CN112677477A - 一种集成多传感器的多轴增材制造智能监控及检测系统 - Google Patents

Abstract

一种集成多传感器的多轴增材制造智能监控及检测系统，包括多传感器监控系统、智能多轴增材制造平台、终端、控制系统，终端包括多数据信息处理中心和人机界面，控制系统包括控制器、通信模块，多传感器监控系统设在智能多轴增材制造平台上，多传感器监控系统分别与智能多轴增材制造平台、终端、控制器相连，终端的人机界面与控制系统的通信模块相连；本发明能够更好地实现多传感器实时监控加工过程和获取制造部件性能指标。集成多传感器的增材制造系统能实时全面地监控增材制造过程中的材料成型过程及该过程的温度梯度变化，并通过无损检测传感器获取成型部件局部或整体的性能特征，实现构件成型缺陷监测以及精准控制材料空间排布。

Description

一种集成多传感器的多轴增材制造智能监控及检测系统

技术领域

本发明属于多轴机械臂增材制造技术领域，具体涉及一种集成多传感器的多轴增材制造智能监控及检测系统。

背景技术

虽然在国内外近几年的研究中，增材制造技术有了质的飞跃，尤其汽车、航空航天等领域。但目前大多数增材制造技术并没有利用传感器数据来实时纠正增材过程，基本上是在一个开环上运行，据此预定义的打印参数决定了零件的质量和成功。工艺过程的在线监控对于推动增材制造在工业大规模应用有着极其重要的意义。一方面，通过监测可能出现的缺陷信号以及时修正和控制相关工艺有助于提供工艺可靠性；另一方面，记录的制造工艺参数信息也使得成型件质量可追溯，有助于推动增材制造在航空航天等高端应用的落地。

目前，比利时鲁汶大学、芬兰拉彭兰塔理工大学等对增材制造过程熔池尺寸和温度场在线监控、工艺参数反馈控制进行了研究；西班牙加泰罗尼亚理工大学、美国国家标准与技术研究院等进行了在线和离线超声检测增材类试样内部缺陷研究；清华大学、英国曼彻斯特大学、澳大利亚蒙纳士大学等进行了增材试样缺陷离线X射线检测研究。橡树岭国家实验室的研究人员开发了一个基于人工智能的软件，能够实时监控PBF 3D打印过程。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的工程师正在利用机器学习算法来监测预防金属3D打印部件的缺陷；卡内基梅隆大学工程学院的研究人员也在将计算机视觉算法用于激光粉末床增材制造过程，并实现了工艺的实时控制。南京理工大学牵头的“智能化增材制造系统平台”项目，主要针对航空、航天、兵器等领域关键构件快速、可靠、高质量定制化研制生产的迫切需求，研发过程监测与控制等关键智能模组，形成在线监测反馈系统及装备自诊断系统。

现有的增材制造监测系统，多为单一传感器监测系统。这种监测系统利用单一传感器监测部件性能，缺乏对增材制造过程中部件的工艺参数以及性能参数的全面监测，很难达到提高制造效率以及保证部件质量的目的。

同时目前工艺监测系统与性能检测系统多为分离模块，极少有工艺开发装备兼具实时工艺监测系统与性能的无损检测系统；如何实现这两类系统的协同工作并耦合工艺机理表征仍然未在现有增材制造装备中得到应用。

发明内容

有鉴于此，为解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种集成多传感器的多轴增材制造智能监控及检测系统，能够更好地实现多传感器实时监控加工过程和获取制造部件性能指标。集成多传感器的增材制造系统能实时全面地监控增材制造过程中的材料成型过程及该过程的温度梯度变化，并通过无损检测传感器获取成型部件局部/整体的性能特征，实现构件成型缺陷监测以及精准控制材料空间排布，从而提高制造效率，构件质量和工艺稳定性，并降低制造成本。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种集成多传感器的多轴增材制造智能监控及检测系统，包括多传感器监控系统、智能多轴增材制造平台、终端、控制系统，所述终端包括多数据信息处理中心和人机界面，控制系统包括控制器、通信模块，多传感器监控系统设在智能多轴增材制造平台上，所述多传感器监控系统分别与智能多轴增材制造平台、终端、控制器相连，所述终端的人机界面与控制系统的通信模块相连；

所述多传感器监控系统用于实时监控和检测增材制造部件的工艺过程和性能特征，所述终端用于从多传感器接收多个数据并反馈多个数据，所述控制器从终端接收多个反馈数据并驱动增材制造平台按反馈工艺参数打印部件。

进一步的，所述多传感器监控系统集成多个工艺监控传感器和性能测试传感器，所述工艺监控传感器包括陀螺仪、光学传感器、热学传感器这些实时监测效能的传感器，所述性能测试传感器包括电磁传感器、超声波传感器这些无损检测效能的传感器。

进一步的，所述智能多轴增材制造平台包括第一多轴机械臂、打印喷头、运动平台，所述打印喷头设在第一多轴机械臂的前端，运动平台用于支撑增材制造部件，所述控制系统的控制器连接并控制第一多轴机械臂、打印喷头、运动平台和多传感器监控系统。

进一步的，所述控制器依据通信模块的数据信息驱动第一多轴机械臂带动打印喷头在运动平台上完成零件初始层构建，同时多传感器监控系统实时监测初始层的工艺过程和性能特征，陀螺仪监测并实时调整第一多轴机械臂的位置变化，光学传感器监测初始层构建过程中部件缺陷以及成型材料的空间排布，热学传感器监测打印喷头温度变化及成型结构的温度梯度，电磁传感器和超声波传感器完成成型过程中部件的性能的无损检测；所述终端实时读取多传感器监控系统中的工艺监控传感器和性能测试传感器获取的数据，多数据信息处理中心对工艺过程参数数据和性能参数数据进行融合，筛选以及决策，并传送已处理参数数据到人机界面。

进一步的，所述工艺参数数据通过人机界面反馈到通信模块，以便驱动控制器实时调整智能多轴增材制造平台；所述多数据信息处理中心同时传送性能参数数据到人机界面，使得人机界面实时可视化部件的性能。

进一步的，所述智能多轴增材制造平台包括第二多轴机械臂、同轴送粉熔覆头、多轴平台、激光，所述同轴送粉熔覆头、多轴平台、激光均设在第二多轴机械臂前端，多轴平台用于支撑熔覆部件，所述控制系统的控制器连接并控制第二多轴机械臂、同轴送粉熔覆头、多轴平台、激光。

进一步的，通过终端的人机界面发送初始构建参数到控制系统的通信模块，控制器依据通信模块的数据信息驱动第二多轴机械臂带动同轴送粉熔覆头在多轴平台上完成初始熔覆，同时多传感器监控系统实时监控熔覆工艺过程和检测熔覆层性能指标，陀螺仪监测并实时调整第二多轴机械臂的位置变化，光学传感器监测初始熔覆层的表面形貌，热学传感器监测激光融化的温度梯度，电磁传感器和超声波传感器完成熔覆层的性能的无损检测；所述终端实时读取多传感器监控系统中的工艺监控传感器和性能测试传感器监测到的数据，多数据信息处理中心对工艺过程参数数据和性能特征参数数据进行融合，筛选以及决策，并传送已处理参数数据到人机界面。

进一步的，所述工艺参数数据通过人机界面反馈到通信模块，以便驱动控制器实时调整智能多轴增材制造平台，所述多数据信息处理中心同时传送性能参数数据到人机界面，使得人机界面实时可视化熔覆层的性能。

本发明的有益效果是：

本发明的一种集成多传感器的多轴增材制造智能监控及检测系统，能够更好地实现多传感器实时监测工艺过程和检测部件性能，通过数据在线分析及融合，完成制造工艺参数的实时反馈调控。集成多传感器的增材制造系统能实时全面地监控增材制造过程和检测成型部件的性能特征，实现构件成型缺陷监测以及精准控制材料的空间排布，从而提高制造效率，构件质量和工艺稳定性，并降低制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的系统原理框图；

图2为本发明的工作原理示意图；

图3为实施例一的系统结构示意图；

图4为实施例一的工作流程图；

图5为实施例二的系统结构示意图；

图6为实施例二的工作流程图；

图中标记：1、性能测试传感器，101、电磁传感器，102、超声波传感器， 2、工艺监控传感器，201、陀螺仪，202、光学传感器，203、热学传感器， 3、多传感器监控系统，4、控制系统，401、控制器，402、通信模块，5、终端，501、多数据信息处理中心，502、人机界面，6、智能多轴增材制造平台，7、第一多轴机械臂，8、打印喷头，9、运动平台，10、第二多轴机械臂，11、同轴送粉熔覆头，12、多轴平台，13、激光。

具体实施方式

下面给出具体实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整、详细地说明。本实施例是以本发明技术方案为前提的最佳实施例，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种集成多传感器的多轴增材制造智能监控及检测系统，包括多传感器监控系统3、智能多轴增材制造平台6、终端5、控制系统4，所述终端5包括多数据信息处理中心501和人机界面502，控制系统4包括控制器401、通信模块402，多传感器监控系统3设在智能多轴增材制造平台6上，所述多传感器监控系统3分别与智能多轴增材制造平台6、终端5、控制器401相连，所述终端5的人机界面502与控制系统4的通信模块402相连；

所述多传感器监控系统3用于实时监控和检测增材制造部件的工艺过程和性能特征，所述终端5用于从多传感器接收多个数据并反馈多个数据，所述控制器401从终端5接收多个反馈数据并驱动增材制造平台按反馈工艺参数打印部件。进一步的，多数据信息处理中心501包括多数据信息处理算法，多数据信息处理算法包括机器学习。人机界面502进一步可视化部件性能和反馈数据至控制系统4。

进一步的，所述多传感器监控系统3集成多个工艺监控传感器2和性能测试传感器1，所述工艺监控传感器2包括陀螺仪201、光学传感器202、热学传感器203这些实时监测效能的传感器，所述性能测试传感器1包括电磁传感器101、超声波传感器102这些无损检测效能的传感器。

实施例一

进一步的，本实施例主要介绍的是基于本发明的一种集成多传感器的多轴增材制造智能监控及检测系统，所述智能多轴增材制造平台6包括第一多轴机械臂7、打印喷头8、运动平台9，所述打印喷头8设在第一多轴机械臂7的前端，所述打印喷头8用于输送制造材料；运动平台9用于支撑增材制造部件，所述控制系统4的控制器401连接并控制第一多轴机械臂7、打印喷头8、运动平台9和多传感器监控系统3。

进一步的，该实施例的一种集成多传感器的多轴增材制造智能监控及检测系统，其具体工作流程为：

所述控制器401依据通信模块402的数据信息驱动第一多轴机械臂7带动打印喷头8在运动平台9上完成零件初始层构建，同时多传感器监控系统3实时监测初始层的工艺过程和性能特征，陀螺仪201监测并实时调整第一多轴机械臂7的位置变化，光学传感器202监测初始层构建过程中部件缺陷以及成型材料的空间排布，热学传感器203监测打印喷头8温度变化及成型结构的温度梯度，电磁传感器101和超声波传感器102完成成型过程中部件的性能的无损检测；所述终端5实时读取多传感器监控系统3中的工艺监控传感器2和性能测试传感器1获取的数据，多数据信息处理中心501对工艺过程参数数据和性能参数数据进行融合，筛选以及决策，并传送已处理参数数据到人机界面502。

进一步的，所述工艺参数数据通过人机界面502反馈到通信模块402，以便驱动控制器401实时调整智能多轴增材制造平台6；所述多数据信息处理中心501同时传送性能参数数据到人机界面502，使得人机界面502实时可视化部件的性能。重复以上监测以及反馈过程，直至零件制造完成。

本实施例中，通过上述多传感器监控系统3实时监测，终端5数据融合、筛选、决策以及实时反馈工艺参数，二者之间共同作用，以保证能实时精准控制成型材料的空间排布和避免增材制造过程中的制造缺陷，优化加工过程，提高成品率和产品质量。

多数据信息处理中心501的人工智能算法根据多传感器获取的零件表面形态图像、打印喷头热成像图像、挤出丝图像分析增材过程中的工艺数据、并筛选和反馈最终的最优工艺参数到增材制造过程，在此人工智能算法包括机器学习。

陀螺仪201实时调整多轴机械臂的位置，确保多轴机械臂定位精度，光学传感器202实时获取增材过程中的零件表面形态图像，热学传感器203获取打印喷头和挤出丝热成像图像，电磁传感器101和超声波传感器102实时监测零件的性能参数。

实施例二

进一步的，本实施例主要介绍的是基于本发明的一种集成多传感器的智能熔覆增材制造监控及检测系统，所述智能多轴增材制造平台6包括第二多轴机械臂10、同轴送粉熔覆头11、多轴平台12、激光13，所述同轴送粉熔覆头11、多轴平台12、激光13均设在第二多轴机械臂10前端，多轴平台12用于支撑熔覆部件，所述控制系统4的控制器401连接并控制第二多轴机械臂10、同轴送粉熔覆头11、多轴平台12、激光13。

进一步的，该实施例的一种集成多传感器的智能熔覆增材制造监控及检测系统，其具体工作流程为：

通过终端5的人机界面502发送初始构建参数到控制系统4的通信模块402，控制器401依据通信模块402的数据信息驱动第二多轴机械臂10带动同轴送粉熔覆头11在多轴平台12上完成初始熔覆，同时多传感器监控系统3实时监控熔覆工艺过程和检测熔覆层性能指标，陀螺仪201监测并实时调整第二多轴机械臂10的位置变化，光学传感器202监测初始熔覆层的表面形貌，热学传感器203监测激光融化的温度梯度，电磁传感器101和超声波传感器102完成熔覆层的性能的无损检测；所述终端5实时读取多传感器监控系统3中的工艺监控传感器2和性能测试传感器1监测到的数据，多数据信息处理中心501对工艺过程参数数据和性能特征参数数据进行融合，筛选以及决策，并传送已处理参数数据到人机界面502。

进一步的，所述工艺参数数据通过人机界面502反馈到通信模块402，以便驱动控制器401实时调整智能多轴增材制造平台6，所述多数据信息处理中心501同时传送性能参数数据到人机界面502，使得人机界面502实时可视化熔覆层的性能。重复以上监测以及反馈过程，直至熔覆完成。

本实施例中，通过上述多传感器监控系统3实时监测，终端5数据融合、筛选、决策以及实时反馈工艺参数，二者之间共同作用，以保证能实时精准控制及优化熔覆过程，提高成品率和产品质量。

终端5可采用计算机，多数据处理算法采用人工智能算法，人工智能算法根据多传感器获取的熔覆表面形态图像、扫描速度、激光功率分析熔覆过程中的工艺数据、并筛选和反馈最终的最优工艺参数到熔覆过程，在此人工智能算法包括机器学习。

陀螺仪201实时调整第二多轴机械臂10的位置，确保第二多轴机械臂10定位精度，光学传感器202实时获取熔覆过程中的零件表面形貌，热学传感器203获取激光融化粉热成像图像，电磁传感器101和超声波传感器102完成成型过程中部件的性能的无损检测。

综上所述，本发明的一种集成多传感器的多轴增材制造智能监控及检测系统，能够更好地实现多传感器实时监控加工过程和获取制造部件性能指标。集成多传感器的增材制造系统能实时全面地监控增材制造过程中的材料成型过程及该过程的温度梯度变化，并通过无损检测传感器获取成型部件局部/整体的性能特征，实现构件成型缺陷监测以及精准控制材料空间排布，从而提高制造效率，构件质量和工艺稳定性，并降低制造成本。

以上显示和描述了本发明的主要特征、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种集成多传感器的多轴增材制造智能监控及检测系统，其特征在于：包括多传感器监控系统（3）、智能多轴增材制造平台（6）、终端（5）、控制系统（4），所述终端（5）包括多数据信息处理中心（501）和人机界面（502），控制系统（4）包括控制器（401）、通信模块（402），多传感器监控系统（3）设在智能多轴增材制造平台（6）上，所述多传感器监控系统（3）分别与智能多轴增材制造平台（6）、终端（5）、控制器（401）相连，所述终端（5）的人机界面（502）与控制系统（4）的通信模块（402）相连；

所述多传感器监控系统（3）用于实时监控和检测增材制造部件的工艺过程和性能特征，所述终端（5）用于从多传感器接收多个数据并反馈多个数据，所述控制器（401）从终端（5）接收多个反馈数据并驱动增材制造平台按反馈工艺参数打印部件。

2.根据权利要求1所述的一种集成多传感器的多轴增材制造智能监控及检测系统，其特征在于：所述多传感器监控系统（3）集成多个工艺监控传感器（2）和性能测试传感器（1），所述工艺监控传感器（2）包括陀螺仪（201）、光学传感器（202）、热学传感器（203）这些实时监测效能的传感器，所述性能测试传感器（1）包括电磁传感器（101）、超声波传感器（102）这些无损检测效能的传感器。

3.根据权利要求1所述的一种集成多传感器的多轴增材制造智能监控及检测系统，其特征在于：所述智能多轴增材制造平台（6）包括第一多轴机械臂（7）、打印喷头（8）、运动平台（9），所述打印喷头（8）设在第一多轴机械臂（7）的前端，运动平台（9）用于支撑增材制造部件，所述控制系统（4）的控制器（401）连接并控制第一多轴机械臂（7）、打印喷头（8）、运动平台（9）和多传感器监控系统（3）。

4.根据权利要求3所述的一种集成多传感器的多轴增材制造智能监控及检测系统，其特征在于：所述控制器（401）依据通信模块（402）的数据信息驱动第一多轴机械臂（7）带动打印喷头（8）在运动平台（9）上完成零件初始层构建，同时多传感器监控系统（3）实时监测初始层的工艺过程和性能特征，陀螺仪（201）监测并实时调整第一多轴机械臂（7）的位置变化，光学传感器（202）监测初始层构建过程中部件缺陷以及成型材料的空间排布，热学传感器（203）监测打印喷头（8）温度变化及成型结构的温度梯度，电磁传感器（101）和超声波传感器（102）完成成型过程中部件的性能的无损检测；所述终端（5）实时读取多传感器监控系统（3）中的工艺监控传感器（2）和性能测试传感器（1）获取的数据，多数据信息处理中心（501）对工艺过程参数数据和性能参数数据进行融合，筛选以及决策，并传送已处理参数数据到人机界面（502）。

5.根据权利要求4所述的一种集成多传感器的多轴增材制造智能监控及检测系统，其特征在于：所述工艺参数数据通过人机界面（502）反馈到通信模块（402），以便驱动控制器（401）实时调整智能多轴增材制造平台（6）；所述多数据信息处理中心（501）同时传送性能参数数据到人机界面（502），使得人机界面（502）实时可视化部件的性能。

6.根据权利要求1所述的一种集成多传感器的多轴增材制造智能监控及检测系统，其特征在于：所述智能多轴增材制造平台（6）包括第二多轴机械臂（10）、同轴送粉熔覆头（11）、多轴平台（12）、激光（13），所述同轴送粉熔覆头（11）、多轴平台（12）、激光（13）均设在第二多轴机械臂（10）前端，多轴平台（12）用于支撑熔覆部件，所述控制系统（4）的控制器（401）连接并控制第二多轴机械臂（10）、同轴送粉熔覆头（11）、多轴平台（12）、激光（13）。

7.根据权利要求6所述的一种集成多传感器的多轴增材制造智能监控及检测系统，其特征在于：通过终端（5）的人机界面（502）发送初始构建参数到控制系统（4）的通信模块（402），控制器（401）依据通信模块（402）的数据信息驱动第二多轴机械臂（10）带动同轴送粉熔覆头（11）在多轴平台（12）上完成初始熔覆，同时多传感器监控系统（3）实时监控熔覆工艺过程和检测熔覆层性能指标，陀螺仪（201）监测并实时调整第二多轴机械臂（10）的位置变化，光学传感器（202）监测初始熔覆层的表面形貌，热学传感器（203）监测激光融化的温度梯度，电磁传感器（101）和超声波传感器（102）完成熔覆层的性能的无损检测；所述终端（5）实时读取多传感器监控系统（3）中的工艺监控传感器（2）和性能测试传感器（1）监测到的数据，多数据信息处理中心（501）对工艺过程参数数据和性能特征参数数据进行融合，筛选以及决策，并传送已处理参数数据到人机界面（502）。

8.根据权利要求7所述的一种集成多传感器的多轴增材制造智能监控及检测系统，其特征在于：所述工艺参数数据通过人机界面（502）反馈到通信模块（402），以便驱动控制器（401）实时调整智能多轴增材制造平台（6），所述多数据信息处理中心（501）同时传送性能参数数据到人机界面（502），使得人机界面（502）实时可视化熔覆层的性能。

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