GMAW增材制造堆积熔池表面三维重建及熔宽控制

发布时间：2020-10-08 16:24

　　熔化极气体保护电弧增材制造(Gas metal arc welding-based additive manufacturing,GMAW-AM)是直接成形低成本复杂金属零部件的主要方法之一。然而,GMAW-AM过程存在众多扰动因素,难以保证堆积层熔池尺寸均匀一致;同时,现存的检测方法无法完整表征电弧增材制造熔池三维几何尺寸。基于此,本文设计虚拟双目视觉传感系统,重建GMAW-AM熔池表面三维形貌;搭建熔池宽度控制系统,设计模糊控制器实现熔池宽度的实时闭环反馈控制。首先基于双棱镜折射原理,设计了基于单摄像机的虚拟双目视觉传感系统,使单摄像机获得了立体图像对;搭建了包含GMAW热源、虚拟双目视觉传感系统、电机运动系统、中央计算机、试验控制箱的GMAW-AM熔宽控制实验系统。其次,基于Microsoft Visual C++2010开发了GMAW-AM熔宽控制人机交互界面,建立了完整的实验平台。采用平面模板标定算法求解了两虚拟摄像机内外参数及其位置关系,基于透射投影极线校正算法完成了图像对的极线校正,对自适应Census变换匹配算法(Adaptive Census Transform matching algorithm,ACT)、全局交叉迭代匹配算法(Global-based Crosswise Iteration matching algorithm,GCI)和半全局匹配算法(Semi Global Matching algorithm,SGM)做出了一定的改进,求取了图像对亚像素精度视差,通过计算空间点的三维坐标重建物体表面三维形貌。重建了标准圆柱体表面部分三维形貌,验证了虚拟双目视觉传感系统及三维重建算法的有效性。结果表明,宽度误差优于3.17%,高度误差优于5.83%。基于不同立体匹配算法,重建了GMAW-AM熔池表面三维形貌,实现了熔池形貌的在线检测。基于高斯滤波、Soble检测、Hough变换直线拟合,开发了基于立体视觉的熔池宽度检测实时处理算法,重建了熔池边缘三维形貌,实现了GMAW-AM熔池宽度在线实时准确检测。进行阶跃响应实验,辨识了以堆积电流变化为输入、GMAW-AM熔宽变化为输出的传递函数。基于Matlab模糊控制工具箱设计了模糊控制器,通过Simulink仿真确定了量化因子和比例因子。研究了不同控制周期对GMAW-AM熔池宽度控制精度的影响,干扰试验验证了控制系统的性能,恒定规范试验验证了GMAW-AM熔池宽度控制的必要性。开展了GMAW-AM熔池宽度定宽度和变宽度控制试验,模糊控制系统均能获得良好的控制效果。结果表明,在达到一定堆积层数后,其最大熔池宽度误差优于0.5 mm,误差均方根优于0.2 mm。
【学位单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG444
【部分图文】：

电弧,零部件,合金

.1 电弧增材制造研究现状早在 1952 年，Baker[7]申请了一个以电弧为热源、采用逐层沉积方式制体金属物体的专利，形成了电弧增材制造的雏形。20 世纪 90 年代以来算机技术以及数字化控制技术的高速发展，WAAM 得到了国内外学者的重视[5-6]。近年来，国内外研究者对电弧增材制造技术在不同工艺下划和不同金属零部件成形、组织性能进行了全面深入的研究。澳大利亚卧龙岗大学的Ding等[8-10]开发了基于机器臂的全自动GMAW系统，详细探讨了堆积路径规划以及堆积过程中的参数选择。通过人工建立熔滴与堆积工艺参数动态模型，开发了自适应内侧轴变换算法，并滴及多熔滴动态模型实现自适应路径，以及堆积参数的选择。利用该系复杂薄壁铝合金构件、镍铝青铜合金构件等，如图 1.1 所示。

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西南交通大学硕士研究生学位论文得到精确成形的金属零部件，研究者们在控制堆积热源移动、面开展了大量工作。巴西圣保罗大学的 Silva 等[18]在 PAW 增等离子焊枪运动速度与位置进行闭环控制，得到精确成形的构德大学的 Colegrove 等[19-20]在 S355 低碳钢 CMT 电弧增材制造工艺，如图 1.2 所示，减小了直壁件 WAAM 过程因应力产生四层进行轧制，与每层轧制带来的变形减小量相近，而且，轧，提升了性能，同时降低了机械性能的各向异性。

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图 1.2 轧制及电弧增材制造设备示意图[19]华中科技大学的 Xie 等[21]基于变质机理理论开发了微型变质轧制工艺不锈钢 GWA-AM 各堆积层进行轧制。通过对堆积层顶部成形面进行轧累积的最大高度绝对误差从 2.4 mm 减小至 0.2 mm，约节省了 91.6%的再加工时间；通过对堆积层侧面进行轧制，使得最大宽度绝对误差从减小至 0.12 mm，最终获得恒定堆积层厚度的金属零部件。为了获得不同倾斜角度的堆积金属零部件，英国克兰菲尔德大学的 K]将 S355 钢与铝合金 CMT 电弧增材制造过程中的竖直焊枪改为倾斜放出不同倾斜角度的堆积零件，探讨了行走速度与送丝速度对倾斜角度并得到了可大大减轻重量的封闭中空零件，如图 1.3 所示。

【参考文献】