一种增材制造熔深在线检测和控制方法及系统与流程

本发明涉及焊接熔深检测和控制领域，尤其是涉及一种增材制造熔深在线检测和控制方法及系统。

背景技术：

增材制造概念的提出始于20世纪80年代后期，我国则于90年代初开始研究。经过短短20余年的时间，这一技术已取得了飞速发展，在航空航天、微纳制造、生物医学工程等诸多领域的应用前景十分广阔。电弧增材制造中的熔深量是关系到焊接质量的一个重要参数。研究在线实时控制熔深，对于增材制造自动化、智能化发展意义重大。

一种超声相控阵测量u肋焊缝熔深的方法和一种超声测熔深检测系统公开了利用超声波检测焊缝熔深的方法，但超声波检测需要装置与工件接触，影响产品尺寸精度；同时，随焊缝位置移动，装置也需要移动，难于实现过程同步，智能化制造困难。一种焊缝熔深检测方法公开了利用磁感应信号变化检测熔深的方法，此方法很难用于高温焊缝检测。

目前，还没有出现一种能很好在线实时检测和在线实时控制焊缝熔深的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种增材制造熔深在线检测和控制方法及系统，解决现有技术中的上述技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种增材制造熔深在线检测和控制方法，包括：

s1、根据工艺参数对一待焊接部位进行焊接；

s2、采集熔池图像，熔池图像为焊接的熔池部位的红外图像，对熔池图像进行图像处理，获取熔池图像的形貌信息、温度分布信息、像素值；建立温度值和像素值的第一对应关系，建立距离值和像素值的第二对应关系；根据第一对应关系和第二对应关系获取熔池部位的熔宽和熔深方向的最大温差；

s3、建立理论熔深计算模型，将计算参数输入理论熔深计算模型，获取理论熔深；

s4、将理论熔深、熔宽和熔深方向的最大温差输入训练好的人工神经网络，人工神经网络输出实际熔深；

s5、计算实际熔深与预设需求熔深的差值，当差值处于预设范围内，对下一待焊接部位执行步骤s1-s5；当差值超过预设范围，根据差值调整工艺参数，然后对下一待焊接部位执行步骤s1-s5。

本发明还提供一种增材制造熔深在线检测和控制系统，包括：

焊接模块：根据工艺参数对一待焊接部位进行焊接；

图像获取与处理模块：采集熔池图像，熔池图像为焊接的熔池部位的红外图像，对熔池图像进行图像处理，获取熔池图像的形貌信息、温度分布信息、像素值；建立温度值和像素值的第一对应关系，建立距离值和像素值的第二对应关系；根据第一对应关系和第二对应关系获取熔池部位的熔宽和熔深方向的最大温差；

理论熔深计算模块：建立理论熔深计算模型，将计算参数输入理论熔深计算模型，获取理论熔深；

实际熔深计算模块：将理论熔深、熔宽和熔深方向的最大温差输入训练好的人工神经网络，人工神经网络输出实际熔深；

工艺参数调整模块：计算实际熔深与预设需求熔深的差值，当差值处于预设范围内，对下一待焊接部位依次执行焊接模块、图像获取与处理模块、理论熔深计算模块、实际熔深计算模块、工艺参数调整模块的操作；当差值超过预设范围，根据差值调整工艺参数，然后对下一待焊接部位依次执行焊接模块、图像获取与处理模块、理论熔深计算模块、实际熔深计算模块、工艺参数调整模块的操作。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：采集熔池图像并对图像进行处理，建立理论熔深计算模型，获取理论熔深，利用人工神经网络获取实际熔深，做到在线实时检测焊接熔深；当焊接实际熔深和预设需求熔深的差值超过预设范围时，调整工艺参数，再对后续待焊接部位进行焊接，实现了在线实时控制焊接熔深，实现了智能化增材制造。

附图说明

图1是本发明提供的一种增材制造熔深在线检测和控制方法流程图；

图2是本发明提供的一种增材制造熔深在线检测和控制系统结构框图。

附图中：1、增材制造熔深在线检测和控制系统，11、焊接模块，12、图像获取与处理模块，13、理论熔深计算模块，14、实际熔深计算模块，15、工艺参数调整模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种增材制造熔深在线检测和控制方法，包括：

s1、根据工艺参数对一待焊接部位进行焊接；

s2、采集熔池图像，熔池图像为焊接的熔池部位的红外图像，对熔池图像进行图像处理，获取熔池图像的形貌信息、温度分布信息、像素值；建立温度值和像素值的第一对应关系，建立距离值和像素值的第二对应关系；根据第一对应关系和第二对应关系获取熔池部位的熔宽和熔深方向的最大温差；

s3、建立理论熔深计算模型，将计算参数输入理论熔深计算模型，获取理论熔深；

s4、将理论熔深、熔宽和熔深方向的最大温差输入训练好的人工神经网络，人工神经网络输出实际熔深；

s5、计算实际熔深与预设需求熔深的差值，当差值处于预设范围内，对下一待焊接部位执行步骤s1-s5；当差值超过预设范围，根据差值调整工艺参数，然后对下一待焊接部位执行步骤s1-s5。

本发明所述的增材制造熔深在线检测和控制方法，步骤s1中：

所述工艺参数为预设的影响焊接质量的若干物理量；

具体的，工艺参数包括焊接工艺参数和辅助焊接工艺参数，焊接工艺参数包括焊接电流、焊接电压、焊接速度等所有影响焊接质量的工艺参数组合，辅助焊接工艺参数包括焊接环境温度、焊接水冷量、工艺气体的流量与压力等所有影响焊接质量的工艺参数组合。

本发明所述的增材制造熔深在线检测和控制方法，步骤s2中：

利用红外图像采集装置采集熔池部位的图像信号，将图像信号转化为数字信号后，再进行图像处理，获取熔池图像的形貌信息、温度分布信息、像素值。

本发明所述的增材制造熔深在线检测和控制方法，步骤s3中：

联合焊接热源数学模型和焊接传热数学模型从而建立所述理论熔深计算模型；

具体的，理论熔深计算模型包括一切能利用焊接热源数学模型和焊接传热模型将熔深通过计算的方式求解出的组合；优选的，可联合高斯热源焊接数学模型和半无限体瞬时点热源焊接传热数学模型从而建立理论熔深计算模型；理论熔深计算模型求解出的理论熔深与实际熔深的误差应在合理的范围之内。

本发明所述的增材制造熔深在线检测和控制方法，步骤s3中：

所述计算参数包括焊材、焊接设备的详细参数，以及预设物理参数。

本发明所述的增材制造熔深在线检测和控制方法，步骤s4中：

人工神经网络可以为bp(backpropagation)人工神经原始网络，也可以为优化改进之后的能对熔深进行求解的所有bp人工神经网络。

本发明所述的增材制造熔深在线检测和控制方法，步骤s5中：

当一待焊接部位的实际熔深与预设需求熔深的差值超过预设范围，根据差值生成调整数据，根据调整数据可继续对该待焊接部位进行焊接，使得该待焊接部位的实际熔深与预设需求熔深的差值在预设范围内。

本发明还提供一种增材制造熔深在线检测和控制系统1，包括：

焊接模块11：根据工艺参数对一待焊接部位进行焊接；

图像获取与处理模块12：采集熔池图像，熔池图像为焊接的熔池部位的红外图像，对熔池图像进行图像处理，获取熔池图像的形貌信息、温度分布信息、像素值；建立温度值和像素值的第一对应关系，建立距离值和像素值的第二对应关系；根据第一对应关系和第二对应关系获取熔池部位的熔宽和熔深方向的最大温差；

理论熔深计算模块13：建立理论熔深计算模型，将计算参数输入理论熔深计算模型，获取理论熔深；

实际熔深计算模块14：将理论熔深、熔宽和熔深方向的最大温差输入训练好的人工神经网络，人工神经网络输出实际熔深；

工艺参数调整模块15：计算实际熔深与预设需求熔深的差值，当差值处于预设范围内，对下一待焊接部位依次执行焊接模块、图像获取与处理模块、理论熔深计算模块、实际熔深计算模块、工艺参数调整模块的操作；当差值超过预设范围，根据差值调整工艺参数，然后对下一待焊接部位依次执行焊接模块、图像获取与处理模块、理论熔深计算模块、实际熔深计算模块、工艺参数调整模块的操作。

本发明所述的增材制造熔深在线检测和控制系统1，焊接模块11中：

所述工艺参数为预设的影响焊接质量的若干物理量；

具体的，工艺参数包括焊接工艺参数和辅助焊接工艺参数，焊接工艺参数包括焊接电流、焊接电压、焊接速度等所有影响焊接质量的工艺参数组合，辅助焊接工艺参数包括焊接环境温度、焊接水冷量、工艺气体的流量与压力等所有影响焊接质量的工艺参数组合。

本发明所述的增材制造熔深在线检测和控制系统1，理论熔深计算模块13中：

联合焊接热源数学模型和焊接传热数学模型从而建立所述理论熔深计算模型；

具体的，理论熔深计算模型包括一切能利用焊接热源数学模型和焊接传热模型将熔深通过计算的方式求解出的组合；优选的，可联合高斯热源焊接数学模型和半无限体瞬时点热源焊接传热数学模型从而建立理论熔深计算模型；理论熔深计算模型求解出的理论熔深与实际熔深的误差应在合理的范围之内。

本发明所述的增材制造熔深在线检测和控制系统1，理论熔深计算模块13中：

所述计算参数包括焊材、焊接设备的详细参数，以及预设物理参数。

本发明所述的增材制造熔深在线检测和控制系统1，实际熔深计算模块14中：

人工神经网络可以为bp(backpropagation)人工神经原始网络，也可以为优化改进之后的能对熔深进行求解的所有bp人工神经网络。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：采集熔池图像并对图像进行处理，建立理论熔深计算模型，获取理论熔深，利用人工神经网络获取实际熔深，做到在线实时检测焊接熔深；当焊接实际熔深和预设需求熔深的差值超过预设范围时，调整工艺参数，再对后续待焊接部位进行焊接，实现了在线实时控制焊接熔深，实现了智能化增材制造。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。