CN112475543A - Gma增材制造路径拐点成形控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GMA增材制造路径拐点成形控制方法，所述方法包括以下步骤：GMA枪上安装辅助填丝系统，在具有路径拐点的金属构件GMA增材制造过程中，采集电流信号，进行滤波处理，得到当前时刻的电流传感值，计算机控制系统根据电流传感值和电流设定值的误差调节辅助填丝速度，控制路径拐点处金属填充量的大小，实现GMA增材制造金属构件路径拐点处成形高度的控制，本发明方法将辅助填丝机构引入GMA增材制造控制系统中，根据电流传感值与电流设定值误差实时调节辅助填丝速度以控制路径拐点处金属填充量，有效解决了GMA增材制造路径拐点处出现的驼峰问题。
Description
技术领域
本发明属于电弧熔丝增材制造技术领域，具体涉及一种GMA增材制造路径拐点成形控制方法。
背景技术
电弧增材制造以制造周期短、成形速度快、成本低等优势，近年来备受国内外研究人员的广泛关注。其中熔化极气体保护电弧(Gas Metal Arc,GMA)增材制造作为电弧增材制造的重要分支，具有堆积效率高、材料利用率高等优良特性，在中大型尺寸构件的制造上具有良好的应用前景。
采用GMA增材制造方法制备复杂结构件时，不可避免地会发生堆积路径的突变，即路径拐点。由于堆积路径的突变，GMA枪在路径拐点处会停驻一段时间，导致金属填充量增多而形成驼峰。随着堆积层数的增加，路径拐点处驼峰的高度越来越大，以致达到一定层数后，堆积无法继续进行。因此，有必要在GMA增材制造金属构件的路径拐点处采取相关措施，解决路径拐点处金属填充量增多引起的驼峰问题。
目前解决以上问题的方法主要有下述几种：(1)通过合理的路径优化方法，规划合适的堆积路径，弱化金属构件在路径拐点处出现的驼峰现象，但该方法不能完全消除路径拐点处的驼峰；(2)通过增减材复合制造手段，在完成金属构件的堆积后，进行数控铣削等加工处理，消除路径拐点处的驼峰。但该方法会延长生产周期，降低生产效率，且引入了减材设备，增加了设备成本。
发明内容
本发明的目的是为了解决GMA增材制造路径拐点处由于金属填充量增多导致的驼峰问题，提供了一种GMA增材制造路径拐点成形控制方法。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种GMA增材制造路径拐点成形控制方法，所述路径拐点为GMA增材制造过程中堆积路径发生突变的位置，在具有路径拐点的金属构件GMA增材制造过程中，采集电流信号，进行滤波处理，闭环控制器以电流传感值与电流设定值的误差作为输入信号，调节辅助填丝速度，解决路径拐点处由于焊枪停驻而导致的驼峰问题，实现了GMA增材制造路径拐点处成形高度的控制，包括以下步骤：
步骤一：调整GMA枪的姿态，使GMA枪垂直于基板，GMA枪喷嘴与基板间的距离设定为d1；在GMA枪上安装辅助填丝机构，辅助填丝机构与GMA枪的夹角为θ，辅助填丝机构导丝嘴端部平面的中心到GMA枪轴线的水平距离为d2，电弧的电流设定为I0；
步骤二：在电流为I0的条件下引燃电弧，沿堆积路径成形单层单道件，令辅助填丝速度V从0开始逐渐增大，直至辅助填丝无法继续熔化，记录此时的最大辅助填丝速度Vmax，在[η1Vmax,η2Vmax]区间内任意选取辅助填丝速度V0作为基础工作点；
步骤三：在电流为I0、辅助填丝速度为V0的条件下引燃电弧，堆积金属构件，开启电流传感器，电流信号采样频率设定为f，通过滤波算法对n个电流采样值进行滤波并消除噪声，取滤波后n个电流采样值的平均值作为当前时刻的电流传感值I，n设定为200-5000，当GMA枪运动至到路径拐点的长度小于l时，开启GMA增材制造控制系统，闭环控制器根据电流传感值I与电流设定值I0的误差进行反馈控制，输出辅助填丝速度V至辅助填丝机构，其中l设定为15-50mm；GMA枪经过路径拐点，当GMA枪到路径拐点的长度大于l时，关闭GMA增材制造控制系统，将辅助填丝速度设定为V0，第一层堆积完成后，将GMA枪提升一个设定高度h；
n的取值范围设定为200-5000是因为n过小，滤波处理的电流采样值数量少，无法有效地反应当前时刻的电流传感值，n过大，滤波时间变长，影响后续的控制效果；距离l设定为15-50mm是因为l过小，由于控制过程的时滞性，无法在路径拐点处进行有效的控制，l过大，与路径拐点距离过长，电流传感值无法反映出路径拐点附近的高度特征；
步骤四：继续执行步骤三，直至第二层、第三层以及剩余层堆积完成，实现对金属构件路径拐点成形高度的控制。
作为优选方式，步骤一中所述的夹角θ的取值范围为10°-30°，d2的取值范围为3-8mm。
作为优选方式，步骤二中所述的参数
作为优选方式，步骤三中所述的电流传感器为霍尔电流传感器。
作为优选方式，步骤三中所述的滤波算法为基于经典模态分解的小波包阈值滤波算法。
作为优选方式，步骤三中所述的采样频率f的取值范围为1kHz-10kHz。
辅助填丝机构与GMA枪夹角θ的取值范围设定为10°-30°是因为要尽量保证辅助填丝和GMA枪中所送进丝材的同轴性，以降低堆积方向改变对成形形貌的影响；d2的取值范围设定为3-8mm是因为距离大于8mm，辅助填丝不易送入熔池内，距离小于3mm，则GMA枪中所送进丝材产生的熔滴会吸附在辅助填丝上，引起电弧熄灭；η1和η2分别设定为
和
是因为在该范围内成形过程稳定，易于选择基础工作点；采样频率f的取值范围设定为1kHz-10kHz是因为f过小，会损失电流的细节信息，f过大，噪声对电流传感值影响变大；
作为优选方式，辅助填丝所使用丝材成分与GMA枪中的丝材相同。
作为优选方式，所述辅助填丝机构包括：送丝机、导丝管和导丝嘴，送丝机中的焊丝从导丝管中穿过，导丝嘴连接在导丝管末端。
作为优选方式，所述GMA增材制造控制系统包括：基板1、堆积层2、GMA增材制造电源3、GMA枪4、电流传感器5、计算机6、送丝机7、导丝管8、导丝嘴9；其中，送丝机7、导丝管8和导丝嘴9构成辅助填丝系统，GMA增材制造电源3负极与基板1连接、正极与GMA枪4连接，电流传感器5中的霍尔电流传感器与基板1和GMA枪4连接，GMA枪4和导丝嘴9通过夹具连接，GMA增材制造电源3和送丝机7通过数据采集卡连接至计算机6；电流传感器5包括霍尔电流传感器和数据采集卡，霍尔电流传感器实时采集堆积过程中的电流信号，数据采集卡将电流信号模拟量转化为数字量传输至计算机6，计算机6中的闭环控制器根据滤波后的电流传感值与电流设定值的误差进行反馈控制，发出调整信号改变送丝机7的辅助填丝速度，从而实现堆积层2路径拐点处成形高度的控制；运动执行机构为移动工作台，GMA枪4通过夹具固定在垂直移动工作台上，水平移动工作台控制基板1运动。
本发明方法的基本原理是：如图1所示，在GMA增材制造路径拐点成形控制过程中，安装辅助填丝机构，同步送丝进行堆积。如图2所示，通过电流传感器实时采集电流信号，进行滤波处理，计算当前电流传感值，在路径拐点驼峰处，GMA枪喷嘴到堆积件上表面距离减小，引起堆积电流变化，根据滤波后的电流传感值与电流设定值的误差改变辅助填丝速度，从而调节金属填充量，达到控制高度的目的。
本发明方法具有的突出优点是：在GMA增材制造路径拐点成形控制过程中，采用电流传感器实时检测堆积路径上GMA的电流信号，控制系统根据滤波后的电流传感值与电流设定值的误差，调节辅助填丝速度，从而控制路径拐点处的金属填充量。相较于传统方法，本发明将电流传感器和辅助填丝机构引入GMA增材制造路径拐点成形控制过程中，提供了解决路径拐点处由于焊枪停驻而导致驼峰问题的新思路，实现了GMA增材制造路径拐点成形高度的控制。
附图说明
图1是辅助填丝机构安装位置示意图；
图2是GMA增材制造路径拐点成形控制基本原理示意图；
图3是典型回字型金属构件示意图；
图4是本发明GMA增材制造控制系统示意图。
1为基板，2为堆积层，3为GMA增材制造电源，4为GMA枪，5为电流传感器，6为计算机，7为送丝机，8为导丝管，9为导丝嘴。
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。
如图4所示，为本发明GMA增材制造控制系统示意图，其中包括：基板1、堆积层2、GMA增材制造电源3、GMA枪4、电流传感器5、计算机6、送丝机7、导丝管8、导丝嘴9；其中，送丝机7、导丝管8和导丝嘴9构成辅助填丝系统，GMA增材制造电源3负极与基板1连接、正极与GMA枪4连接，电流传感器5中的霍尔电流传感器与基板1和GMA枪4连接，GMA枪4和导丝嘴9通过夹具连接，GMA增材制造电源3和送丝机7通过数据采集卡连接至计算机6；电流传感器5包括霍尔电流传感器和数据采集卡，霍尔电流传感器实时采集堆积过程中的电流信号，数据采集卡将电流信号模拟量转化为数字量传输至计算机6，计算机6中的闭环控制器根据滤波后的电流传感值与电流设定值的误差进行反馈控制，发出调整信号改变送丝机7的辅助填丝速度，从而实现堆积层2路径拐点处成形高度的控制；运动执行机构为移动工作台，GMA枪4通过夹具固定在垂直移动工作台上，水平移动工作台控制基板1运动。
本实施例的具体实验平台为：GMA增材制造电源为Fronius TPS4000焊机，GMA枪安装在垂直方向的移动工作台上，由步进电机的旋转控制移动工作台的移动以及移动速度。基板选取Q235低碳钢板，尺寸为300mm×300mm×10mm，填充丝材为H08Mn2Si低碳钢焊丝。工艺参数为：堆积电流150A，电弧电压22V，GMA枪行走速度5mm/s，初始辅助填丝速度1.5mm/s，保护气为95％Ar+5％CO2，气体流量为18L/min。
一种GMA增材制造路径拐点成形控制方法，所述路径拐点为GMA增材制造过程中堆积路径发生突变的位置，在具有路径拐点的金属构件GMA增材制造过程中，采集电流信号，进行滤波处理，闭环控制器以电流传感值与电流设定值的误差作为输入信号，调节辅助填丝速度，解决路径拐点处由于焊枪停驻而导致的驼峰问题，实现了GMA增材制造路径拐点处成形高度的控制，包括以下步骤：
步骤一：调整GMA枪的姿态，使GMA枪垂直于基板，GMA枪喷嘴与基板间的距离设定为d1；在GMA枪上安装辅助填丝机构，辅助填丝机构与GMA枪的夹角为θ，辅助填丝机构导丝嘴端部平面的中心到GMA枪轴线的水平距离为d2，电弧的电流设定为I0；
步骤二：在电流为I0的条件下引燃电弧，沿堆积路径成形单层单道件，令辅助填丝速度V从0开始逐渐增大，直至辅助填丝无法继续熔化，记录此时的最大辅助填丝速度Vmax，在[η1Vmax,η2Vmax]区间内任意选取辅助填丝速度V0作为基础工作点；
步骤三：在电流为I0、辅助填丝速度为V0的条件下引燃电弧，堆积金属构件，开启电流传感器，电流信号采样频率设定为f，通过滤波算法对n个电流采样值进行滤波并消除噪声，取滤波后n个电流采样值的平均值作为当前时刻的电流传感值I，n设定为200-5000，当GMA枪运动至到路径拐点的长度小于l时，开启GMA增材制造控制系统，闭环控制器根据电流传感值I与电流设定值I0的误差进行反馈控制，输出辅助填丝速度V至辅助填丝机构，其中l设定为15-50mm；GMA枪经过路径拐点，当GMA枪到路径拐点的长度大于l时，关闭GMA增材制造控制系统，将辅助填丝速度设定为V0，第一层堆积完成后，将GMA枪提升一个设定高度h；
步骤四：继续执行步骤三，直至第二层、第三层以及剩余层堆积完成，实现对金属构件路径拐点成形高度的控制。
步骤一中所述的夹角θ的取值范围为10°-30°，d2的取值范围为3-8mm。
步骤二中所述的参数
步骤三中所述的电流传感器为霍尔电流传感器。
步骤三中所述的滤波算法为基于经典模态分解的小波包阈值滤波算法。
步骤三中所述的采样频率f的取值范围为1kHz-10kHz。
辅助填丝所使用丝材成分与GMA枪中的丝材相同。
所述辅助填丝机构包括：送丝机、导丝管和导丝嘴，送丝机中的焊丝从导丝管中穿过，导丝嘴连接在导丝管末端。
图2中I1、I2、V1、V2表示不同的电流传感值和辅助填丝速度。
本实施例所堆积的典型回字型金属构件示意图如图3所示。
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 (9)
1.一种GMA增材制造路径拐点成形控制方法，其特征在于，所述路径拐点为GMA增材制造过程中堆积路径发生突变的位置，在具有路径拐点的金属构件GMA增材制造过程中，采集电流信号，进行滤波处理，闭环控制器以电流传感值与电流设定值的误差作为输入信号，调节辅助填丝速度，解决路径拐点处由于焊枪停驻而导致的驼峰问题，实现了GMA增材制造路径拐点处成形高度的控制，包括以下步骤：
步骤一：调整GMA枪的姿态，使GMA枪垂直于基板，GMA枪喷嘴与基板间的距离设定为d1；在GMA枪上安装辅助填丝机构，辅助填丝机构与GMA枪的夹角为θ，辅助填丝机构导丝嘴端部平面的中心到GMA枪轴线的水平距离为d2，电弧的电流设定为I0；
步骤二：在电流为I0的条件下引燃电弧，沿堆积路径成形单层单道件，令辅助填丝速度V从0开始逐渐增大，直至辅助填丝无法继续熔化，记录此时的最大辅助填丝速度Vmax，在[η1Vmax,η2Vmax]区间内任意选取辅助填丝速度V0作为基础工作点；
步骤三：在电流为I0、辅助填丝速度为V0的条件下引燃电弧，堆积金属构件，开启电流传感器，电流信号采样频率设定为f，通过滤波算法对n个电流采样值进行滤波并消除噪声，取滤波后n个电流采样值的平均值作为当前时刻的电流传感值I，n设定为200-5000，当GMA枪运动至到路径拐点的长度小于l时，开启GMA增材制造控制系统，闭环控制器根据电流传感值I与电流设定值I0的误差进行反馈控制，输出辅助填丝速度V至辅助填丝机构，其中l设定为15-50mm；GMA枪经过路径拐点，当GMA枪到路径拐点的长度大于l时，关闭GMA增材制造控制系统，将辅助填丝速度设定为V0，第一层堆积完成后，将GMA枪提升一个设定高度h；
步骤四：继续执行步骤三，直至第二层、第三层以及剩余层堆积完成，实现对金属构件路径拐点成形高度的控制。
2.根据权利要求1所述的一种GMA增材制造路径拐点成形控制方法，其特征在于：步骤一中所述的夹角θ的取值范围为10°-30°，d2的取值范围为3-8mm。
3.根据权利要求1所述的一种GMA增材制造路径拐点成形控制方法，其特征在于：步骤二中所述的参数
4.根据权利要求1所述的一种GMA增材制造路径拐点成形控制方法，其特征在于：步骤三中所述的电流传感器为霍尔电流传感器。
5.根据权利要求1所述的一种GMA增材制造路径拐点成形控制方法，其特征在于：步骤三中所述的滤波算法为基于经典模态分解的小波包阈值滤波算法。
6.根据权利要求1所述的一种GMA增材制造路径拐点成形控制方法，其特征在于：步骤三中所述的采样频率f的取值范围为1kHz-10kHz。
7.根据权利要求1所述的一种GMA增材制造路径拐点成形控制方法，其特征在于：辅助填丝所使用丝材成分与GMA枪中的丝材相同。
8.根据权利要求1所述的一种GMA增材制造路径拐点成形控制方法，其特征在于：所述辅助填丝机构包括：送丝机、导丝管和导丝嘴，送丝机中的焊丝从导丝管中穿过，导丝嘴连接在导丝管末端。
9.根据权利要求1所述的一种GMA增材制造路径拐点成形控制方法，其特征在于：所述GMA增材制造控制系统包括：基板(1)、堆积层(2)、GMA增材制造电源(3)、GMA枪(4)、电流传感器(5)、计算机(6)、送丝机(7)、导丝管(8)、导丝嘴(9)；其中，送丝机(7)、导丝管(8)和导丝嘴(9)构成辅助填丝系统，GMA增材制造电源(3)负极与基板(1)连接、正极与GMA枪(4)连接，电流传感器(5)中的霍尔电流传感器与基板(1)和GMA枪(4)连接，GMA枪(4)和导丝嘴(9)通过夹具连接，GMA增材制造电源(3)和送丝机(7)通过数据采集卡连接至计算机(6)；电流传感器(5)包括霍尔电流传感器和数据采集卡，霍尔电流传感器实时采集堆积过程中的电流信号，数据采集卡将电流信号模拟量转化为数字量传输至计算机(6)，计算机(6)中的闭环控制器根据滤波后的电流传感值与电流设定值的误差进行反馈控制，发出调整信号改变送丝机(7)的辅助填丝速度，从而实现堆积层(2)路径拐点处成形高度的控制；运动执行机构为移动工作台，GMA枪(4)通过夹具固定在垂直移动工作台上，水平移动工作台控制基板(1)运动。
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