一种线激光视觉辅助的GMA增材制造多层多道规划系统及方法

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种线激光视觉辅助的gma增材制造多层多道规划系统及方法。

背景技术：

1、gma电弧增材制造是一种基于传统的气体金属弧焊的增材制造方法。它使用焊枪将金属丝材料加热至熔化，并在工件的表面沉积一层金属，然后逐层堆叠以构建三维零件。电弧焊接过程中，气体被用来保护熔融池免受氧气和其他污染物的影响。

2、gma电弧增材制造适用于多种金属材料，包括不锈钢、铝合金、镍合金、钛合金等。它在航空航天、汽车制造、医疗设备、模具制造和能源领域等多个领域都有广泛的应用。其还具有许多优势，能够制造具有复杂几何形状的零件，从而减少后续加工工序的需求。此外，还有助于减少材料浪费，只有必要的材料被添加到工件表面。gma电弧增材制造还可用于零件修复，延长其寿命，以及在快速原型制造和小批量生产方面提供巨大的灵活性。此外，高效的材料利用率也使其成为一种可持续的制造方法。

3、目前，针对gma增材制造多层多道规划方面的研究还处于起步阶段，多层多道熔敷成形精度较低，大多采用增减材复合的方式提高成形精度，在层间使用铣削加工使熔敷层宽度和高度达到预设尺寸。该过程不仅增加了额外的加工工序，还浪费了材料和加工时间。此外，在多层多道熔敷过程中，各熔敷道发生相互作用，各熔敷层相互叠加，使得熔敷道的宽度和高度偏差不断累积，导致后续的加工参数失效，构件表面出现未熔合气孔等缺陷。此外，由于熔敷层道的数目较多，工艺参数的选取也存在多种情况，工艺参数与成形尺寸之间的关系也有待深入研究。

4、gma电弧增材多层多道规划是实现高质量、高效率增材制造的关键步骤之一，通过对不同层道工艺参数的及时规划调整，可以有效提高加工构件的成形质量、精度和性能，同时最大程度地减少材料浪费和加工工序。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种线激光视觉辅助的gma增材制造多层多道规划系统及方法，利用线激光视觉传感装置扫描提取当前熔敷层表面熔敷道的宽度、高度尺寸信息，输入已建立的lstm网络模型，输出下一层道的送丝速度、熔敷速度，从而针对下一层熔敷道的工艺参数进行一定的调整，改善熔敷层表面的成形质量，使加工构件的质量、精度和性能得到提高。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种线激光视觉辅助的gma增材制造多层多道规划系统，电弧熔敷装置：包括焊枪、焊接电源；机械臂，连接焊枪，用于控制焊枪的移动，控制熔敷速度；控制柜，用于调控机械臂，多个步进电机控制机械臂带动焊枪按照示教器指定的路径移动；送丝机构：用于输送焊丝，控制送丝速度；送气机构：用于输送保护气体，保护增材过程中免受其他气体和杂质的污染，保障构件的成形质量；

3、线激光视觉传感装置：包括线激光视觉传感器和上位机轮廓采集软件，用于扫描提取当前熔敷层表面熔敷道的宽度、高度尺寸信息，输入已建立的lstm网络模型，输出下一层道的送丝速度和熔敷速度。

4、一种利用上述系统进行增材制造的方法，包括如下步骤：

5、步骤(1)：打开增材制造系统的电源，送丝机构，送气机构，在机器人示教器上打开编程好的指定程序。

6、步骤(2)：设定起始送丝速度、熔敷速度以及保护气流量。

7、步骤(3)：安装线激光视觉传感装置，线激光视觉传感器固定在焊枪上方机械臂距焊枪末端145mm最佳工作距离处，视野范围垂直于增材方向，并与电源连接。

8、步骤(4)：通过以太网电缆连接线激光视觉传感器和上位机，打开上位机轮廓采集软件。

9、步骤(5)：启动增材制造程序，同时引弧使电弧开始工作、送丝机构开始输送焊丝，开始增材过程。

10、步骤(6)：当前熔敷层增材完成后，启动视觉采集程序，同时打开上位机视觉采集软件进行轮廓采集，为减小尺寸误差，采集时去除熔敷道首尾各10mm，沿长度方向每隔固定距离平均选取10个位置进行采集。

11、步骤(7)：轮廓采集完成后，测算出10组熔敷道宽度和高度取其平均值，输入已建立的lstm网络模型。

12、步骤(8)：对下一层道的工艺参数进行规划调整，构件冷却至150℃后开始下一层道的增材程序。

13、步骤(9)：重复步骤(6)-(8)的操作，直到整个构件增材制造完成。

14、本发明相对于现有技术相比，具有显著优点如下：

15、本发明利用线激光视觉传感装置，扫描提取当前熔敷层表面熔敷道的宽度、高度尺寸信息，从而针对下一层熔敷道的工艺参数进行一定的规划调整，实现对熔敷层表面成形质量的控制，使成形构件表面更加平整。利用线激光视觉传感装置，扫描提取不同工艺参数下熔敷道尺寸信息，建立了送丝速度、熔敷速度与熔敷道成形宽度、高度尺寸信息之间的反向预测lstm网络模型。实现了通过当前层熔敷道表面成形尺寸对下一层熔敷道工艺参数的反向预测，改善了熔敷层表面的成形质量，使成形构件表面更加平整，成形精度更高，符合设计尺寸要求，最终减少材料浪费、节约构件加工时间。

技术特征：

1.一种线激光视觉辅助的gma增材制造多层多道规划系统，其特征在于，包括电弧熔敷装置：包括焊枪、焊接电源；

2.一种利用权利要求1所述的系统进行增材制造的方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

3.根据权利要求1所述的增材制造的系统，其特征在于，所述线激光视觉传感器固定在焊枪上方机械臂距焊枪末端145mm最佳工作距离处，视野范围垂直于增材方向。

4.根据权利要求2所述的增材制造的方法，其特征在于，所述起始送丝速度6.5m/min；熔敷速度4mm/s；保护气为ar+1.5％o2，气体流量25l/min。

5.根据权利要求2所述的增材制造的方法，其特征在于，所述线激光视觉传感装置的最佳工作距离145mm，扫描速率1khz-10khz，输入电压24v直流输入，电源7.5w。

6.根据权利要求2所述的增材制造的方法，其特征在于，所述上位机轮廓采集软件基于c++语言qt实现，通过tcp/ip通信，能够自定义兴趣区域、扫描轮廓数、采集频率和移动分辨率，实现熔敷道表面轮廓实时采集。

7.根据权利要求2所述的增材制造的方法，其特征在于，所述lstm网络模型训练集输入工艺参数选取范围：送丝速度6-7m/min，熔敷速度2-6mm/s，输出参数熔敷道成形尺寸信息为减小误差，测量时去除熔敷道首尾各10mm，沿长度方向每隔固定距离平均选取10个位置测算熔敷道宽度和熔敷道高度，最后取其平均值。

技术总结
本发明属于增材制造领域，具体涉及一种线激光视觉辅助的GMA增材制造多层多道规划系统及方法。该系统包括电弧熔敷装置和线激光视觉传感装置。利用线激光视觉传感装置扫描提取当前熔敷层表面熔敷道的宽度、高度尺寸信息，输入已建立的LSTM网络模型，输出下一层道的送丝速度和熔敷速度，从而针对下一层熔敷道的工艺参数进行一定的规划调整，实现对熔敷层表面成形质量的控制。建立了送丝速度、熔敷速度与熔敷道成形宽度、高度尺寸信息之间的反向预测LSTM网络模型。实现了通过当前层熔敷道表面成形尺寸对下一层熔敷道工艺参数的反向预测，改善了熔敷层表面的成形质量，使成形构件表面更加平整，符合设计尺寸要求，最终减少材料浪费、节约构件加工时间。

技术研发人员：彭勇,郑珲,黄勇,王克鸿,段梦伟,余荣伟
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15