电弧增材的多传感器智能喷头制造技术

本实用新型专利技术公开了电弧增材的多传感器智能喷头，智能喷头包括连接法兰、打印喷头、送丝机构以及与工艺控制模块数据连接的多传感器模块，多传感器模块包括打印精度检测系统、熔池和电弧状态检测系统、熔池保护气氛检测系统和自动维持系统，打印精度检测系统用于获取模型重建位置后控制打印喷头进行增材打印，熔池和电弧状态检测系统用于调整电弧长度、热量输入值控制结晶温度和残余应力水平，熔池保护气氛检测系统用于控制保护气流量和熔化区和热影响区环境参数检测。本实用新型专利技术将多传感器和过程控制算法一体集成，保证增材制造质量，根据增材过程反馈参数，对电流、送丝速度、送气速度进行实时的调整，实现高速高质量电弧增材打印。印。印。

【技术实现步骤摘要】
电弧增材的多传感器智能喷头


[0001]本技术涉及金属增材装置
，尤其涉及电弧增材的多传感器智能喷头。

技术介绍

[0002]在金属增材领域，传统的电弧增材系统往往无传感器，通常使用普通电弧焊接电源和固定工艺参数进行打印，导致打印过程中需要人工检测、人工干预来检查和消除打印缺陷；或外加传感器，进行单独调试，这种方法开发周期长，适应性差，受限于所打印工件的几何形状，无法保证打印质量，同时与运动平台绑定，无法做到一套增材系统多型平台的适配的要求，制造工艺参数可移植性差，打印质量需要通过长时间的大量调试来进行保证，耗时费力，前期工艺开发成本较高。

技术实现思路

[0003]本技术的目的在于提供电弧增材的多传感器智能喷头，将多传感器和过程控制算法一体集成，实现了对各类运动平台如工业机械手、龙门机床等的通用适配，同时可以通过传感器和工艺控制算法保证打印质量，根据打印过程的反馈参数，对电流、送丝速度、送气速度进行实时的调整，实现高速、高质量的电弧增材打印。
[0004]为达到上述目的，本技术采用的技术方案是：电弧增材的多传感器智能喷头，包括连接法兰、打印焊头、送丝机构以及与工艺控制模块数据连接的多传感器模块，所述多传感器模块包括打印精度检测系统、熔池和电弧状态检测系统和熔池保护气氛检测系统，所述打印精度检测系统用于获取模型重建位置后控制所述打印喷头进行增材打印，所述熔池和电弧状态检测系统用于调整电弧长度、及热量输入值控制打印工件残余应力和结晶温度，所述熔池保护气氛检测系统用于控制保护器流量和熔化区和热影响区环境参数检测。
[0005]作为进一步的优化，所述打印精度检测系统包括视觉传感器、结构光传感器和打印喷头位置采集模块，所述视觉传感器和结构光传感器实时三维重建打印中模型，其中，结构光传感器主要用于测量零件形貌尺寸，并通过调整工艺参数对后续形貌进行补偿和控制，通过对采集到的点云数据进行图形学处理，得到打印层层高、总层高和打印中心线。
[0006]作为进一步的优化，所述视觉传感器、结构光传感器和打印喷头位置采集模块通过支架设置于连接法兰的下方，且位于打印喷头一侧。
[0007]作为进一步的优化，所述熔池和电弧状态检测系统包括电压传感器、电流传感器、送丝速度传感器和温度传感器，所述电压传感器判断增材过程中电弧长度，所述电流传感器和送丝速度传感器分别通过电流大小与送丝速度监测单位时间内的理论热量输入值，所述温度传感器监测打印工件温度分布。
[0008]作为进一步的优化，所述熔池和电弧状态检测系统还包括熔池视觉传感器。
[0009]作为进一步的优化，所述电流传感器安装于打印喷头电源线上；所述送丝速度传感器安装于送丝机构传动电机上。
[0010]作为进一步的优化，所述熔池保护气氛检测系统包括保护气流量检测模块、氧气浓度监测模块和环境温湿度检测模块，通过对增材空间内的环境参数监测，保证打印区域内氧气浓度在较低范围内。
[0011]作为进一步的优化，所述保护气流量检测模块装于打印喷头保护气入口处。
[0012]电弧增材的多传感器智能喷头的增材制造方法，包括如下步骤，
[0013]S1)输入金属零件的数字模型；
[0014]S2)通过参数规划算法，生成路径参数和工艺参数；
[0015]S3)按照规划算法指定参数，通过实时控制算法，控制电弧增材的主要工艺参数至指定数值；
[0016]S4)通过电弧增材打印零件。
[0017]与现有技术相比，本技术具有以下的有益效果：
[0018]1.相较现有的无传感器系统，或自组传感器电弧增材系统，本智能喷头实现了电弧增材系统和运动平台的解耦，可以实现一套系统，多平台适配，同时由于其打印系统的通用性，可以实现快速开发，质量保证；
[0019]2.传统打印系统往往无法对层内打印过程的工艺参数进行实时控制，一般采用逐层补偿的方法，而本智能喷头实现了打印过程的工艺参数实时规划、实时控制、实时补偿，实现了高速电弧增材的打印；
[0020]3.本技术智能喷头是独立的喷头，本身可以独立于不同运动系统，如可以挂载在三轴平台上，具有较高的可替换性。
附图说明
[0021]图1为本技术的结构示意图。
[0022]图2为使用本技术智能喷头的增材原理图。
具体实施方式
[0023]以下是本技术的具体实施例并结合附图，对本技术的技术方案作进一步的描述，但本技术并不限于这些实施例。
[0024]如图1至2所示，电弧增材的多传感器智能喷头，主要包括四部分，即连接法兰1、打印喷头2、送丝机构3和多传感器模块，打印焊头安装于连接法兰上，并向下延伸穿过连接法兰，送丝机构通过安装支架固定于连接法兰的下方旁侧，且位于打印焊头一侧，用于将金属丝材100送于打印焊头下方电机的电弧区内，多传感器模块与工艺控制模块数据连接。连接法兰上集成有包括电弧电源接口、保护气接口和传感器接口，电弧电源接口用于打印喷头上的电极与外部电源电连，保护气接头用于对打印喷头充入保护气体，传感器接口可以用于安装电流传感器和保护气流量检测模块。
[0025]多传感器模块，主要包括三个子系统，即打印精度检测系统41，其中包括视觉传感器、结构光传感器、以及打印喷头位置采集模块，打印过程中通过视觉传感器和结构光传感器实时三维重建正在打印的模型，通过对采集到的点云数据进行图形学处理，得到打印层的层高、层高、打印中心线等数据；熔池和电弧状态检测系统，其中包括电压传感器、电流传感器421、送丝速度传感器422和温度传感器模块，以及还可以包括熔池视觉传感器模块，通
过电压传感器判断打印过程中电弧的长度，通过电流传感器和送丝速度传感器监测单位时间内的理论热量输入（热量输入与电流大小近似成正比），通过温度传感器监测零件的温度分布，通过以上监测保证打印件的残余应力和结晶温度在合理范围内；熔池保护气氛检测系统，其中包括保护气流量检测模块431、氧气浓度监测模块、环境温度湿度检测模块等，通过对打印空间内的环境量监测，保证打印区域内，氧气浓度在较低范围内，不产生氧化，同时对各方面环境参数进行合理监测。
[0026]另外，工艺控制模块：通过采集多传感器系统的数据监测，采用强化学习控制器和传统动力学控制器对电流，送丝速度，电弧长度（打印喷头高度）进行实时调整，实现高度可控的增材智能控制。
[0027]智能喷头的增材制造方法为：首先输入金属零件的数字模型，然后通过参数规划算法（本专利使用强化学习算法实现），生成路径参数和工艺参数，然后按照规划算法指定的参数，通过实时控制算法，控制电弧增材的主要工艺参数（包括电流、送丝速度、保护气送气速度等）至指定数值，然后通过电弧增材打印零件。
[0028]在打印过程中，通过多传感器检测打印过程中的多种物理量（包括电弧电流、电弧电压、送丝速度、打印零件的几何形貌、保护气送气速度等），然后通过参数提取和估计算法，提取出经过滤波估计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.电弧增材的多传感器智能喷头，其特征在于，包括连接法兰、打印喷头、送丝机构以及与工艺控制模块数据连接的多传感器模块；所述多传感器模块包括打印精度检测系统、熔池和电弧状态检测系统和熔池保护气氛检测系统，所述打印精度检测系统用于获取模型重建位置后控制所述打印喷头进行增材打印，所述熔池和电弧状态检测系统用于调整电弧长度、及热量输入值控制打印工件结晶温度和残余应力，所述熔池保护气氛检测系统用于控制保护器流量和熔化区和热影响区环境参数检测。2.根据权利要求1所述的电弧增材的多传感器智能喷头，其特征在于，所述打印精度检测系统包括视觉传感器、结构光传感器和打印喷头位置采集模块，所述视觉传感器和结构光传感器实时三维重建打印中模型，通过对采集到的点云数据进行图形学处理，得到打印层层高、总层高和打印中心线。3.根据权利要求2所述的电弧增材的多传感器智能喷头，其特征在于，所述视觉传感器、结构光传感器和打印喷头位置采集模块通过支架设置于连接法兰的下方，且位于打印焊头一侧。4.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐方达，于楠，田应涛，王俊博，支镜任，
申请(专利权)人：苏州鑫之博科技有限公司，
类型：新型
国别省市：