所述循环冷却水箱流量及温度检测单元用于对于水箱温度及冷却水流量进行实时检测，并将水箱温度及冷却水流量检测结果反馈至数据采集卡；

所述干伸长检测单元用于堆积时干伸长检测，并将检测到的检测干伸长数据反馈至数据采集卡；

数据采集卡用于将接收到的数据传输至工控机，工控机用于预设阈值存储，并将接收到的数据与预设阈值对比，并将对比结果通过工控机进行显示。

盘状焊丝余量检测单元包括霍尔传感器4以及固定于盘状焊丝2上的磁钢3，盘状焊丝2安装于送丝机1上，霍尔传感器4固定于送丝机1外侧，与送丝机1上的磁钢3对应，霍尔传感器4用于记录盘状焊丝2上的磁钢3转动圈数，从而达到记录盘状焊丝2使用圈数的目的；霍尔传感器4连接于数据采集卡；

保护气余量检测单元包括设置于保护气瓶5出口处的气体压力传感器6，气体压力传感器6连接于数据采集卡，用于检测保护气瓶出口处的气体压力；

循环水箱流量及温度检测单元包括设置于循环水箱7出口处的水流量传感器10和热电偶9；水流量传感器10和热电偶9连接于数据采集卡；

焊枪温度检测单元包括贴设于焊枪12侧壁的贴片型热电偶13，贴片型热电偶13连接于数据采集卡；

干伸长检测单元包括固定在焊枪12一侧的激光测距传感器11，激光测距传感器11测距方向与焊枪12枪头平行，激光测距传感器11连接于数据采集卡；

数据采集卡采用NI9223数据采集卡；

工控机采用华北工控RPC-610工控机；

一种电弧增材制造状态监测及反馈方法，包括以下步骤：

步骤1)、分别获取增材制造过程各环节参量使用情况数据；

各环节参量包括盘状焊丝余量、保护气余量、循环水箱流量及温度、焊枪温度和干伸长；

步骤2)、设置各环节参量使用情况安全阈值；

步骤3)、将获取的各环节参量使用情况数据与各环节参量使用情况安全阈值对比，若各环节参量使用情况数据超过各环节参量使用情况安全阈值，则进行预警，否则不进行预警。

设盘状焊丝余量使用情况阈值小于盘状焊丝所能旋转的最大圈数20圈；当盘状焊丝使用情况数据超过设定阈值时，则提示报警信息，从而及时更换焊丝；

保护气余量使用情况安全阈值为保护气瓶最大气压的5％；

具体的：当干伸长超过最优范围时，反馈调节单元将干伸长调至最优值，所述数据采集卡对于模拟量的传感器的数据进行模数转换。所述工控机根据上述各个传感器检测值，对电弧增材制造系统的健康状态进行评估及监控，当某一传感器检测数值超过允许的范围时，工控机发出警告信息并做出必要的应对措施。

本发明进一步的改进在于：所述盘状焊丝余量检测单元包括霍尔传感器，小磁钢组成，将所述小磁钢粘贴在盘状焊丝的一侧，利用所述霍尔传感器固定在送丝机上，并距离小磁钢一定距离，当盘状焊丝旋转时，每旋转一圈，所述霍尔传感器产生一个脉冲，通过所述数据采集卡将信号进行处理，传输到所述工控机，对盘状焊丝的余量进行监测，设置盘状焊丝所能旋转的最大圈数减去一定数值(5-20)作为报警值，当余量超过报警值时，所述工控机发出报警信息，及时更换焊丝，可避免由于焊丝不足造成成形过程中止。

本发明进一步的改进在于：所述保护气余量检测单元包括气体压力传感器。将所述气体压力传感器测得保护气瓶出口处压力，传递给所述数据采集卡，信号经过处理传输到所述工控机，根据设置好的最低气体压力报警值，实现对保护气体余量的预警，及时更换保护气。

本发明进一步的改进在于：所述循环水箱流量及温度检测单元包括水流量传感器、K型热电偶。将所述水流量传感器和热电偶安装在循环水箱出口处，获得循环水箱的流量及温度数据。通过所述数据采集卡进行预处理，传输到所述工控机，实时监控循环水箱的流量及温度数据，当循环水箱流量过小或者冷却水温度过高，发出报警信号，可及时排除故障避免造成进一步损失。

本发明进一步的改进在于：所述焊枪温度检测单元包括贴片型温度传感器。将所述贴片型传感器安装在焊枪侧壁，通过所述数据采集卡进行预处理，传输到所述工控机，实时监控焊枪温度数据，当焊枪温度过高，发出报警信号，及时采取措施冷却焊枪避免造成进一步损失。

本发明进一步的改进在于：所述干伸长检测包括测距传感器、独立可升降工作平台。所述测距传感器安装在焊枪末端，每层开始堆积起弧的位置获得干伸长数据，传输到所述工控机，当干伸长超过设置的最优的范围时，控制独立可升降工作平台进行补偿，使干伸长始终保持在最优的范围，避免干伸长不当时产生成形缺陷。

本发明的有益效果。通过本发明提供的电弧增材制造过程健康状态监测及反馈系统可以实现成形过程消耗品(焊丝和保护气)的余量监控和报警，及时更换消耗品，保证成形质量。实现成形过程成形设备状态监测及报警，防止长时间工作设备过热造成不可逆的损伤。另外在电弧增材制造成形过程中，焊枪的运动轨迹已经由路径规划软件确定，干伸长不能通过改变焊枪位置来进行调节，本发明可以根据成形过程的实际情况，控制独立的可升降工作平台对干伸长进行反馈调节，使干伸长始终保持在最优的范围，避免干伸长不当时产生成形缺陷。

当电弧增材制造过程中，为了实现盘状焊丝余量的监测，将磁钢3固定在盘状焊丝2的侧边靠顶部位置，霍尔传感器4则固定在送丝机1上，与磁钢3间隔一定距离，盘状焊丝2旋转送丝时，每旋转一圈，激励霍尔传感器4产生一个脉冲信号，并将脉冲信号数据传递给数据采集卡15，数据采集卡15将脉冲信号数字信号传输到所述工控机17，可获得电弧增材制造过程盘状焊丝的实时消耗量，设置盘状焊丝2所能旋转的最大圈数减去20作为报警值，当超过报警值时，工控机17提示报警信息，从而及时更换焊丝，避免了在成形过程中发生中断。

为了实现保护气余量的监测，在保护气瓶5出口处连接气体压力传感器6，测得保护气瓶出口处的气体压力，并将数据传输到数据采集卡15，数据采集卡15将气体压力数字信号传输到所述工控机17，可实时监控保护气的压力，根据设置好的最低气体压力报警值，当气体压力降低到最低气体压力时，工控机17提示报警信息，及时更换保护气。

为了实现循环水箱流量及温度的监测；将所述水流量传感器10和热电偶9安装在循环水箱7出口处，热电偶9采用K型热电偶，获得循环水箱7的冷却水流量及温度数据；通过数据采集卡-15进行预处理，然后将数字信号传输到所述工控机17，可实时监控循环水箱的流量及温度数据；根据生产实际经验设置好最低的水箱流量和最高的冷却水温度，当循环水箱流量或者冷却水温度达到报警值时，工控机17提示报警信息，停机检查设备是否存在异常，及时排除故障，避免造成电弧增材制造设备损坏。

为了实现焊枪温度的监测，将贴片型热电偶13安装在焊枪12侧壁，获得焊枪12侧壁的温度数据，通过数据采集卡15进行预处理，然后将数字信号传输到所述工控机17，可实时监控焊枪12温度数据。根据生产实际经验设置好最高的焊枪12温度，当焊枪12温度过高超过允许值时，工控机17发出报警信号，停机，对焊枪12进行冷却，避免造成焊枪12内部部件的损坏。

为了实现干伸长检测及反馈调节，采用激光测距传感器11，以及液压升降工作平台16。将激光测距传感器11安装在焊枪12末端，在每层开始堆积起弧的位置获得干伸长数据，传输到工控机17，当干伸长超过设置的最优的范围时12-18mm，工控机17控制可升降工作平台进行补偿，即干伸长超过最优范围，若干伸长大于最优范围的中间值，升降工作平台下降干伸长与最优范围的中间值的差值高度，若干伸长小于最优范围的中间值，升降工作平台上升干伸长与最优范围的中间值的差值绝对值高度，使干伸长始终保持在最优的范围，避免干伸长不当时产生成形缺陷。

通过本实例可以实现对电弧增材制造大型结构件过程中，实时监控电弧增材制造系统的状态，当出现不良状态时，及时提示报警信息或进行反馈调节，始终保证电弧增材制造系统在制造大型构件时保持在健康状态，实现大型结构件的稳定成形。

Claims (10)

1.一种电弧增材制造状态监测反馈系统，其特征在于，包括盘状焊丝余量检测单元、保护气余量检测单元、循环水箱流量及温度检测单元、焊枪温度检测单元、干伸长检测单元、数据采集卡和工控机；

所述焊丝余量检测单元用于对焊丝的余量进行实时检测，并将焊丝余量检测结果反馈至数据采集卡；

所述保护气检测单元用于对保护气余量进行实时检测，并将保护气余量检测结果反馈至数据采集卡；

所述循环冷却水箱流量及温度检测单元用于对于水箱温度及冷却水流量进行实时检测，并将水箱温度及冷却水流量检测结果反馈至数据采集卡；

所述干伸长检测单元用于堆积时干伸长检测，并将检测到的检测干伸长数据反馈至数据采集卡；

数据采集卡用于将接收到的数据传输至工控机，工控机用于预设阈值存储，并将接收到的数据与预设阈值对比，如果接收到的数据不在预设阈值范围内，则工控机进行预警反馈，否则不进行预警反馈。

2.根据权利要求1所述的一种电弧增材制造状态监测反馈系统，其特征在于，盘状焊丝余量检测单元包括霍尔传感器(4)以及固定于盘状焊丝(2)上的磁钢(3)，盘状焊丝(2)安装于送丝机(1)上，霍尔传感器(4)固定于送丝机(1)外侧与送丝机(1)上的磁钢(3)对应，霍尔传感器(4)用于记录盘状焊丝(2)上的磁钢(3)转动圈数；霍尔传感器(4)连接于数据采集卡。

3.根据权利要求1所述的一种电弧增材制造状态监测反馈系统，其特征在于，保护气余量检测单元包括设置于保护气瓶(5)出口处的气体压力传感器(6)，气体压力传感器(6)连接于数据采集卡。

4.根据权利要求1所述的一种电弧增材制造状态监测反馈系统，其特征在于，循环水箱流量及温度检测单元包括设置于循环水箱(7)出口处的水流量传感器(10)和热电偶(9)；水流量传感器(10)和热电偶(9)连接于数据采集卡。

5.根据权利要求1所述的一种电弧增材制造状态监测反馈系统，其特征在于，焊枪温度检测单元包括贴设于焊枪(12)侧壁的贴片型热电偶(13)，贴片型热电偶(13)连接于数据采集卡。

6.根据权利要求1所述的一种电弧增材制造状态监测反馈系统，其特征在于，干伸长检测单元包括固定在焊枪(12)一侧的激光测距传感器(11)，激光测距传感器(11)测距方向与焊枪(12)枪头平行，激光测距传感器(11)连接于数据采集卡。

7.根据权利要求1所述的一种电弧增材制造状态监测反馈系统，其特征在于，数据采集卡采用NI9223数据采集卡；工控机采用华北工控RPC-610工控机。

8.一种基于权利要求1所述的一种电弧增材制造状态监测反馈系统的电弧增材制造状态监测反馈方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)、通过盘状焊丝余量检测单元、保护气余量检测单元、循环水箱流量及温度检测单元、焊枪温度检测单元和干伸长检测单元分别获取增材制造过程各环节参量使用情况数据；

步骤2)、设置各环节参量使用情况安全阈值；

步骤3)、将获取的各环节参量使用情况数据与各环节参量使用情况安全阈值对比，若各环节参量使用情况数据不在各环节参量使用情况安全阈值范围内，则工控机进行预警，否则不进行预警。

9.根据权利要求1所述的一种电弧增材制造状态监测反馈方法，其特征在于，各环节参量包括盘状焊丝余量、保护气余量、循环水箱流量及温度、焊枪温度和干伸长。

10.根据权利要求1所述的一种电弧增材制造状态监测反馈方法，其特征在于，设盘状焊丝余量使用情况阈值小于盘状焊丝所能旋转的最大圈数20圈；保护气余量使用情况安全阈值为保护气瓶最大气压的5％。