[发明专利]一种基于视觉传感的GTA增材制造系统及控制方法

权利要求书

1.一种基于视觉传感的钨极惰性气体保护电弧GTA增材制造系统，其特征在于，包括工作台，氩弧焊枪，上位机控制系统，电弧热源系统，运动控制系统，机器人，图像采集系统，送丝系统，送丝旋转机构和供气系统；

所述电弧热源系统，用于接收所述上位机控制系统发出的电弧参数及指令，在增材制造过程中与所述氩弧焊枪及所述工作台形成回路，提供电弧热源，并向所述上位机控制系统反馈实际电弧参数；

所述运动控制系统，用于接收所述上位机控制系统发出的运动参数及指令，控制所述机器人的运动；并向所述上位机控制系统反馈实际运动参数；

所述机器人，用于固定所述氩弧焊枪和所述图像采集系统，使所述氩弧焊枪和所述图像采集系统按照运动参数移动；

所述图像采集系统，聚焦于所述氩弧焊枪钨极正下方1.5～2.5mm处，用于采集电弧形貌，并向所述上位机控制系统反馈采集的电弧图像信息；

所述送丝系统包括送丝控制器，送丝机和送丝管；

所述送丝控制器用于接收所述上位机控制系统发出的送丝参数及指令，控制所述送丝机送丝，并向所述上位机控制系统反馈实际送丝参数；

所述送丝管安装于所述送丝旋转机构上；丝材从所述送丝机的出丝口送出后穿入所述送丝管，由送丝管穿出后丝材端部位于所述氩弧焊枪钨极下方偏向运动方向的位置；

所述送丝旋转机构包括送丝旋转控制器和旋转盘；所述送丝旋转控制器用于接收所述上位机控制系统发出的送丝角度旋转参数及指令，控制所述旋转盘转动；所述送丝管安装于所述旋转盘上，随所述旋转盘转动调节送丝角度；

所述送丝旋转机构与所述氩弧焊枪位置相对固定，随所述氩弧焊枪沿运动方向移动；

所述供气系统，包括气路与电路，所述气路与所述氩弧焊枪通过导管连接，所述电路根据所述上位机控制系统的指令控制供气的启动和停止。

2.根据权利要求1所述的一种基于视觉传感的钨极惰性气体保护电弧GTA增材制造系统，其特征在于，

所述电弧参数包括电弧电流参数和电弧电压参数；

所述运动参数包括运动路径和运动速度参数；所述运动路径包括X轴路径、Y轴路径、Z轴路径；

所述送丝参数包括送丝速度。

3.一种基于视觉传感的钨极惰性气体保护电弧GTA增材制造控制方法，其特征在于，利用权利要求1或2所述的GTA增材制造系统实现控制，包括如下步骤：

(1)在上位机控制系统上设定好电弧参数、运动参数、送丝参数，启动电弧增材制造过程；

(2)增材制造过程中，电弧热源系统采集实际电弧参数，运动控制系统采集机器人实际运动参数，送丝系统采集实际送丝参数，图像采集系统采集电弧形貌信息；实时采集的信号均反馈至上位机控制系统，进行实时工艺参数信息显示；

(3)上位机控制系统内部MATLAB工程软件对电弧形貌信息进行图像处理，提取电弧长度和熔滴过渡模式信息，并进行信息显示；同时，基于提取出的电弧长度和熔滴过渡模式信息，进行弧长调节及送丝角度调节；

弧长调节优先于送丝角度调节；

所述弧长调节的具体过程为：

(1)实时提取电弧长度信息，钨极端部至上一沉积层的距离定义为实际电弧长度L，将实际电弧长度L与预设电弧长度阈值比较，预设电弧长度阈值L_max＝(1+10％)L₀，L_min＝(1-10％)L₀，L₀为预设电弧长度；

(2)若L大于L_max，则由上位机控制系统输出Z轴下降指令至运动控制系统，控制机器人使氩弧焊枪高度降低，从而减小电弧长度，直至L处于L_min～L_max之间；

(3)若L小于L_min，则由上位机控制系统输出Z轴上升指令至运动控制系统，控制机器人使氩弧焊枪高度升高，从而增大电弧长度，直至L处于L_min～L_max之间。

4.根据权利要求3所述的一种基于视觉传感的钨极惰性气体保护电弧GTA增材制造控制方法，其特征在于，

在弧长调节的基础上，进行送丝角度调节，送丝角度调节的具体步骤为：

上位机控制系统根据电弧形貌信息，判断熔滴过渡模式：

(1)若两相邻电弧形貌图像采集帧的电弧轮廓重叠面积小于两帧中任意一帧电弧轮廓面积的85％，则表明电弧一端处于在熔池和丝材间变换的不稳定状态，判定熔滴过渡模式为滴状过渡模式；此时由上位机控制系统输出送丝角度增大指令至送丝旋转机构，控制送丝角度增大，丝材端部高度降低，直至不呈滴状过渡模式的临界，即丝材呈连续流淌过渡；

(2)若两相邻电弧形貌图像采集帧的电弧轮廓重叠面积大于或等于两帧各自电弧轮廓面积的85％，则表明电弧两端在钨极与熔池间呈稳定状态；此时存在呈连续流淌过渡或丝材未送进熔池两种情况，将后一帧电弧轮廓沿钨极中心纵轴划分成左右两个区域：若左右区域电弧轮廓面积之差大于或等于整体电弧轮廓面积的10％，即电弧轮廓沿钨极中心纵轴不呈轴对称，则表明存在丝材送进熔池，判定熔滴过渡模式为连续流淌过渡，此时无需进行送丝角度调节；若左右区域电弧轮廓面积之差小于整体电弧轮廓面积的10％，即电弧轮廓沿钨极中心纵轴近似呈轴对称，则表明丝材未送进熔池，此时由上位机控制系统输出送丝角度减小指令至送丝旋转机构，控制送丝角度减小，丝材端部高度升高；

(3)根据上位机控制系统设定程序进行填充丝材逐层沉积，待上位机控制系统设定程序运行完成后，结束电弧增材制造过程。