电弧增材制造成形检测反馈补偿系统及检测反馈补偿方法技术方案

本发明专利技术公开了一种电弧增材制造成形形貌检测及反馈补偿系统及方法，包括置于密封舱体内的三轴运动机构，三轴运动机构的横梁上固定有丝材盘轴和等离子弧焊枪，丝材盘轴下方设置有送丝驱动装置，等离子弧焊枪与密封舱体外部的等离子弧电源系统连接，等离子弧焊枪上设置有熔池高清摄像机，密封舱体内部还设置有工作平台小车和工业相机，工作平台小车上还设置有2D激光位移传感器和红外温度测量仪，等离子弧电源系统、三轴运动机构、送丝驱动装置、熔池高强摄像机、2D激光位移传感器和红外温度测量仪均与控制系统连接。本发明专利技术解决了现有技术中存在的电弧增材制造成形形貌检测及反馈补偿系统测量精度差的问题。

Feedback compensation system and method of detection feedback compensation for arc additive manufacturing

【技术实现步骤摘要】
电弧增材制造成形检测反馈补偿系统及检测反馈补偿方法
本专利技术属于金属构件的增材制造
，具体涉及一种电弧增材制造成形形貌检测及反馈补偿系统，本专利技术还涉及一种电弧增材制造成形形貌检测反馈补偿方法。
技术介绍
增材制造技术(AdditiveManufacturingTechnology)，俗称3D打印，它是利用微积分的思想，以数字化三维CAD模型为基础，通过将粉末或丝材进行熔化，逐层叠加，从而实现零件结构的整体快速成形。金属构件的增材制造技术融合了数字化技术、计算机辅助设计、材料科学和机械加工等技术，目前的主要技术路线有粉末床熔融技术和直接能量沉积技术。金属构件的丝材直接能量沉积技术(WireDirectEnergyDeposition，WDED)，因其具有高的沉积效率，高的材料利用率，可对大尺寸的金属构件进行快速成形，而受到极大地关注。丝材直接能量沉积技术的热源主要有电子束、激光、等离子和电弧，通过在基材上形成稳定的熔池，并将金属丝材以一定的速度熔化过渡到熔池中，实现由点-线-面-体的快速增材制造。丝材电弧增材制造技术(Wire&ArcAdditiveManufacturing，WAAM)是利用电弧或等离子弧作为能量源，在基材上形成稳定熔池，同时将送入熔池的金属丝材熔化，达到沉积凝固成形。其中等离子弧作为改进型的电弧，与电子束、激光同属为高能束，但等离子弧相较于电子束和激光的成本低，且比自由态电弧的能量密度高、刚直性好，因而近年来被各研究机构和企业用于金属构件的低成本快速制造。但由于等离子弧熔融沉积技术的热输入量大，熔池尺寸大，单层的沉积高度也相对其他工艺技术较高，这就导致其成形构件的精度低，表面质量差，易产生缺陷。其次，在进行零件的等离子弧熔融沉积成形前，需要进行切片分层处理，且切片层厚已设为定值，而在沉积成形过程中，影响因素较多，每一层的沉积宽度和沉积高度与理论设计有一定的偏差，且随着沉积过程的进行，该偏差不断累积放大，最终导致沉积过程无法进行，甚至造成成形零件的报废。因此，迫切需要设计一种装置和方法，用于保证等离子弧熔融沉积稳定、可靠、顺利的进行。目前，针对等离子弧熔融沉积成形，在依靠稳定的成形工艺的基础上，由技术人员通过肉眼或CCD对成形状态进行观察、判断、分析。但是，由于等离子弧波长范围较宽，弧光强烈，熔池状态和金属熔滴的过渡很难观察清楚。即使增加滤镜对弧光波长进行过滤，由于成形零件尺寸大，也难以清晰的观察到每一个成形部位。其次，研究人员通过对熔池的图像进行采集、分析处理，再结合熔池温度、表面张力和材料属性等进行一系列复杂的算法，获得熔池的基本尺寸，以此形成闭环控制，实现对热输入进行自动调节，以此来获得稳定尺寸的熔池，保证沉积成形的精度。但该方法计算过程复杂，尤其在进行大尺寸构件的快速成形时，庞大的数据计算量对设备硬件系统要求苛刻，不适用于低成本的制造技术。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种电弧增材制造成形形貌检测及反馈补偿系统，解决了现有技术中存在的电弧增材制造成形形貌检测及反馈补偿系统测量精度差的问题。本专利技术的另一目的是提供一种电弧增材制造成形形貌检测反馈补偿方法。本专利技术所采用的第一技术方案是，一种电弧增材制造成形形貌检测及反馈补偿系统，包括置于密封舱体内的三轴运动机构，三轴运动机构的横梁上固定有丝材盘轴和等离子弧焊枪，丝材盘轴下方设置有送丝驱动装置，等离子弧焊枪与密封舱体外部的等离子弧电源系统连接，等离子弧焊枪上设置有熔池高清摄像机，密封舱体内部还设置有工作平台小车和工业相机，工作平台小车用于放置基材，工作平台小车位于等离子弧焊枪底部，工作平台小车上还设置有2D激光位移传感器和红外温度测量仪，等离子弧电源系统、三轴运动机构、送丝驱动装置、熔池高强摄像机、2D激光位移传感器和红外温度测量仪均与控制系统连接。本专利技术第一技术方案的特点还在于，三轴运动机构的横梁上还设置有烟尘吸收管，烟尘吸收管与密封舱体外部的烟尘净化系统连接。2D激光位移传感器为激光三角反射式2D激光位移传感器，红外温度测量仪为面扫描测量仪。本专利技术所采用的第二技术方案是，一种电弧增材制造成形形貌检测及反馈补偿方法，基于权利要求3所述的电弧增材制造成形形貌检测及反馈补偿系统，其特征在于，能够实现对沉积成形的凹陷缺陷检测及反馈补偿，同时还能实现对沉积成形驼峰缺陷检测及反馈补偿，具体按照以下步骤实施：步骤1、对已沉积零件的三维CAD模型进行切片分层和路径规划，获得零件沉积成形的路径文本，将路径文本导入控制系统，控制系统控制等离子弧焊枪产生等离子弧，同时驱动送丝驱动装置稳定送丝，等离子弧焊枪按照规划的路径在基材上进行零件的沉积成形；步骤2、由熔池高清摄像头对熔池状态和熔化的金属熔滴过渡行为进行视频监控和录像记录，2D激光位移传感器对已沉积零件的成形宽度和沉积高度进行实时测量，针对已沉积零件的表面测量所得高度值的绝对值与设定值进行对比，判断凹陷缺陷或驼峰缺陷，并获取凹陷缺陷或驼峰缺陷的起始坐标及所在路径行；步骤3、2D激光位移传感器对已沉积零件表面进行连续测量，并将测量所得高度值的绝对值与设定值进行对比，获取凹陷缺陷或驼峰缺陷的终止坐标及所在路径行，以起始坐标及所在路径行和终止坐标及所在路径行形成凹陷缺陷或驼峰缺陷修复补偿的子路径文本。本专利技术第二技术方案的特点还在于，步骤1中控制系统还同时开启烟尘净化系统，由烟尘吸收管将沉积成形过程中产生的烟尘进行吸收、净化。步骤2具体为：当当前采样点所测量的沉积高度值比前一采样点所测量的沉积高度值大，且两个高度差值的绝对值大于设定值，判定为凹陷缺陷，控制系统将继续对后续采样点所测量的沉积高度值与上述的前一采样点所测量的沉积高度值进行比较，若两个高度差值的绝对值大于设定值，则控制系统自动从路径文本中获取该步骤中所述的当前采样点的坐标和所在的路径行，将其作为修复补偿子程序的起始点和起始路径，并自动进行存储；当当前采样点所测量的沉积高度值比前一采样点所测量的沉积高度值小，且两个高度差值的绝对值大于设定值，判定为驼峰缺陷，控制系统将继续对后续采样点所测量的沉积高度值与上述的前一采样点所测量的沉积高度值进行比较，若两个高度差值的绝对值大于设定值，则控制系统自动从路径文本中获取上述的当前采样点的坐标和所在的路径行，将其作为修复补偿子程序的起始点坐标和起始路径，并自动进行存储。步骤3具体为：当2D激光位移传感器对当前采样点所测量的沉积高度值比步骤2中第一采样点所测量的沉积高度值大，且两个沉积高度差值的绝对值小于设定值时，系统将继续对后续采样点所测量的沉积高度值与步骤2中第一采样点所测量的沉积高度值进行比较，若两个高度差值的绝对值小于设定值，则系统自动从路径文本中获取当前采样点的坐标和所在路径行，将其作为凹陷缺陷修复补偿子路径文本的终止点坐标和终止路径行，并自动进行存储，与步骤2所得起始点坐标及起始路径形成凹陷缺陷的修复补偿子路径文本；当2D激光位移传感器(12)对当前采样点所测量的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电弧增材制造成形形貌检测及反馈补偿系统，其特征在于，包括置于密封舱体(1)内的三轴运动机构(4)，三轴运动机构(4)的横梁上固定有丝材盘轴(8)和等离子弧焊枪(5)，丝材盘轴(8)下方设置有送丝驱动装置(9)，等离子弧焊枪(5)与密封舱体(1)外部的等离子弧电源系统(2)连接，等离子弧焊枪(5)上设置有熔池高清摄像机(10)，密封舱体(1)内部还设置有工作平台小车(6)和工业相机(14)，工作平台小车(6)用于放置基材(7)，工作平台小车(6)位于等离子弧焊枪(5)底部，工作平台小车(6)上还设置有2D激光位移传感器(12)和红外温度测量仪(13)，所述等离子弧电源系统(2)、三轴运动机构(4)、送丝驱动装置(9)、熔池高强摄像机(10)、2D激光位移传感器(12)和红外温度测量仪(13)均与控制系统连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种电弧增材制造成形形貌检测及反馈补偿系统，其特征在于，包括置于密封舱体(1)内的三轴运动机构(4)，三轴运动机构(4)的横梁上固定有丝材盘轴(8)和等离子弧焊枪(5)，丝材盘轴(8)下方设置有送丝驱动装置(9)，等离子弧焊枪(5)与密封舱体(1)外部的等离子弧电源系统(2)连接，等离子弧焊枪(5)上设置有熔池高清摄像机(10)，密封舱体(1)内部还设置有工作平台小车(6)和工业相机(14)，工作平台小车(6)用于放置基材(7)，工作平台小车(6)位于等离子弧焊枪(5)底部，工作平台小车(6)上还设置有2D激光位移传感器(12)和红外温度测量仪(13)，所述等离子弧电源系统(2)、三轴运动机构(4)、送丝驱动装置(9)、熔池高强摄像机(10)、2D激光位移传感器(12)和红外温度测量仪(13)均与控制系统连接。


2.根据权利要求1所述的一种电弧增材制造成形形貌检测及反馈补偿系统，其特征在于，所述三轴运动机构(4)的横梁上还设置有烟尘吸收管(11)，烟尘吸收管(11)与所述密封舱体(1)外部的烟尘净化系统(3)连接。


3.根据权利要求2所述的一种电弧增材制造成形形貌检测及反馈补偿系统，其特征在于，所述2D激光位移传感器(12)为激光三角反射式2D激光位移传感器，红外温度测量仪(13)为面扫描测量仪。


4.一种电弧增材制造成形形貌检测及反馈补偿方法，基于权利要求3所述的电弧增材制造成形形貌检测及反馈补偿系统，其特征在于，能够实现对沉积成形的凹陷缺陷检测及反馈补偿，同时还能实现对沉积成形驼峰缺陷检测及反馈补偿，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对已沉积零件(15)的三维CAD模型进行切片分层和路径规划，获得零件沉积成形的路径文本，将路径文本导入控制系统，控制系统控制等离子弧焊枪(5)产生等离子弧，同时驱动送丝驱动装置(9)稳定送丝，等离子弧焊枪(5)按照规划的路径在基材(7)上进行零件的沉积成形；
步骤2、由熔池高清摄像头对熔池状态和熔化的金属熔滴过渡行为进行视频监控和录像记录，2D激光位移传感器(12)对已沉积零件(15)的成形宽度和沉积高度进行实时测量，针对已沉积零件(15)的表面测量所得高度值的绝对值与设定值进行对比，判断凹陷缺陷或驼峰缺陷，并获取凹陷缺陷或驼峰缺陷的起始坐标及所在路径行；
步骤3、2D激光位移传感器(12)对已沉积零件(15)表面进行连续测量，并将测量所得高度值的绝对值与设定值进行对比，获取凹陷缺陷或驼峰缺陷的终止坐标及所在路径行，以起始坐标及所在路径行和终止坐标及所在路径行形成凹陷缺陷或驼峰缺陷修复补偿的子路径文本。


5.根据权利要求4所述的一种电弧增材制造成形形貌检测及反馈补偿方法，其特征在于，所述步骤1中控制系统还同时开启烟尘净化系统(3)，由烟尘吸收管(11)将沉积成形过程中产生的烟尘进行吸收、净化。


6.根据权利要求4所述的一种电弧增材制造成形形貌检测及反馈补偿方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
当当前采样点所测量的沉积高度值比前一采样点所测量的沉积高度...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晓明，贺智锋，彭博，程宝，成军伟，
申请(专利权)人：西安铂力特增材技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61