CN111037050B - 一种基于视觉传感的gta增材制造系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉传感的GTA增材制造系统，一种基于视觉传感的GTA增材制造系统，包括工作台，氩弧焊枪，上位机控制系统，电弧热源系统，运动控制系统，机器人，图像采集系统，送丝系统，送丝旋转机构和供气系统；并且公开了利用该系统进行GTA增材制造控制的方法。通过本发明的GTA增材制造系统及控制方法可实现GTA增材制造过程电弧长度和送丝角度的实时调节，从而提高GTA增材制造过程的稳定性。

Description

一种基于视觉传感的GTA增材制造系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电弧熔丝增材制造技术领域，更具体的说是涉及一种基于视觉传感的GTA增材制造系统及控制方法。

背景技术

电弧熔丝增材制造(Wire+ArcAdditiveManufacturing，WAAM)技术是一种基于离散/堆积原理，以钨极惰性气体保护电弧(GasTungstenArc，GTA)、熔化极惰性气体保护电弧(GasMetalArc，GMA)或等离子体电弧(PlasmaArc，PA)为热源，以金属丝材为填充材料，沿设定的三维数字模型路线逐层熔化并沉积金属材料，从而实现金属构件直接制备的先进制造工艺；具有生产周期短、材料利用率高、设备成本低，以及可制备大尺寸构件等特点。常规的铸造-锻造-切削等传统的加工工艺生产周期长、材料利用率低，因此采用电弧熔丝增材制造工艺方法制备金属构件，具有重要的实际工程应用意义。

以GTA电弧为热源的工艺，电弧在钨极和基板间燃烧，填充金属丝材由外部送进，钨极与机械臂端部夹具及送丝管相对位置一般固定，且不具备弧长修正功能，用于自动化电弧增材制造过程时，极易由于表面凹凸起伏，发生电弧长度不稳定及熔滴过渡不稳定等问题，进而影响成型质量。

因此，如何保证GTA增材制造过程稳定性，进而保证GTA增材制造构件的成型质量是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于视觉传感的GTA增材制造系统及控制方法，以实现GTA增材制造过程电弧长度和送丝角度的实时调节，从而提高制造过程的稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于视觉传感的GTA增材制造系统，包括工作台，氩弧焊枪，上位机控制系统，电弧热源系统，运动控制系统，机器人，图像采集系统，送丝系统，送丝旋转机构和供气系统；

电弧热源系统，用于接收上位机控制系统发出的电弧参数及指令，在增材制造过程中与氩弧焊枪及工作台形成回路，提供电弧热源，并向上位机控制系统反馈实际电弧参数；

运动控制系统，用于接收上位机控制系统发出的运动参数及指令，控制机器人的运动；并向上位机控制系统反馈实际运动参数；

机器人，用于固定氩弧焊枪和图像采集系统，使氩弧焊枪和图像采集系统按照运动参数移动；

图像采集系统，聚焦于氩弧焊枪钨极正下方1.5～2.5mm处，用于采集电弧形貌，并向上位机控制系统反馈采集的电弧图像信息；

送丝系统，用于接收上位机控制系统发出的送丝参数及指令，进行送丝，并向上位机控制系统反馈实际送丝参数；

送丝旋转机构，用于接收上位机控制系统发出的送丝角度旋转参数及指令，控制送丝角度；

供气系统，包括气路与电路，气路与氩弧焊枪通过导管连接，电路根据上位机控制系统的指令控制供气的启动和停止。

优选地，上位机控制系统分别与电弧热源系统、运动控制系统、图像采集系统、送丝系统、送丝旋转机构和供气系统进行电气连接；用于发送电弧参数、运动参数、送丝参数、送丝角度旋转参数等参数及相关指令，接收实际电弧参数、实际运动参数、实际送丝参数、实际送丝角度旋转参数等参数；并且采集和处理图像采集系统的电弧图像信息。

优选地，电弧参数包括电弧电流参数和电弧电压参数；

运动参数包括运动路径和运动速度参数；运动路径包括X轴路径、Y轴路径、Z轴路径；

送丝参数包括送丝速度；

送丝角度旋转参数包括旋转角度和旋转方向。

优选地，机器人末端设置有工装夹具，氩弧焊枪和图像采集系统分别安装于工装夹具上。

优选地，图像采集系统包括CCD高速相机。

优选地，送丝系统包括送丝控制器，送丝机和送丝管；

送丝控制器与上位机控制系统电气连接，用于接收上位机控制系统发出的送丝参数及指令，传递给送丝机，并向上位机控制系统反馈实际送丝参数；送丝机与送丝机控制器电性连接，实现送丝；送丝管安装于送丝旋转机构上；丝材从送丝机的出丝口送出后穿入送丝管，由送丝管穿出后，丝材端部位于氩弧焊枪钨极下方偏向运动方向的位置。

优选地，送丝旋转机构包括送丝旋转控制器和旋转盘；送丝旋转控制器与上位机控制系统电气连接，用于接收上位机控制系统发出的送丝角度旋转参数及指令，控制旋转盘转动；送丝管安装于旋转盘上，随旋转盘转动调节送丝角度；送丝旋转机构与氩弧焊枪位置相对固定，随氩弧焊枪沿运动方向移动。

进一步优选地，送丝管经过旋转盘圆心，旋转盘旋转角度即为送丝管旋转角度。

一种基于视觉传感的GTA增材制造控制方法，利用上述GTA增材制造系统实现控制，包括如下步骤：

(1)在上位机控制系统上设定好电弧参数、运动参数、送丝参数，启动电弧增材制造过程；

(2)增材制造过程中，电弧热源系统采集实际电弧参数，运动控制系统采集机器人实际运动参数，送丝系统采集实际送丝参数，图像采集系统采集电弧形貌信息；实时采集的信号均反馈至上位机控制系统，进行实时工艺参数信息显示；

(3)上位机控制系统内部MATLAB工程软件对电弧形貌信息进行图像处理，提取电弧长度和熔滴过渡模式信息，并进行信息显示；同时，基于提取出的电弧长度和熔滴过渡模式信息，进行弧长调节及送丝角度调节。

优选地，弧长调节优先于送丝角度调节；

弧长调节的具体过程为：

(1)实时提取电弧长度信息，钨极端部至上一沉积层的距离定义为实际电弧长度L，将实际电弧长度L与预设电弧长度阈值比较，预设电弧长度阈值L_max＝(1+10％)L₀，L_min＝(1-10％)L₀，L₀为预设电弧长度；

(2)若L大于L_max，则由上位机控制系统输出Z轴下降指令至运动控制系统，控制机器人使氩弧焊枪高度降低，从而减小电弧长度，直至L处于L_min～L_max之间；

(3)若L小于L_min，则由上位机控制系统输出Z轴上升指令至运动控制系统，控制机器人使氩弧焊枪高度升高，从而增大电弧长度，直至L处于L_min～L_max之间。

优选地，在弧长调节的基础上，进行送丝角度调节，送丝角度调节的具体步骤为：

上位机控制系统根据电弧形貌信息，判断熔滴过渡模式：

(1)若两相邻电弧形貌图像采集帧的电弧轮廓重叠面积小于两帧中任意一帧电弧轮廓面积的85％，则表明电弧一端处于在熔池和丝材间变换的不稳定状态，判定熔滴过渡模式为滴状过渡模式，说明丝材端部位置较高，此时由上位机控制系统输出送丝角度增大指令至送丝旋转机构，控制送丝角度增大，丝材端部高度降低，直至不呈滴状过渡模式的临界，即丝材呈连续流淌过渡；

(2)若两相邻电弧形貌图像采集帧的电弧轮廓重叠面积大于或等于两帧各自电弧轮廓面积的85％，则表明电弧两端在钨极与熔池间呈稳定状态；此时存在呈连续流淌过渡或丝材未送进熔池两种情况，将后一帧电弧轮廓沿钨极中心纵轴划分成左右两个区域：若左右区域电弧轮廓面积之差大于或等于整体电弧轮廓面积的10％，即电弧轮廓沿钨极中心纵轴不呈轴对称，则表明存在丝材送进熔池，判定熔滴过渡模式为连续流淌过渡，此时无需进行送丝角度调节；若左右区域电弧轮廓面积之差小于整体电弧轮廓面积的10％，即电弧轮廓沿钨极中心纵轴近似呈轴对称，则表明丝材未送进熔池，此时由上位机控制系统输出送丝角度减小指令至送丝旋转机构，控制送丝角度减小，丝材端部高度升高；

(3)根据上位机控制系统设定程序进行填充丝材逐层沉积，待上位机控制系统设定程序运行完成后，结束电弧增材制造过程。

由上述技术方案可知，本发明通过闭环控制方法，以GTA电弧增材制造过程中电弧长度和熔滴过渡模式为反馈量，以氩弧焊枪Z轴高度和丝材送进角度为控制量；通过实时采集和判断实际电弧长度和熔滴过渡模式，控制氩弧焊枪Z轴高度和送丝角度的调节，保证GTA电弧增材制造过程稳定的电弧长度和连续的熔滴流淌过渡，提高了GTA电弧增材制造过程的稳定性，从而提高制造构件成形质量。

附图说明

图1所示为本发明基于视觉传感的GTA增材制造系统示意图。

图中，1为上位机控制系统，201为送丝控制器，202为送丝机，203为送丝管，3为供气系统，4为电弧热源系统，5为运动控制系统，6为机器人，7为氩弧焊枪，8为送丝旋转机构，9为图像采集系统，10为工作台。

图2所示为本发明弧长及送丝角度控制流程图。

图3所示为滴状过渡熔滴过渡模式。

图4所示为连续流淌过渡熔滴过渡模式。

图5为丝材未送进熔池时电弧形貌。

图6所示为采用本发明GTA增材制造系统及控制方法获得的增材制造构件正面形貌(上图)和顶部形貌(下图)。

图7所示为实施例2对照组获得的增材制造构件正面形貌(上图)和顶部形貌(下图)。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种基于视觉传感的GTA增材制造系统，如图1所示，包括工作台10，氩弧焊枪7，上位机控制系统1，电弧热源系统4，运动控制系统5，机器人6，图像采集系统9，送丝系统，送丝旋转机构8和供气系统3。

上位机控制系统1分别与电弧热源系统4、运动控制系统5、图像采集系统9、送丝系统、送丝旋转机构8和供气系统3进行电气连接，通过RS485串行通信进行指令及信号的传输，用于发送电弧参数、运动参数、送丝参数、送丝角度旋转参数等参数及相关指令，接收实际电弧参数、实际运动参数、实际送丝参数、实际送丝角度旋转参数等参数；并且采集和处理图像采集系统9的电弧图像信息。

电弧热源系统4，为弧焊电源，与上位机控制系统1通过电气连接，接收上位机控制系统1设定的电弧参数(包括电弧电流模式、电流值等)及指令，并向上位机控制系统1反馈实际电弧参数；电弧热源系统4与氩弧焊枪7和工作台10通过电气连接形成回路，为增材制造过程提供电弧热源，其中，氩弧焊枪7接弧焊电源输出端阴极，工作台10接弧焊电源阳极。

运动控制系统5，与上位机控制系统1和机器人6分别通过电气连接，接收上位机控制系统1运动参数(包括运动速度、运动路径)及指令，控制机器人6末端运动路径，并向上位机控制系统1实时反馈机器人6末端的实际运动参数。

机器人6，为ABBIRB1410工业机器人，末端设置有工装夹具，用于连接并固定氩弧焊枪7和图像采集系统9；使氩弧焊枪7和图像采集系统9按照运动参数移动。

图像采集系统9，核心为CCD高速相机，与氩弧焊枪7并列固定于机器人6末端，聚焦于氩弧焊枪7钨极正下方1.5～2.5mm处，用于采集电弧形貌；与上位机控制系统1电气连接，向上位机控制系统1反馈采集的电弧图像信息。

送丝系统，包括送丝控制器201、送丝机202和送丝管203。送丝控制器201与上位机控制系统1电气连接，接收上位机控制系统1发出的送丝参数(送丝速度)及指令(送丝启停信号)，并向上位机控制系统1反馈实际送丝参数。送丝机202与送丝控制器201电气连接，接收送丝控制器201的送丝参数及指令。丝材从送丝机202的出丝口送出后穿入送丝管203，由送丝管203穿出后，丝材端部位于氩弧焊枪7钨极下方偏向运动方向的位置。

送丝旋转机构8包括送丝旋转控制器和旋转盘；送丝旋转控制器与上位机控制系统1电气连接，用于接收上位机控制系统1发出的送丝角度旋转参数(旋转角度和旋转方向)及指令，控制旋转盘转动；送丝管203安装于旋转盘上，并经过旋转盘圆心，旋转盘旋转角度即为送丝管旋转角度；送丝旋转机构8与氩弧焊枪7位置相对固定，随氩弧焊枪7沿运动方向移动。

供气系统3，包括气路和电路，气路与氩弧焊枪7通过导管连接，电路与上位机控制系统1电气连接，根据上位机控制系统1的指令控制供气的启动和停止。

实施例2

一种基于视觉传感的GTA增材制造控制方法，利用实施例1中基于视觉传感的GTA增材制造系统，实现GTA增材制造过程中弧长及送丝角度的控制。

具体步骤为：

1.在上位机控制系统1上设定好沉积路径(单道多层直线沉积路径，沉积长度120mm)、运动速度参数(运动速度300mm/min)、电弧电流参数(变极性方波电流，电流值120A，正负极性比4:1)、送丝速度参数(送丝速度2.1m/min)，外部设定保护气流量参数(99.99％氩气保护气流量15L/min)，启动电弧增材制造过程。

2.增材制造过程中，电弧热源系统4采集实际电弧电流参数和电弧电压参数，运动控制系统5采集机器人6末端实际运动路径及速度参数，送丝系统采集实际送丝速度参数，图像采集系统9采集电弧形貌；实时采集的信号均反馈至上位机控制系统1，进行实时参数信息显示。

3.图像采集系统9采集的电弧形貌信息反馈至上位机控制系统1后，经上位机控制系统1内部MATLAB工程软件进行图像处理，提取电弧长度及熔滴过渡模式信息，并进行信息显示；同时，基于提取出的电弧长度和熔滴过渡模式信息，进行弧长及送丝角度调节控制，控制流程如图2所示。

弧长控制优先于送丝角度控制，弧长控制的具体过程为：

(1)实时提取电弧长度信息，钨极端部至上一沉积层的距离定义为实际电弧长度L，将L与预设电弧长度阈值比较，预设电弧长度阈值L_max＝(1+10％)L₀，L_min＝(1-10％)L₀，L₀为设定电弧长度(5mm)；

(2)若L大于L_max，则由上位机控制系统1输出Z轴下降指令至运动控制系统5，控制机器人6末端的氩弧焊枪7高度降低，从而减小电弧长度，直至L处于L_min～L_max内；

(3)若L小于L_min，则由上位机控制系统1输出Z轴上升指令至运动控制系统5，控制机器人6末端的氩弧焊枪7高度升高，从而增大电弧长度，直至L处于L_min～L_max内。

在弧长控制的基础上，进行送丝角度控制，根据上位机控制系统1处理后的电弧形貌信息，判断熔滴过渡模式：

(1)若两相邻电弧形貌图像采集帧的电弧轮廓重叠面积小于两帧中任意一帧电弧轮廓面积的85％，则表明电弧一端处于在熔池和丝材间变换的不稳定状态，判定熔滴过渡模式为滴状过渡模式(图3)，说明丝材端部位置较高，此时由上位机控制系统输出送丝角度增大指令至送丝旋转机构，控制送丝角度增大，丝材端部高度降低，直至不呈滴状过渡模式的临界，即丝材呈连续流淌过渡(图4)；

(2)若两相邻电弧形貌图像采集帧的电弧轮廓重叠面积大于或等于两帧各自电弧轮廓面积的85％，则表明电弧两端在钨极与熔池间呈稳定状态；此时存在呈连续流淌过渡或丝材未送进熔池两种情况，将后一帧电弧轮廓沿钨极中心纵轴划分成左右两个区域：若左右区域电弧轮廓面积之差大于或等于整体电弧轮廓面积的10％，即电弧轮廓沿钨极中心纵轴不呈轴对称，则表明存在丝材送进熔池，判定熔滴过渡模式为连续流淌过渡，如图4，此时无需进行送丝角度调节；若左右区域电弧轮廓面积之差小于整体电弧轮廓面积的10％，即电弧轮廓沿钨极中心纵轴近似呈轴对称，则表明丝材未送进熔池，如图5，此时由上位机控制系统输出送丝角度减小指令至送丝旋转机构，控制送丝角度减小，丝材端部高度升高；

(3)根据上位机控制系统设定程序进行填充丝材逐层沉积，待上位机控制系统设定程序运行完成后，结束电弧增材制造过程。图6为采用本发明一种基于视觉传感的GTA增材制造系统及控制方法后增材制造构件正面形貌和顶部形貌，构件成型质量较好，成型表面较为平整，且成型规律较为一致，可见本发明系统及控制方法适合于高度方向继续沉积制造。

进一步地，设置对照试验：在上位机控制系统1上设定好沉积路径(单道多层直线沉积路径，沉积长度120mm)、运动速度参数(运动速度300mm/min)、电弧电流参数(变极性方波电流，电流值120A，正负极性比4:1)、送丝速度参数(送丝速度2.1m/min)，外部设定保护气流量参数(99.99％氩气保护气流量15L/min)，启动电弧增材制造过程；制造过程中不进行图像采集，不进行弧长及送丝角度控制。图7为对照组获得的增材制造构件正面形貌和顶部形貌，可以看出，该种情况下，构件成型质量较差，表面极不平整，存在大量凹凸起伏形貌或未熔丝材夹杂，可见未经本发明闭环控制的增材制造方法不利于高度方向继续沉积生长。

本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种基于视觉传感的钨极惰性气体保护电弧GTA增材制造系统，其特征在于，包括工作台，氩弧焊枪，上位机控制系统，电弧热源系统，运动控制系统，机器人，图像采集系统，送丝系统，送丝旋转机构和供气系统；

所述电弧热源系统，用于接收所述上位机控制系统发出的电弧参数及指令，在增材制造过程中与所述氩弧焊枪及所述工作台形成回路，提供电弧热源，并向所述上位机控制系统反馈实际电弧参数；

所述运动控制系统，用于接收所述上位机控制系统发出的运动参数及指令，控制所述机器人的运动；并向所述上位机控制系统反馈实际运动参数；

所述机器人，用于固定所述氩弧焊枪和所述图像采集系统，使所述氩弧焊枪和所述图像采集系统按照运动参数移动；

所述图像采集系统，聚焦于所述氩弧焊枪钨极正下方1.5～2.5mm处，用于采集电弧形貌，并向所述上位机控制系统反馈采集的电弧图像信息；

所述送丝系统包括送丝控制器，送丝机和送丝管；

所述送丝控制器用于接收所述上位机控制系统发出的送丝参数及指令，控制所述送丝机送丝，并向所述上位机控制系统反馈实际送丝参数；

所述送丝管安装于所述送丝旋转机构上；丝材从所述送丝机的出丝口送出后穿入所述送丝管，由送丝管穿出后丝材端部位于所述氩弧焊枪钨极下方偏向运动方向的位置；

所述送丝旋转机构包括送丝旋转控制器和旋转盘；所述送丝旋转控制器用于接收所述上位机控制系统发出的送丝角度旋转参数及指令，控制所述旋转盘转动；所述送丝管安装于所述旋转盘上，随所述旋转盘转动调节送丝角度；

所述送丝旋转机构与所述氩弧焊枪位置相对固定，随所述氩弧焊枪沿运动方向移动；

所述供气系统，包括气路与电路，所述气路与所述氩弧焊枪通过导管连接，所述电路根据所述上位机控制系统的指令控制供气的启动和停止。

2.根据权利要求1所述的一种基于视觉传感的钨极惰性气体保护电弧GTA增材制造系统，其特征在于，

所述电弧参数包括电弧电流参数和电弧电压参数；

所述运动参数包括运动路径和运动速度参数；所述运动路径包括X轴路径、Y轴路径、Z轴路径；

所述送丝参数包括送丝速度。

3.一种基于视觉传感的钨极惰性气体保护电弧GTA增材制造控制方法，其特征在于，利用权利要求1或2所述的GTA增材制造系统实现控制，包括如下步骤：

(1)在上位机控制系统上设定好电弧参数、运动参数、送丝参数，启动电弧增材制造过程；

(2)增材制造过程中，电弧热源系统采集实际电弧参数，运动控制系统采集机器人实际运动参数，送丝系统采集实际送丝参数，图像采集系统采集电弧形貌信息；实时采集的信号均反馈至上位机控制系统，进行实时工艺参数信息显示；

(3)上位机控制系统内部MATLAB工程软件对电弧形貌信息进行图像处理，提取电弧长度和熔滴过渡模式信息，并进行信息显示；同时，基于提取出的电弧长度和熔滴过渡模式信息，进行弧长调节及送丝角度调节；

弧长调节优先于送丝角度调节；

所述弧长调节的具体过程为：

(1)实时提取电弧长度信息，钨极端部至上一沉积层的距离定义为实际电弧长度L，将实际电弧长度L与预设电弧长度阈值比较，预设电弧长度阈值L_max＝(1+10％)L₀，L_min＝(1-10％)L₀，L₀为预设电弧长度；

(2)若L大于L_max，则由上位机控制系统输出Z轴下降指令至运动控制系统，控制机器人使氩弧焊枪高度降低，从而减小电弧长度，直至L处于L_min～L_max之间；

(3)若L小于L_min，则由上位机控制系统输出Z轴上升指令至运动控制系统，控制机器人使氩弧焊枪高度升高，从而增大电弧长度，直至L处于L_min～L_max之间。

4.根据权利要求3所述的一种基于视觉传感的钨极惰性气体保护电弧GTA增材制造控制方法，其特征在于，

在弧长调节的基础上，进行送丝角度调节，送丝角度调节的具体步骤为：

上位机控制系统根据电弧形貌信息，判断熔滴过渡模式：

(1)若两相邻电弧形貌图像采集帧的电弧轮廓重叠面积小于两帧中任意一帧电弧轮廓面积的85％，则表明电弧一端处于在熔池和丝材间变换的不稳定状态，判定熔滴过渡模式为滴状过渡模式；此时由上位机控制系统输出送丝角度增大指令至送丝旋转机构，控制送丝角度增大，丝材端部高度降低，直至不呈滴状过渡模式的临界，即丝材呈连续流淌过渡；

(2)若两相邻电弧形貌图像采集帧的电弧轮廓重叠面积大于或等于两帧各自电弧轮廓面积的85％，则表明电弧两端在钨极与熔池间呈稳定状态；此时存在呈连续流淌过渡或丝材未送进熔池两种情况，将后一帧电弧轮廓沿钨极中心纵轴划分成左右两个区域：若左右区域电弧轮廓面积之差大于或等于整体电弧轮廓面积的10％，即电弧轮廓沿钨极中心纵轴不呈轴对称，则表明存在丝材送进熔池，判定熔滴过渡模式为连续流淌过渡，此时无需进行送丝角度调节；若左右区域电弧轮廓面积之差小于整体电弧轮廓面积的10％，即电弧轮廓沿钨极中心纵轴近似呈轴对称，则表明丝材未送进熔池，此时由上位机控制系统输出送丝角度减小指令至送丝旋转机构，控制送丝角度减小，丝材端部高度升高；

(3)根据上位机控制系统设定程序进行填充丝材逐层沉积，待上位机控制系统设定程序运行完成后，结束电弧增材制造过程。

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