前馈补偿的GTA填丝增材制造成形高度反馈控制方法

技术领域

本发明属于电弧填丝增材制造技术领域，具体涉及一种前馈补偿的钨极惰性气体(Gas tungsten arc，GTA)填丝增材制造成形高度反馈控制方法。

背景技术

GTA填丝增材制造采用GTA电弧作为热源，外加辅助丝材作为填充材料，逐层堆积成形金属构件。目前，该技术在钛合金、镍基高温合金、高强铝合金构件的制造上有着良好的应用前景。但是，GTA填丝增材制造存在众多干扰因素，如堆积层散热、工艺参数扰动等，致使当前堆积层成形高度与GTA焊枪提升的设定高度不一致。经过多层堆积后，钨针到堆积层表面的距离变化较为显著。如果距离过大，电弧能量发散，堆积层成形变差；如距离过小，钨针接触熔池，致使熔池污染。

目前，有研究学者提出采用视觉传感器检测钨针尖端到当前堆积层表面的距离，通过在线调整工艺参数，实现堆积高度的反馈控制。但是反馈控制的稳定性较差，体现在成形件高度控制的不均匀，其产生原因主要有以下两点：(1)常规的反馈检测位置距离钨极尖端较远，检测系统存在较大的滞后，其过程控制属于滞后控制；(2)先前堆积层高度的非均匀性对当前堆积层的影响较大。为改善成形件堆积高度的均匀性，并进一步提高成形尺寸精度，亟需开发一种考虑先前堆积层干扰的检测与控制方法。为此，本发明提出一种基于前馈补偿的GTA填丝增材制造成形高度反馈控制新方法。

发明内容

本发明的目的是为解决现有GTA增材制造过程视觉反馈控制高度稳定性差且控制精度低的难题，提出一种前馈补偿的GTA填丝增材制造成形高度反馈控制方法。

为实现上述发明目的，本发明提供一种前馈补偿的GTA填丝增材制造成形高度反馈控制方法，包括以下步骤：

步骤一：调节视觉传感器位置，使视觉传感器光心垂直于GTA枪与成形路径方向组成的平面，采集GTA电弧、电弧前方凝固金属与电弧后方熔池图像，设定钨针尖端到成形层表面的理想控制值S₀为2.5-6.5mm，成形一层后，GTA枪抬升的高度z为0.4-1.9mm；

步骤二：引燃GTA电弧，沿成形路径方向，在电弧前方金属凝固区域设定第一矩形区域，第一矩形区域的正中心到GTA枪轴线的距离为6-9mm，在电弧后方熔池尾部金属凝固区域设定第二矩形区域，第二矩形区域的正中心到GTA枪轴线的距离为5-15mm，采样时刻为t时，利用图像处理算法提取第一矩形区域内凝固金属上的表面点，即前馈点，确定前馈点到GTA枪内钨针末端的水平距离L，确定钨针末端到前馈点的垂直距离S₁(t)，进一步利用图像处理算法提取第二矩形区域内熔池尾部凝固金属上的表面点，即反馈点，确定反馈点到GTA枪内钨针末端的垂直距离S₂(t)；

步骤三：确定前馈超前参量d，计算t时刻的反馈点偏差error₂(t)＝S₂(t)-S₀，计算t-d时刻的前馈点偏差error₁(t-d)＝S₁(t-d)-z-S₀；其中，S₁(t-d)是(t-d)时刻前馈点到钨针末端的垂直距离；

步骤四：将前馈点偏差累加补偿到反馈点偏差中，计算t时刻反馈控制器的输入偏差E(t)＝error₂(t)+error₁(t-d)，根据设计的控制器，由E(t)的大小和正负计算t时刻控制参数的调节量ΔWFS(t)；

步骤五：继续重复步骤二、三、四，确定(t+1)时刻反馈控制器的输入偏差E(t+1)和控制参数的调节量ΔWFS(t+1)。

作为优选方式，步骤二中所述的图像处理算法步骤包括噪声去除、边缘检测、自适应阈值分割和边缘点拟合。

作为优选方式，步骤三中所述的前馈超前参量d是由前馈点到GTA枪内钨针末端的水平距离L、GTA枪行走速度、控制系统检测周期共同决定的，d＝[L/(V_sT)]，其中，V_s为GTA枪行走速度，单位为mm/s，T为检测周期，单位为s，[]表示取整符号。

作为优选方式，步骤四中所述的反馈控制器为PID控制器或模糊控制器。

本发明方法具有的突出优点是：本发明方法提出了一种基于前馈补偿的GTA填丝增材制造成形高度反馈控制方法，采用视觉传感器同时检测电弧前方凝固金属和电弧后方熔池尾部固态金属表面，将电弧前方凝固金属表面的前馈检测偏差补偿累加到电弧后方的反馈检测偏差中，检测的总偏差作为反馈闭环控制器的输入，根据控制器的计算，实时输出控制变量的变化量。本发明方法将前馈检测的高度偏差引入到反馈检测的高度偏差中，利用前馈检测的超前预测作用，有效克服了前述堆积层对当前堆积层高度的干扰，解决了传统单纯反馈反馈控制高度波动大的难题，为GTA填丝增材制造成形高度的高精度控制奠定了强有力的基础。

附图说明

图1是前馈补偿的GTA填丝增材制造成形高度反馈控制系统框图；

图2是视觉传感器与GTA焊枪位置示意图；

图3是采集的GTA填丝增材制造原始图像；

图4是图像处理后的GTA填丝增材制造图像；

图5是基于前馈补偿的堆积高度反馈控制典型件。

1为视觉传感器，2为GTA焊枪，3为导丝管，4为第一窗口，5为第二窗口。

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1所示，一种前馈补偿的GTA填丝增材制造堆积高度反馈控制方法，包括以下步骤：

步骤一：如图2所示，调节视觉传感器位置，使视觉传感器光心垂直于GTA枪与成形路径方向组成的平面，采集GTA电弧、电弧前方凝固金属与电弧后方熔池图像，采集图像如图3所示，设定钨针尖端到成形层表面的理想控制值S₀为2.5-6.5mm，成形一层后，GTA枪抬升的高度z为0.4-1.9mm；

步骤二：引燃GTA电弧，沿成形路径方向，在电弧前方金属凝固区域设定第一矩形区域，第一矩形区域的正中心到GTA枪轴线的距离为6-9mm，在电弧后方熔池尾部金属凝固区域设定第二矩形区域，第二矩形区域的正中心到GTA枪轴线的距离为5-15mm，采样时刻为t时，利用图像处理算法提取第一矩形区域内凝固金属上的表面点，即前馈点，确定前馈点到GTA枪内钨针末端的水平距离L，确定钨针末端到前馈点的垂直距离S₁(t)，进一步利用图像处理算法提取第二矩形区域内熔池尾部凝固金属上的表面点，即反馈点，确定反馈点到GTA枪内钨针末端的垂直距离S₂(t)；

步骤三：确定前馈超前参量d，计算t时刻的反馈点偏差error₂(t)＝S₂(t)-S₀，计算t-d时刻的前馈点偏差error₁(t-d)＝S₁(t-d)-z-S₀；其中，S₁(t-d)是(t-d)时刻前馈点到钨针末端的垂直距离；

步骤四：将前馈点偏差累加补偿到反馈点偏差中，计算t时刻反馈控制器的输入偏差E(t)＝error₂(t)+error₁(t-d)，根据设计的控制器，由E(t)的大小和正负计算t时刻控制参数的调节量ΔWFS(t)；

步骤五：继续重复步骤二、三、四，确定(t+1)时刻反馈控制器的输入偏差E(t+1)和控制参数的调节量ΔWFS(t+1)。

步骤二中所述的图像处理算法步骤包括噪声去除、边缘检测、自适应阈值分割和边缘点拟合，处理后的图像如图4所示。

步骤三中所述的前馈超前参量d是由前馈点到GTA枪内钨针末端的水平距离L、GTA枪行走速度、控制系统检测周期共同决定的，d＝[L/(V_sT)]，其中，V_s为GTA枪行走速度，单位为mm/s，T为检测周期，单位为s，[]表示取整符号。

步骤四中所述的反馈控制器为PID控制器或模糊控制器，图5为典型直壁件的控制效果。

本发明的具体试验平台：GTA电源为Fronius MW300，GTA焊枪安装在MOTOMAN机器人第六轴末端上，机器人带动GTA焊枪的运动，堆积过程填充丝材为JQ.MG70-G-1低碳钢焊丝，焊丝直径1.2mm，工艺参数为：电流150A，GTA焊枪行走速度3.3mm/s，送丝速度1.5m/min，保护气为纯氩，气体流量10L/min。

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。