CN116021043B - 一种激光增材制造过程的自适应调节系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光增材制造过程的自适应调节系统和方法，滤光模块用于过滤来自熔池的光波，将熔池图像特征进行最大化处理；图像采集模块用于采集熔池图像，并传输至所述图像处理模块；图像处理模块，用于对所述图像采集模块获得的图像进行分析计算，得到所述熔池图像的简化信息；虚拟参考反馈整定算法模块，用于收集第一设定时间内图像的简化信息，根据控制器的初始设定值进行优化计算，得到相应的功率值；模拟量输出模块，将输出的功率值转换成模拟量。本发明利用系统的输入输出信息周期性地对控制器参数进行调整，获得最优的控制器参数，从而实现激光增材技术中打印零件品质的提高。
Description
技术领域
本发明涉及到激光增材制造领域，尤其涉及到一种激光增材制造过程的自适应调节系统和方法。
背景技术
激光增材制造技术是基于层层叠加制造的快速原型原理，通过激光对同轴输送的金属粉末材料按照规划的扫描路径实现逐层熔化堆积，直接制造具有三维形状金属功能零件的技术。它具有热输入能量可控、柔性化及无模化制造特点，特别适合于精密、复杂结构的钛合金、高温合金等贵重金属材料零件的直接制造与成形修复，可有效缩短产品开发运维周期、降低开发运维费用，能够以经济高效的方式制造大型的定制零件，目前已广泛应用于航空航天、能源化工等领域重大装备关键零部件的直接制造与成形修复。
闭环控制在激光增材中对于改进增材制造工艺，提高工件的品质起着至关重要的作用，比如打印过程中对于激光功率的控制。传统的闭环控制要想获得最优的控制参数，需要在前期进行大量的实验来进行系统辨识和寻找控制器的最优PID参数；由于打印过程中高度的非线性，恒定的控制器参数不一定能适应所有的材料，甚至对于某个打印零件的不同层也不一定能够适用，导致这些控制器的PID参数适用性比较差。
发明内容
鉴于现有技术的上述不足，本发明实施例提供一种激光增材制造过程的自适应调节系统和方法，解决现有激光增材制造过程中闭环控制器存在的系统辨识和参数整定耗时长且PID参数适用性差的问题。
第一方面，本发明实施例提供一种激光增材制造过程的自适应调节系统，所述自适应调节系统包括：滤光模块、图像采集模块、图像处理模块、虚拟参考反馈整定算法模块和模拟量输出模块；
所述滤光模块，用于过滤来自熔池的光波，将熔池图像特征进行最大化处理；
所述图像采集模块，用于采集所述滤光模块处理输出后的熔池图像，并传输至所述图像处理模块；
所述图像处理模块，与所述图像采集模块相连，用于对所述图像采集模块获得的图像进行分析计算，得到所述熔池图像的简化信息；
所述虚拟参考反馈整定算法模块，用于收集第一设定时间内图像的简化信息，根据控制器的初始设定值进行优化计算，得到相应的功率值；
所述模拟量输出模块，将所述虚拟参考反馈整定算法模块输出的功率值转换成模拟量。
作为优选的，所述自适应调节系统分为手动调节模式和自动调节模式。
作为优选的，所述手动调节模式是人为指定输出大小，系统以固定的功率进行输出。
作为优选的，所述自动调节模式是系统根据输入输出数据自动计算控制器的参数，对输出进行指定范围内的自适应调节。
作为优选的，所述自适应调节系统对输入和输出进行处理后，周期性地计算控制器的参数，实现动态调整。
作为优选的，所述图像处理模块将获取到的图像进行灰度化处理和二值化处理，并获取目标的轮廓，采用椭圆将轮廓进行包络，最终计算出椭圆的长轴和短轴的长度。
第二方面，本发明提供一种激光增材制造过程的自适应调节方法，基于本发明第一方面实施例所述的一种激光增材制造过程的自适应调节系统，所述自适应调节方法包括：
设定系统参数，滤光模块对熔池的光波进行过滤，图像采集模块采集熔池的图像；
图像处理模块对采集的熔池图像进行处理，得到所述熔池图像的简化信息；
虚拟参考反馈整定算法模块收集第一设定时间内所述熔池图像的简化信息，依据控制器的初始设定值进行优化计算，得到相应的功率值；
模拟量输出模块将所述功率值转换成模拟量。
作为优选的，所述设定系统参数包括：熔池尺寸和系统初始PID参数。
作为优选的，所述熔池图像的简化信息包括熔池的尺寸信息。
作为优选的，所述模拟量输出模块将所述功率值转换成模拟量包括模拟电压值和模拟电流值。
本发明实施例提供的一种激光增材制造过程的自适应调节系统和方法，利用数字相机与图像处理算法对熔池图像进行实时获取并对尺寸进行估算，再利用虚拟参考反馈整定算法对激光功率进行实时调整，利用系统的输入输出信息周期性地对控制器参数进行调整，从而获得最优的控制器参数，优化各个打印层之间的参数，实现打印零件品质的提高。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明的一种激光增材制造过程的自适应调节系统框图
图2是本发明的一种激光增材制造过程的自适应调节方法流程图
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，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。
本申请实施例中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
本申请实施例中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列部件或单元的系统、产品或设备没有限定于已列出的部件或单元，而是可选地还包括没有列出的部件或单元，或可选地还包括对于这些产品或设备固有的其它部件或单元。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本发明针对当前激光增材制造过程中闭环控制器的参数优化问题，提出一种激光增材制造过程的自适应调节系统和方法，利用数字相机与图像处理算法对熔池图像进行实时获取并对尺寸进行估算，再利用虚拟参考反馈整定算法对激光功率进行实时调整，优化各个打印层之间的参数，从而提升工件的品质。
图1是本发明的一种激光增材制造过程的自适应调节系统框图，如图1所示，本发明实施例提供的自适应调节系统是用于监测熔池的尺寸，并按照预设的熔池尺寸作为基准调节激光输出功率，主要功能模块包括：滤光模块、图像采集模块、图像处理模块、虚拟参考反馈整定算法模块和模拟量输出模块。
滤光模块作为光路的过滤系统，对来自熔池的光波进行过滤，将不需要的光波成分进行过滤，只留下需要的部分，从而将后续图像处理系统所需要的图像特征进行最大化处理。
图像采集模块作为系统的输入装置，利用数字相机实时采集熔池的图像，并传输至图像处理模块。
图像处理模块对来自图像采集模块的图像进行处理，包括：图像的灰度化处理和图像的二值化处理，并获取目标的轮廓，采用椭圆将轮廓进行包络，最终计算出椭圆的长轴和短轴的长度；从而获得后续虚拟参考反馈整定算法模块所需的熔池图像的简化信息，如熔池的尺寸信息。
虚拟参考反馈整定算法模块持续收集一段时间内的图像尺寸信息，并依据控制器的初始设定值进行优化计算，输出相应的功率值。
模拟量输出模块作为功率值与模拟量的转换模块，将虚拟参考反馈整定算法模块计算出的功率值换算为其他系统可以接受的输入量，如模拟电压值、模拟电流值等。
在获取到了目标的尺寸信息后，对于模拟量的输出的调节有两种模式可以选择：手动调节模式和自动调节模式，其中手动模式通过软件界面对输出进行指定，算法模块对输出功率不进行干预，反映到激光输出功率，则是以固定的功率进行输出，手动模式下，算法模块会对输入的图像尺寸和输出的功率信息进行存储并进行优化计算，从而估算处当前控制器的最优控制参数，在使用手动模式打印一层后，便可以切换到自动模式，这时候虚拟参考反馈整定算法模块依据手动模式下计算得出的控制器参数，以计算得出的熔池尺寸作为输入，经过计算后得出相应的功率值，并由模拟量输出模块进行转换，输出最终的电流或者电压值，实现完整的闭环控制。
如图2所示，本发明实施例还提供一种激光增材制造过程的自适应调节方法流程图，基于上述实施例的一种激光增材制造过程的自适应调节系统，所述自适应调节方法包括：
设定系统参数，滤光模块对熔池的光波进行过滤，图像采集模块采集熔池的图像；
首先对系统的参数进行设定，主要包括：熔池尺寸和系统默认的PID参数，然后滤光模块对来自熔池的光波进行过滤，将不需要的光波成分进行过滤，只留下需要的部分，图像采集模块实时采集熔池的图像。
图像处理模块对采集的熔池图像进行处理，得到所述熔池图像的简化信息；
图像处理模块对来自图像采集模块的图像进行处理，处理的主要操作包括：图像的灰度化处理、二值化处理、寻找轮廓、对轮廓用椭圆进行包络和计算椭圆长轴和短轴的长度，从而得到熔池图像的简化信息，例如熔池图像的尺寸信息。
虚拟参考反馈整定算法模块收集第一设定时间内所述熔池图像的简化信息，依据控制器的初始设定值进行优化计算，得到相应的功率值；
模拟量输出模块将所述功率值转换成模拟量。
其中，模拟量包括模拟电压值和模拟电流值。
综上所述，本发明实施例提供的一种激光增材制造过程的自适应调节系统和方法，利用数字相机与图像处理算法对熔池图像进行实时获取并对尺寸进行估算，再利用虚拟参考反馈整定算法对激光功率进行实时调整，利用系统的输入输出信息周期性地对控制器参数进行调整，从而获得最优的控制器参数，优化各个打印层之间的参数，实现打印零件品质的提高。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种激光增材制造过程的自适应调节系统，其特征在于，所述自适应调节系统包括：滤光模块、图像采集模块、图像处理模块、虚拟参考反馈整定算法模块和模拟量输出模块；所述滤光模块，用于过滤来自熔池的光波，将熔池图像特征进行最大化处理；
所述图像采集模块，用于采集所述滤光模块处理输出后的熔池图像，并传输至所述图像处理模块；所述图像处理模块，与所述图像采集模块相连，用于对所述图像采集模块获得的图像进行分析计算，得到所述熔池图像的简化信息；其中，所述图像处理模块将获取到的图像进行灰度化处理和二值化处理，获取目标的轮廓，采用椭圆将轮廓进行包络，计算出椭圆的长轴和短轴的长度；获得虚拟参考反馈整定算法模块所需的熔池图像尺寸信息；
所述虚拟参考反馈整定算法模块，用于收集第一设定时间内图像的简化信息，根据控制器的初始设定值进行优化计算，得到相应的功率值；所述模拟量输出模块，将所述虚拟参考反馈整定算法模块输出的功率值转换成模拟量；
所述自适应调节系统分为手动调节模式和自动调节模式；获取到目标的尺寸信息后，其中手动模式通过软件界面对输出进行指定，算法模块对输出功率不进行干预，反映到激光输出功率，则是以固定的功率进行输出，手动模式下，算法模块对输入的图像尺寸和输出的功率信息进行存储并进行优化计算，估算出当前控制器的控制参数，在使用手动模式打印一层后，切换到自动模式，虚拟参考反馈整定算法模块依据手动模式下计算得出的控制器参数，以计算出的熔池尺寸作为输入，经过计算后得出相应的功率值，并由模拟量输出模块进行转换，输出最终的电流或电压值，实现闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种激光增材制造过程的自适应调节系统，其特征在于，所述手动调节模式是人为指定输出大小，系统以固定的功率进行输出。
3.根据权利要求1所述的一种激光增材制造过程的自适应调节系统，其特征在于，所述自动调节模式是系统根据输入输出数据自动计算控制器的参数，对输出进行指定范围内的自适应调节。
4.根据权利要求1所述的一种激光增材制造过程的自适应调节系统，其特征在于，所述自适应调节系统对输入和输出进行处理后，周期性地计算控制器的参数，实现动态调整。
5.一种激光增材制造过程的自适应调节方法，所述自适应调节方法应用于如权利要求1-4任一项所述的自适应调节系统，其特征在于，所述自适应调节方法包括：
设定系统参数，滤光模块对熔池的光波进行过滤，图像采集模块采集熔池的图像；
图像处理模块对采集的熔池图像进行处理，得到所述熔池图像的简化信息；
虚拟参考反馈整定算法模块收集第一设定时间内所述熔池图像的简化信息，依据控制器的初始设定值进行优化计算，得到相应的功率值；
模拟量输出模块将所述功率值转换成模拟量。
6.根据权利要求5所述的一种激光增材制造过程的自适应调节方法，其特征在于，所述设定系统参数包括：熔池尺寸和系统初始PID参数。
7.根据权利要求5所述的一种激光增材制造过程的自适应调节方法，其特征在于，所述熔池图像的简化信息包括熔池的尺寸信息。
8.根据权利要求5所述的一种激光增材制造过程的自适应调节方法，其特征在于，所述模拟量输出模块将所述功率值转换成模拟量包括模拟电压值和模拟电流值。
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