[发明专利]一种电弧增材制造过程的自适应控制系统及方法

说明书

本发明公开了一种电弧增材制造过程的自适应控制系统及方法。数据采集模块通过前置式红外热成像仪采集熔池前方的温度信息并传输至控制模块，通过前置式相机采集熔池图像并传输至控制模块，通过前置式结构光传感器采集上一沉积层的轮廓信息并传输至控制模块；控制模块的数据处理器用于处理数据采集模块传输的数据信息，控制模块的前馈控制器基于对电弧能量和送丝速度进行前馈控制；控制模块的反馈控制器对电弧能量进行反馈控制；通信模块将控制模块的控制信号传输至电源和送丝机；控制器自学习模块用于前馈控制器人工智能模型的训练。本发明提高了电弧增材制造技术对复杂结构的适用性。

技术领域

本发明涉及一种电弧增材制造过程的自适应控制系统及方法，属于电弧增材制造与智能制造技术领域。

背景技术

电弧增材制造是一种以电弧为热源，金属丝材为填充材料的增材制造技术。对于尺寸较大，几何形状复杂的结构，传统的等材制造和减材制造工艺存在制造工艺复杂，柔性化程度低，材料浪费严重等问题。采用电弧增材制造技术则可简化制造工艺，快速响应产品结构设计，降低制造成本，应用前景广阔。增材制造过程中材料的成形受散热条件变化的影响很大，尺寸精度难以保证，这是增材制造结构质量控制所面临的挑战之一。目前大多数增材制造产品的制造过程仍是开环的，沉积参数在路径规划时就已确定。而在工业生产中，人们更希望能够根据沉积过程中的工况的变化，自适应调整工艺参数来保证成形。然而增材制造过程的高度复杂性尚不能通过普适的数学模型来描述，过程控制的实现难度较大，提出可行的自适应控制方法是目前亟待解决的问题。若能在电弧增材制造过程中对材料的成形进行自适应控制，将有利于电弧增材制造的精度，并获得更加稳定的产品质量。

发明内容

本发明针对电弧增材制造过程中材料的成形受散热条件变化影响大，尺寸精度难以保证的问题，提出了一种电弧增材制造过程的自适应控制系统及方法。从根本上解决了复杂结构电弧增材制造时因散热条件多变所引起的成形不均匀，沉积尺寸与设计尺寸偏差较大的问题，提高了电弧增材制造技术对复杂结构的适用性。

一种电弧增材制造过程的自适应控制系统，所述自适应控制系统包括数据采集模块、控制模块、通信模块和控制器学习模块，所述采集模块、控制模块和通信模块依次连接，其中，

所述数据采集模块，用于，通过前置式红外热成像仪采集熔池前方的温度信息并传输至控制模块，通过前置式相机采集熔池图像并传输至所述控制模块，通过前置式结构光传感器采集上一沉积层的轮廓信息并传输至所述控制模块；

所述控制模块，包括数据处理器、前馈控制器和反馈控制器，所述数据处理器用于处理数据采集模块传输的数据信息，从所述前置红外热成像仪传输的温度场信息中提取熔池前方温度场和温度梯度场，从所述前置式相机传输的熔池图像中提取熔池的实时尺寸，从前置式结构光传感器传输的上一沉积层的轮廓信息中提取上一沉积层的尺寸；所述前馈控制器基于人工智能模型根据熔池前方温度场和温度梯度场信息对电弧能量进行前馈控制，根据上一沉积层的尺寸对送丝速度进行前馈控制；所述反馈控制器根据熔池的实时尺寸对电弧能量进行反馈控制；

所述通信模块，用于将控制模块的控制信号传输至电源，实现对电弧能量的实时调节，将控制模块的控制信号传输至送丝机，实现对送丝速度的实时调节；

所述控制器自学习模块，用于前馈控制器人工智能模型的训练。

进一步的，所述前馈控制器基于人工神经元网络，所述人工神经元网络通过熔池前方温度场和温度梯度场信息预测沉积过程进行至该处时所需的电弧能量增量，通过上一沉积层的尺寸信息预测沉积过程进行至该处时所需的送丝速度增量。

进一步的，所述控制器自学习模块，通过有限元数值模拟获得大量随机结构的电弧增材制造过程温度场理论数据，通过迭代学习使所述前馈控制器的人工智能模型达到理想的精度。

一种电弧增材制造过程的自适应控制方法，基于上述的一种电弧增材制造过程的自适应控制系统，所述自适应控制方法包括以下步骤：