一种电弧增材制造过程的自适应控制系统及方法
阅读说明：本技术 一种电弧增材制造过程的自适应控制系统及方法 (Self-adaptive control system and method for electric arc additive manufacturing process ) 是由 蔡笑宇 董博伦 林三宝 李�权 王福德 赵衍华 范成磊 杨春利 于 2020-11-27 设计创作，主要内容包括：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。(The invention discloses a self-adaptive control system and a self-adaptive control method in an electric arc additive manufacturing process. The data acquisition module acquires temperature information in front of a molten pool through a front-mounted infrared thermal imager and transmits the temperature information to the control module, the front-mounted camera acquires images of the molten pool and transmits the images to the control module, and the front-mounted structured light sensor acquires contour information of a previous settled layer and transmits the contour information to the control module; the data processor of the control module is used for processing data information transmitted by the data acquisition module, and the feedforward controller of the control module performs feedforward control on the arc energy and the wire feeding speed; a feedback controller of the control module performs feedback control on the arc energy; the communication module transmits the control signal of the control module to the power supply and the wire feeder; the controller self-learning module is used for training the feedforward controller artificial intelligence model. The invention improves the applicability of the electric arc additive manufacturing technology to complex structures.)
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：
步骤一、在电弧增材制造过程开始之前，所述控制器自学习模块利用训练数据进行迭代学习，直至人工智能模型具备一定的精度，能够准确根据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，根据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；
步骤二、在电弧增材制造过程中，所述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；
步骤三、所述控制模块中的数据处理器对数据采集模块传输的数据进行实时处理，从前置式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；
步骤四、所述控制模块的前馈控制器根据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，延迟输出给通信模块，根据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，延迟输出给通信模块；
步骤五、所述控制模块的反馈控制器根据熔池的实时尺寸判断保证尺寸精度所需的电弧能量增量，实时输出给通信模块；
步骤六、所述通信模块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。
进一步的，在步骤一中，所述控制器自学习模块采用随机算法生成大量变散热条件的几何模型，对这些几何模型进行分层和路径规划后采用有限元数值模拟进行温度场仿真，得到每个几何模型电弧增材制造时熔池前方温度场，温度梯度场和熔池运动至该处时保证尺寸稳定所需的电弧能量增量，将这些数据用于前馈控制器人工智能模型的训练，通过迭代学习使前馈控制器的人工智能模型达到理想的精度。
本发明的主要优点是：本发明的一种电弧增材制造过程的自适应控制系统，提出的方法并不局限于特定的材料、结构形式和电弧增材制造工艺方法，适应性强。使用红外图像，被动视觉传感和主动视觉传感多信息融合输入，以及前馈加反馈复合控制，对于高度非线性和强时变特征的电弧增材制造过程来说具有较高的可靠性。
附图说明
图1是本发明的一种电弧增材制造过程的自适应控制系统的框图；
图2是本发明的一种控制器自学习模块的框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明为一种电弧增材制造过程的自适应控制系统，包括数据采集模块，控制模块，通信模块和控制器自学习模块；所述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；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，通过图像处理从相机传输的熔池图像中提取熔池的实时尺寸，通过图像处理从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沉积过程进行至温度场和温度梯度场采样位置时所需的电弧能量增量进行预测，并延迟输出至通信模块，实现对电弧能量的前馈控制，根据上一沉积层的尺寸对对沉积过程进行至上一沉积层尺寸采样位置时所需的送丝速度增量进行预测，并延迟输出至通信模块，实现对送丝速度的前馈控制；所述反馈控制器根据熔池的实时尺寸判断保证尺寸精度所需的电弧能量增量，并实时输出至通信模块，实现对电弧能量的反馈控制；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。
优选地，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。
优选地，如图2所示，所述控制器自学习模块采用随机算法生成大量变散热条件的几何模型，对这些几何模型进行分层和路径规划后采用有限元数值模拟进行温度场仿真，得到每个几何模型电弧增材制造时熔池前方温度场，温度梯度场和熔池运动至该处时保证尺寸稳定所需的电弧能量增量，将这些数据用于前馈控制器人工智能模型的训练，通过迭代学习使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，包括以下步骤：
步骤一、如图2所示，在电弧增材制造过程开始之前，所述控制器自学习模块采用随机算法生成具有变散热条件的不同几何模型，然后对这些几何模型进行分层和路径规划，并进行增材制造过程温度场有限元数值模拟，从模拟结果种提取增材制造过程种熔池前方温度场和温度梯度场特征数据，并反复调整电弧能量，使得整个电弧增材制造过程种熔池尺寸能够保持恒定，将温度场和温度梯度场特征数据，与熔池移动至特征数据采样点位置时保持尺寸恒定所需的电弧能量组成训练数据集，用于前馈控制器人工智能模型的训练，通过梯度下降法进行前馈控制器的自学习，使之达到理想的精度。
步骤二、在电弧增材制造过程种，所述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；
步骤三、所述控制模块中的数据处理器对数据采集模块传输的数据进行实时处理，对红外热成像仪传输的辐射强度数据进行计算，得到温度场信息，对温度场进行平滑和梯度运算，得到温度梯度场信息；对相机传输的熔池图像进行降噪，二值化，边缘检测，轮廓拟合后计算出熔池的实时宽度；对结构光传感器传输的上一沉积层轮廓图像进行降噪，二值化，边缘检测，特征点提取，轮廓重构后计算出上一沉积层的高度和宽度。
步骤四、所述控制模块的前馈控制器根据熔池前方特征位置的温度和温度梯度信息利用已训练好的人工智能模型预测沉积过程进行至该处时所需的电弧能量增量，延迟至沉积过程进行至该处时输出给通信模块，根据上一沉积层的尺寸信息，计算还需填充的金属量，根据焊丝的尺寸计算得到所需的送丝速度增量，延迟至沉积过程进行至该处时输出给通信模块。
步骤五、所述控制模块的反馈控制器根据熔池的实时尺寸利用自适应PID控制算法计算得到保证尺寸精度所需的电弧能量增量，实时输出给通信模块；
步骤六、所述通信模块将控制模块的控制信号通过电源通信接口传输至电源，实现对电弧能量的实时调节，将控制模块的控制信号通过送丝机通信接口传输至送丝机，实现对送丝速度的实时调节。
本发明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。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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