CN114669833A - 一种基于熔池监测实时调控电弧增材性能成形稳定性的装置及方法 - Google Patents
一种基于熔池监测实时调控电弧增材性能成形稳定性的装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于熔池监测实时调控电弧增材性能成形稳定性的装置及方法，属于电弧增材技术领域，包括电弧增材模块、信息采集及处理模块、智能库控制模块以及水冷模块。其中信息采集及处理模块可实现对电弧增材过程中熔池状态及沉积层高的实时监测，并将拍摄到的图像信息特征点简化为数据，传递至智能库控制模块存储；其中智能库控制模块包含已存专家系统部分和实时收集到的数据，通过比对数据实时调节电弧增材模块及水冷模块参数。该发明通过简化熔池信息实现对电弧增材过程的实时监测与调控，在不降低电弧增材效率的同时极大提高了电弧增材的成形质量与精度。
Description
技术领域：
本发明属于电弧增材技术领域，尤其涉及一种基于熔池监测实时调控电弧增材成形稳定性的装置及方法。
背景技术：
增材制造技术(又称3D打印)是基于离散-堆积原理，以数字模型为基础，将金属或非金属按照既定厚度既定路径，层层堆积，最后成型的工艺。因其无需传统的刀具减材就可加工成型，减少工序，缩短了加工时间，非常适用于低成本小批量制造，是目前极具潜力的加工制造方法。
其中电弧增材制造基于堆焊技术为应对大型化、整体化航天结构件的增材制造需求，逐步发展起来。以电弧为热源，通过丝材的添加逐渐成形出金属零件的先进数字化制造技术。成形零件由全焊缝构成，化学成分均匀、致密度高，开放的成形环境对成形件尺寸无限制，成形速率很快。
但在电弧增材加工时会产生大量烟雾和刺眼弧光，工作环境非常恶劣，严重危害着工人的身体健康。且电弧增材制造的零件表面波动较大，成形件表面质量较低，一般需进行二次表面机加工。在传统的熔池监测技术中，监测器往往是被固定的，视角非常单一，收集的图片只能在加工结束后作为分析资料而被使用。同时受制于存储图片所需内存非常庞大，无法长时间启动设备，更难以利用收集的图片进行实时调整扫描策略，这大大限制了电弧增材制造技术的发展。
发明内容：
本发明的目的是针对背景技术中存在的问题和不足加以改进和创新，以提供一种基于熔池监测实时调控电弧增材成形稳定性的装置及方法，在不降低电弧增材效率的同时极大提高电弧增材的成形质量与精度，在加工过程积累学习资料，实现电弧增材智能作业。
本发明专利通过以下技术方案实现：
一种基于熔池监测实时调控电弧增材成形稳定性的装置，包括：电弧增材模块、信息采集及处理模块、智能库控制模块以及水冷模块。
所述电弧增材模块包括：焊机、焊枪、焊丝和夹具；
所述焊枪用于服从分析系统指令，在基板上根据设置好的路径规划及工艺参数，通过电弧热源熔化焊丝逐层打印，直至样品打印完成；
所述夹具包括：转动支撑轴、卡销和支撑架。所述支撑架水平放置，其上有三道滑槽；其中一道滑槽位于支撑架一端，通过转动支撑轴连接位移传感器；另两道滑槽分别位于支撑架另一端两面，通过转动支撑轴分别连接高速相机与热成像仪；其中高速相机与位移传感器位于同一侧；所述支撑架中间有一卡销，卡销上附有螺孔，可通过螺栓将焊枪固定，使高速相机、热成像仪、位移传感器和焊枪同步移动。
进一步地，转动支撑轴可以在支撑架的水平槽上自由滑动，并可做360°旋转。
进一步地，堆焊方式可选用MIG焊或者TIG焊。
所述信息采集及处理模块包括：高速相机、热成像仪、位移传感器和计算机处理系统；
所述高速相机用于实时拍摄熔池形貌；所述热成像仪用于实时监测熔池及其周边温度；所述位移传感器用于实时监测已成型沉积层的高度；所述计算机处理系统用于将高速相机、热成像仪和位移传感器收集的信息简化为特征数据传递至智能库控制模块存储。
进一步地，高速相机与热成像仪采集区域始终位于熔池及其行进方向前端部分；位移传感器采集区域始终位于行进方向后端部分，两个采集区域相对位置保持固定。
进一步地，在计算机处理系统中，高速相机实时传递的熔池图片信息简化为特殊数据点熔池高度H、熔池深度h、熔池宽度W和熔池半高宽w存储，热成像仪实时传递的信息简化为熔池最宽位置三等分点处温度存储，位移传感器实时传递焊枪与已成型焊道的距离a；
所述智能库控制模块包括：专家系统、实时收集数据系统和分析系统；
所述专家系统为各材料对应电弧增材的工艺数据库；所述实时收集数据系统用于实时存储计算机处理系统传递的信息，并将有效数据传递至专家系统，实时更新专家系统的工艺数据库；所述分析系统用于对打印件分层切片及路径规划，并智能调节电弧增材过程工艺参数及水冷模块参数。
进一步地，分析系统依据专家系统对打印件制定电弧增材策略。
所述水冷模块包括：温度调节装置、水冷管和水箱；
所述温度调节装置用于接收分析系统指令，调节水箱温度；所述水冷管弯曲排布于工作台面下，通过管内的低温水降低打印件温度，减少增材过程中的热积累，提高打印件精度。
进一步地，水温升降步长为5℃。
一种基于熔池监测实时调控电弧增材成形稳定性的方法，包括以下步骤：
1)将打印件数模输入到分析系统中；
2)由分析系统依据专家系统对模型进行分层切片及电弧增材策略设计；
3)启动温度调节装置，将水注入水冷管中，启动高速相机、热成像仪和位移传感器并调整其视角收集熔池与沉积层高度信息，启动焊机，焊枪按照分析系统的电弧增材策略作业一层；
4)将有效数据传递至专家系统，实时更新专家系统；
5)重复步骤2)-4)直至打印件加工完成；
6)依次关闭电弧增材发生器、高速相机、热成像仪、位移传感器和温度调节装置，打印结束。
进一步地，在其上所述的打印步骤2)中，打印初期，专家系统中若缺失待打印件相关工艺参数，可手动添加；
进一步地，在其上所述的打印步骤3)中，高速相机、热成像仪和位移传感器实时将收集到的信息传递至计算机处理系统进行简化，顺次存储在实时收集数据系统，并将有效数据导入专家系统，对专家系统的工艺数据库实时更新。
具体地，与专家系统数据相比，熔池高度容差在0.5mm以内、熔池宽度容差在0.5mm以内，由热成像仪得到的温度容差在5℃以内表明熔池处于稳定状态，由位移传感器得到的已成型沉积层的高度容差在0.5mm以内表明成型稳定可进行下一层作业；否则分析系统重新调节电弧增材过程工艺参数及水冷模块参数。
进一步地，上述容差范围可根据精度要求进行调节。
本发明的优点及有益成果为：
本发明采用将高速相机、热成像仪及位移传感器通过夹具集成在一起，与焊枪采用同一套坐标系而无需重复定位，减少误差，采集信息更加精准；
本发明将高速相机、热成像仪和位移传感器收集的图像数据传递至数据分析器中，将需要大量内存的图片简化为特征信息存储，减轻存储负担，保证分析系统流畅调用数据实现实时反馈，在不降低电弧增材效率的同时极大提高了电弧增材的成形质量与精度；
本发明采用将水冷管置于工作台下，根据传感器反馈给计算机控制系统的信息调节水温，减少电弧增材过程中的热累积，细化晶粒，提高打印件质量；
本发明采用高速相机与热成像仪同时实时监测熔池状态，多方位信息融合表达熔池形态及温度信息，采用位移传感器实时监控已凝固熔高，利用反馈信息修改分层切片及扫描策略，形成完整的闭环系统，无需人工监测，可实现多种类小批量的定制生产。
附图说明：
图1为基于熔池监测实时调控电弧增材成形稳定性的装置示意图；
图2为基于熔池监测实时调控电弧增材成形稳定性的夹具细节示意图；
图3为基于熔池监测实时调控电弧增材成形稳定性的信息传递示意图；
图4为基于熔池监测实时调控电弧增材成形稳定性的方法流程图。
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，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
图1中编号表示：1-计算机控制系统；2-焊机；3-送丝机构；4-温度调节装置；5-夹具；6-焊丝；7-高速相机；8-热成像仪；9-位移传感器；10-保护气瓶； 11-水箱；12-基板；13-打印件；14-工作台；15-冷却管；16-焊枪；
图2中编号表示：51-螺丝；52-滑轨；53-卡销；54-螺母；55-垫圈；56-螺栓； 57-滑块；58-转动支撑抽。
具体实施方式：
下面结合具体事例对本发明进一步具体详细说明。
本发明实例提供一种基于熔池监测实时调控电弧增材成形稳定性的装置，如下图1所示。采用本发明方法打印某型号变截面单壁墙，具体如下：
该发明包括：电弧增材模块、信息采集及处理模块、智能库控制模块1以及水冷模块。
所述电弧增材模块包括：焊机2、焊枪16、焊丝6和夹具5；
所述焊枪16用于服从分析系统指令，在基板上根据设置好的路径规划及工艺参数，通过电弧热源熔化焊丝逐层打印，直至样品打印完成；
所述夹具5包括：转动支撑轴58、卡销53和支撑架59。所述支撑架59水平放置，其上有三道滑轨52；其中一道滑轨52位于夹具一端，通过转动支撑轴 58连接位移传感器；另两道滑轨52分别位于夹具5另一端两面，通过转动支撑轴58分别连接高速相机7与热成像仪8；其中高速相机7与位移传感器9位于同一侧；所述夹具5中间有一卡销53，卡销53上附有螺孔，可通过螺栓56将焊枪15固定，使高速相机7、热成像仪8、位移传感器9和焊枪16同步移动。
进一步地，转动支撑轴58可以在支撑架59的水平槽上自由滑动，并可做 360°旋转。
进一步地，堆焊方式可选用MIG焊。
所述信息采集及处理模块包括：高速相机7、热成像仪8、位移传感器9和计算机处理系统；
所述高速相机7用于实时拍摄熔池形貌；所述热成像仪8用于实时监测熔池及其周边温度；所述位移传感器9用于实时监测焊枪与已成型焊道的距离；所述计算机处理系统用于将高速相机7、热成像仪8和位移传感器9收集的信息简化为特征数据传递至智能库控制模块存储。
进一步地，高速相机7与热成像仪8采集区域始终位于熔池及其行进方向前端部分；位移传感器9采集区域始终位于行进方向后端部分，两个采集区域相对位置保持固定。
进一步地，在计算机处理系统中，高速相机7实时传递的熔池图片信息简化为特殊数据点熔池高度H、熔池深度h、熔池宽度W和熔池半高宽w存储，热成像仪8实时传递的信息简化为熔池最宽位置三等分点处温度存储；
所述智能库控制模块1包括：专家系统、实时收集数据系统和分析系统；
所述专家系统为各材料对应电弧增材的工艺数据库；所述实时收集数据系统用于实时存储计算机处理系统传递的信息，并将有效数据传递至专家系统，实时更新专家系统的工艺数据库；所述分析系统用于对打印件分层切片及路径规划，并智能调节电弧增材过程工艺参数及水冷模块参数。
进一步地，分析系统依据专家系统对打印件制定电弧增材策略。
所述水冷模块包括：温度调节装置4、水冷管15和水箱11；
所述温度调节装置4用于接收分析系统指令，调节水箱11温度；所述水冷管15弯曲排布于工作台14面下，通过管内的低温水降低打印件温度，减少增材过程中的热积累，提高打印件精度。
进一步地，水温升降步长为5℃。
进一步地，冷却管15材质为铜。
利用一种基于熔池监测实时调控电弧增材成形稳定性的闭环方法进行打印，包括以下步骤：
1)将所要打印的变截面单壁墙的CAD数据输入到计算机控制系统1中；
2)由分析系统依据专家系统对模型进行分层切片及电弧增材策略设计；
3)启动温度调节装置4，将温度调为15℃，将水注入水冷管15中，启动高速相机7、热成像仪8和位移传感器9并调整视角收集熔池与沉积层高度信息，选用焊丝6，启动焊机2，MIG焊枪16按照分析系统的电弧增材策略作业一层；
4)将有效数据传递至专家系统，实时更新专家系统；
5)重复步骤2)-4)直至变截面单壁墙加工完成；
6)依次关闭电弧增材发生器、高速相机7、热成像仪8、位移传感器9和温度调节装置4，打印结束。
具体地，焊丝6材质为2219铝合金。
进一步地，打印初期，专家系统中若缺失待打印件相关工艺参数，可手动添加；
进一步地，在其上所述的打印步骤2)中，高速相机7、热成像仪8和位移传感器9实时将收集到的信息传递至计算机处理系统进行简化，顺次存储在实时收集数据系统，并将有效数据导入专家系统，对专家系统的工艺数据库实时更新。
具体地，与专家系统数据相比，熔池高度容差在0.5mm以内、熔池宽度容差在0.5mm以内，由热成像仪得到的温度容差在5℃以内表明熔池处于稳定状态，由位移传感器得到的已成型沉积层的高度容差在0.5mm以内表明成型稳定可进行下一层作业；否则分析系统重新调节电弧增材过程工艺参数及水冷模块参数。
Claims (7)
1.一种基于熔池监测实时调控电弧增材成形稳定性的装置，其特征在于：包括电弧增材模块、信息采集及处理模块、智能库控制模块以及水冷模块；
所述电弧增材模块包括：焊机、焊枪、焊丝和夹具；
所述夹具包括：转动支撑轴、卡销和支撑架。所述支撑架水平放置，其上有三道滑槽；其中一道滑槽位于支撑架一端，通过转动支撑轴连接位移传感器；另两道滑槽分别位于支撑架另一端两面，通过转动支撑轴分别连接高速相机与热成像仪；
所述信息采集及处理模块包括：高速相机、热成像仪、位移传感器和计算机处理系统；
所述高速相机用于实时拍摄熔池形貌；所述热成像仪用于实时监测熔池及其周边温度；所述位移传感器用于实时监测已成型沉积层的高度；所述计算机处理系统用于将高速相机、热成像仪和位移传感器收集的信息简化为特征数据传递至智能库控制模块存储；
所述智能库控制模块包括：专家系统、实时收集数据系统和分析系统；
所述专家系统为各材料对应电弧增材的工艺数据库；所述实时收集数据系统用于实时存储计算机处理系统传递的信息，并将有效数据传递至专家系统，实时更新专家系统的工艺数据库；所述分析系统用于对打印件分层切片及路径规划，并智能调节电弧增材过程工艺参数及水冷模块参数；
所述水冷模块包括：温度调节装置、水冷管和水箱；
所述温度调节装置用于接收分析系统指令，调节水箱温度；所述水冷管弯曲排布于工作台面下，通过管内的低温水降低打印件温度，减少增材过程中的热积累，提高打印件精度。
2.根据权利要求1所述的一种基于熔池监测实时调控电弧增材成形稳定性的装置，其特征在于：所述夹具将高速相机、热成像仪、位移传感器和焊枪固定于同一支撑架上，实现与焊枪同步移动。
3.根据权利要求1所述的一种基于熔池监测实时调控电弧增材成形稳定性的装置，其特征在于：所述计算机处理系统中，高速相机实时传递的熔池图片信息简化为特殊点数据存储，热成像仪实时传递的熔池温度信息简化为特殊点温度存储，位移传感器实时传递焊枪与已成型焊道的距离a；
所述特殊点数据为熔池高度H、熔池深度h、熔池宽度W和熔池半高宽w；
所述特殊点温度为熔池最宽位置三等分点处温度。
4.根据权利要求1所述的一种基于熔池监测实时调控电弧增材成形稳定性的装置，其特征在于：所述分析系统依据专家系统对预打印件制定电弧增材打印策略。
5.一种基于熔池监测实时调控电弧增材成形稳定性的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将打印件数模输入到分析系统中；
2)由分析系统依据专家系统对模型进行分层切片及电弧增材策略设计；
3)启动温度调节装置，将水注入水冷管中，启动高速相机、热成像仪和位移传感器并调整其视角收集熔池与沉积层高度信息，启动焊机，焊枪按照分析系统的电弧增材策略作业一层；
4)将有效数据传递至专家系统，实时更新专家系统；
5)重复步骤2)-4)直至打印件加工完成；
6)依次关闭电弧增材发生器、高速相机、热成像仪、位移传感器和温度调节装置，打印结束。
6.根据权利要求5所述的打印步骤2)，其特征在于：打印初期，专家系统中若缺失待打印件相关工艺参数，可手动添加。
7.根据权利要求5所述的打印步骤3)，其特征在于：高速相机、热成像仪和位移传感器实时将收集到的信息传递至计算机处理系统进行简化，顺次存储在实时收集数据系统，并将有效数据导入专家系统，对专家系统的工艺数据库实时更新。
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2022
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