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专利号: 2019104763847
申请人: 西南交通大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 机床;其他类目中不包括的金属加工
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种脉冲GTA填丝增材制造堆积层片双变量控制方法,所述堆积层片双变量分别为堆积层宽度和高度,其中堆积层宽度W由视觉传感系统获取,堆积层高度H由弧压U间接表征,而弧压U由电压传感系统采集,同时基于双变量解耦器、堆积层宽度控制器和弧压控制器,以堆积层宽度偏差量ΔW和弧压偏差量ΔU为控制器的输入信号,通过在线调节第一控制变量与第二控制变量,实现脉冲GTA填丝增材制造过程中堆积层宽度与高度的稳定控制,其特征在于包括以下步骤:

步骤一:针对脉冲GTA填丝增材制造系统,选取对堆积层宽度影响最大的参数作为第一控制变量,对弧压影响最大的参数作为第二控制变量,并设计双变量解耦器,解除第二控制变量对堆积层宽度的影响、第一控制变量对弧压的影响,解耦器与脉冲GTA填丝增材制造系统构成复合脉冲GTA填丝增材制造系统,在复合脉冲GTA填丝增材制造系统中,第一控制变量仅影响堆积层宽度,第二控制变量仅影响弧压;

步骤二:针对复合脉冲GTA填丝增材制造系统,分别设计堆积层宽度控制器与弧压控制器;

步骤三:GTA枪起弧,沿着预定路径开始堆积,GTA枪运动d=7 12mm后,开启视觉传感系~

统与电压传感系统;

步骤四:视觉传感系统采集堆积层的宽度图像信息,确定采像时刻t的范围为:T1/3+nT~

2T1/3+nT,其中T1为一个脉冲周期内基值电流的持续时间,T为脉冲周期,n=0,1,2,3…,并将连续采集到的图像输入计算机中,通过图像处理程序提取堆积层特征宽度值Wm,同时计算Wm和预设宽度值Wset的偏差量ΔW;电压传感系统采集弧压信息,采用弧压滤波算法对 (t‑∆t,t+∆t) 时间范围内的弧压信号进行处理,提取(t‑∆ t /10,t+∆t /10)的弧压平均值Um,计算Um与设定弧压Uset的偏差量ΔU,其中∆t取值范围为:0.05~0.1s;

步骤五:采用步骤二中设计的堆积层宽度控制器,并基于步骤四中的堆积层宽度偏差量ΔW,计算出第一控制变量的调整量Δd1,控制堆积层宽度偏差量ΔW<0.5mm,实现堆积层宽度的均匀控制;采用步骤二中设计的弧压控制器,并基于步骤四中的弧压偏差量ΔU,计算出第二控制变量的调整量Δd2,控制弧压偏差量ΔU<0.3V,实现弧压的稳定控制,即通过在线调节第一控制变量与第二控制变量的方法,完成脉冲GTA填丝增材制造过程中堆积层宽度与高度双变量的稳定控制。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲GTA填丝增材制造堆积层片双变量控制方法,其特征在于:步骤一所述解耦器基于的解耦方法为状态反馈解耦方法、模糊推理解耦方法或神经网络解耦方法。

3.根据权利要求1所述的一种脉冲GTA填丝增材制造堆积层片双变量控制方法,其特征在于:步骤一所述第一控制变量为堆积速度,第二控制变量为送丝速度。

4.根据权利要求1所述的一种脉冲GTA填丝增材制造堆积层片双变量控制方法,其特征在于:步骤二所述堆积层宽度控制器与弧压控制器分别为内模控制器与模糊推理控制器。

5.根据权利要求1所述的一种脉冲GTA填丝增材制造堆积层片双变量控制方法,其特征在于:步骤三所述预定路径为多层单道结构。

6.根据权利要求1所述的一种脉冲GTA填丝增材制造堆积层片双变量控制方法,其特征在于:步骤四所述图像处理程序为中值滤波、宽度边缘检测、边缘直线拟合。

7.根据权利要求1所述的一种脉冲GTA填丝增材制造堆积层片双变量控制方法,其特征在于:步骤四所述弧压滤波算法为防脉冲干扰滑动均值滤波。

8.根据权利要求1所述的一种脉冲GTA填丝增材制造堆积层片双变量控制方法,其特征在于:方法采用脉冲GTA填丝增材制造堆积层片双变量控制系统,所述脉冲GTA填丝增材制造堆积层片双变量控制系统包括脉冲GTA填丝增材制造系统、双变量解耦器、堆积层宽度控制器、弧压控制器、电压传感系统、视觉传感系统;

其中脉冲GTA填丝增材制造系统用于实现脉冲GTA填丝增材制造工艺过程;

双变量解耦器用于解除第一控制变量对弧压的影响,第二控制变量对堆积层宽度的影响;

堆积层宽度控制器根据堆积层宽度偏差量的大小调整第一控制变量,完成堆积层宽度的均匀控制;

弧压控制器根据弧压偏差量大小调整第二控制变量,完成堆积过程中弧压的稳定控制;电压传感系统用于检测堆积过程中的弧压信息;

视觉传感系统用于检测堆积过程中的堆积层宽度图像信息;

其中,电压传感系统采集堆积过程中的弧压信息,同时将弧压模拟信号传递给数据采集卡,数据采集卡将弧压模拟信号转换为弧压数字信号并输入计算机中,计算机中所设计的弧压控制器与双变量解耦器根据输入的弧压数字信号,确定第二控制变量的调整量;视觉传感系统采集堆积过程中的宽度图像信息,并通过USB接口将宽度图像信息传入计算机中,计算机将宽度图像信息进行处理后得到堆积层宽度值,所设计的堆积层宽度控制器与双变量解耦器根据处理后的堆积层宽度值,确定第一控制变量的调整量。

9.根据权利要求8所述的一种脉冲GTA填丝增材制造堆积层片双变量控制方法,其特征在于:脉冲GTA填丝增材制造系统包括:基板(1)、堆积层(2)、视觉传感系统(3)、GTA枪(4)、钨极(5)、填充焊丝(6)、脉冲GTA增材制造电源(7)、电压传感系统(8)、计算机(9)、送丝机(10);其中,脉冲GTA增材制造电源(7)负极与GTA枪(4)连接、正极与基板(1)连接,GTA枪(4)又连接钨极(5),送丝机(10)、GTA枪(4)同时通过数据采集卡连接计算机(9),计算机(9)又分别通过USB接口与数据采集卡连接视觉传感系统(3)、电压传感系统(8),电压传感系统(8)又连接至脉冲GTA增材制造电源(7);电压传感系统包括霍尔电压传感器和数据采集卡,电压传感系统(8)采集堆积过程中的弧压信息,同时将弧压模拟信号传递给数据采集卡,数据采集卡将弧压模拟信号转换为弧压数字信号并输入计算机(9)中,视觉传感系统(3)采集堆积过程中堆积层(2)的宽度图像信息,并通过USB接口将宽度图像信息传入计算机(9)中,计算机(9)获取到弧压数字信号与宽度图像信息后进行处理分析,发出调整信号改变GTA枪(4)的堆积速度与送丝机(10)的送丝速度,进而实现堆积层(2)宽度与高度双变量的稳定控制;运动执行机构为机器人,GTA枪通过夹具固定在机器人第六轴上,机器人控制GTA枪运动,视觉传感系统安装在GTA枪后方。

10.一种脉冲GTA填丝增材制造堆积层片双变量控制系统,所述脉冲GTA填丝增材制造堆积层片双变量控制系统包括脉冲GTA填丝增材制造系统、双变量解耦器、堆积层宽度控制器、弧压控制器;

其中脉冲GTA填丝增材制造系统用于实现脉冲GTA填丝增材制造工艺过程;

双变量解耦器用于解除第一控制变量对弧压的影响,第二控制变量对堆积层宽度的影响;

堆积层宽度控制器根据堆积层宽度偏差量的大小调整第一控制变量,完成堆积层宽度的均匀控制;弧压控制器根据弧压偏差量的大小调整第二控制变量,完成堆积过程中弧压的稳定控制;

其中,电压传感系统采集堆积过程中的弧压信息,同时将弧压模拟信号传递给数据采集卡,数据采集卡将弧压模拟信号转换为弧压数字信号并输入计算机中,计算机中所设计的弧压控制器与双变量解耦器根据输入的弧压数字信号,确定第二控制变量的调整量;视觉传感系统采集堆积过程中的宽度图像信息,并通过USB接口将宽度图像信息传入计算机中,计算机将宽度图像信息进行处理后得到堆积层宽度值,所设计的堆积层宽度控制器与双变量解耦器根据处理后的堆积层宽度值,确定第一控制变量的调整量;

脉冲GTA填丝增材制造系统包括:基板(1)、堆积层(2)、视觉传感系统(3)、GTA枪(4)、钨极(5)、填充焊丝(6)、脉冲GTA增材制造电源(7)、电压传感系统(8)、计算机(9)、送丝机(10),电压传感系统用于检测堆积过程中的弧压信息;视觉传感系统用于检测堆积过程中的堆积层宽度图像信息;其中,脉冲GTA增材制造电源(7)负极与GTA枪(4)连接、正极与基板(1)连接,GTA枪(4)又连接钨极(5),送丝机(10)、GTA枪(4)同时通过数据采集卡连接计算机(9),计算机(9)又分别通过USB接口与数据采集卡连接视觉传感系统(3)、电压传感系统(8),电压传感系统(8)又连接至脉冲GTA增材制造电源(7);电压传感系统包括霍尔电压传感器和数据采集卡,电压传感系统(8)采集堆积过程中的弧压信息,同时将弧压模拟信号传递给数据采集卡,数据采集卡将弧压模拟信号转换为弧压数字信号并输入计算机(9)中,视觉传感系统(3)采集堆积过程中堆积层(2)的宽度图像信息,并通过USB接口将宽度图像信息传入计算机(9)中,计算机(9)获取到弧压数字信号与宽度图像信息后进行处理分析,发出调整信号改变GTA枪(4)的堆积速度与送丝机(10)的送丝速度,进而实现堆积层(2)宽度与高度双变量的稳定控制;运动执行机构为机器人,GTA枪通过夹具固定在机器人第六轴上,机器人控制GTA枪运动,视觉传感系统安装在GTA枪后方。