基于无模型自适应迭代学习的激光增材制造分区控制方法

本发明属于金属材料增材制造，具体涉及一种基于无模型自适应迭代学习的激光增材制造分区控制方法。

背景技术：

1、激光增材制造（laser additive manufacturing，lam）由于其在复杂结构制造和材料利用效率方面的优势，被广泛应用于汽车、航空航天、生物医学等各个行业。然而，尽管有这些好处，lam仍面临某些局限性，例如过程中的不稳定性和制造零件缺乏可重复性，这阻碍了其进一步发展。由于受多个参数影响的lam工艺的复杂性，即使来自激光与材料相互作用或环境因素的微小干扰也会显着影响所生产零件的微观结构和机械性能。为了应对这些挑战，当前的研究工作集中在开发lam过程中的监控和反馈控制方法，以提高lam制造零件的质量。

2、为了在lam过程中收集用于在线监测和反馈控制的信号，非接触式传感器如高温计、电荷耦合器件(ccd)相机和热成像仪等经常被使用，从这些传感器获取的信息，包括沉积高度、飞溅和羽流的动态，以及熔池的形态和温度场，与制造零件的质量高度相关。这些监测数据可进一步用于过程控制的实施，以提高制造零件的质量。

3、由于研究人员对探索lam过程的稳定控制方法越来越感兴趣，因此致力于开发适当的控制算法和策略，以促进开发具有更好性能的控制器。song等采用状态空间动力学模型开发了广义预测控制器，能够实现lam过程中熔池温度的实时控制。salehi等人开发了一种基于阶跃响应的在线温度控制器，验证了控制热量积聚和稀释的可行性。xiong等人构建了非线性hammerstein模型来描述层宽和行进速度之间的动态关系，随后开发了一个智能控制器，实现了不同层的可变宽度控制。almir等通过实施过程中高度控制器制造了一个表面光滑的圆柱体。在song等人的另一项工作中，开发了一个双输入混合控制系统，随后用于构建具有更平坦表面的复杂3d涡轮叶片。通常，此类模型仅基于特定单层的图案开发，并且过程参数和受控变量之间建立的动态关系在表征实际多层印刷过程时的普遍性可能有限。

4、此外，一些研究人员研究了lam制造过程中的分层控制方法，这种策略根据前几层的历史信息控制某一层的打印工艺参数，已成功应用于熔池形貌和沉积高度的控制。li等提出了一种层间闭环控制(iclc)机制，该机制考虑了在已沉积层上测量的几何误差。使用iclc制造的长方体块显示出良好的高度精度。rezaeifar开发了一种用于调节熔池温度的分层控制系统，以提高所制造样件的质量。xia等利用迭代学习控制实现了waam熔池的宽度控制。lam工艺中使用的这种分层控制方法倾向于优先考虑连续的逐层沉积图案，而忽略了工艺沿扫描方向的动态和演化特性。由于lam是一个复杂的过程，受多个参数的影响，制造的零件的性能很容易受到微小扰动的影响，因此这种分层控制方法可能无法充分应对层内不稳定性，从而可能导致冶金缺陷；考虑到lam的循环和逐层处理原理，在沉积和扫描方向的打印过程中存在潜在的不稳定性，这会影响打印部件的质量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于无模型自适应迭代学习的激光增材制造分区控制方法，该方法将每个要打印的目标层沿扫描方向划分为多个不重叠的区域，并根据过程中从前一层获取的历史信息自适应地控制每个区域的工艺参数，解决了激光增材制造打印过程中沉积和扫描方向的潜在不稳定性。

2、基于无模型自适应迭代学习的激光增材制造分区控制方法，包括：先将待打印目标沿高度方向分层，然后再将每层按照扫描方向分为n段不重叠区域；最后基于无模型自适应迭代学习控制算法对每个区域的工艺参数进行控制以实现激光增材制造分层分区控制；

3、其中，工艺参数控制模型为：

4、，

5、式中，为第n个区域的输入的工艺参数，s为第n个区域内离散点的个数，为增材制造系统输入的工艺参数，k为第n个区域内第k个离散点，i为沿高度方向分层的第i层；

6、增材制造系统输入的工艺参数是根据打印过程中从前几层获得的历史信息进行自适应控制；

7、，

8、式中，为第i层的增材制造系统输入的工艺参数，为第i-1层的增材制造系统输入的工艺参数，ρ为提高算法普适性的步长因子，为伪偏导数，β为抑制控制输入变化率的加权因子，，为第i-1层第k+1个离散点增材制造系统输出的期望值；为第i-1层第k+1个离散点增材制造系统输出的实际值；

9、伪偏导数是通过ppd估算获得，

10、，

11、式中，为第i层第k个离散点的伪偏导数，为第i-1层第k个离散点的伪偏导数，δ、τ为加权系数，为第i-1层第k个离散点的增材制造系统输入的工艺参数，为第i-2层第k个离散点的增材制造系统输入的工艺参数，为第i-1层第k+1个离散点增材制造系统输出的实际值，为第i-2层第k+1个离散点增材制造系统输出的实际值。

12、进一步地，对所述伪偏导数设置有重置算法，

13、

14、式中，为第i层第k个离散点的伪偏导数，ε为一个正数，为第i层的增材制造系统输入的工艺参数，为第i-1层的增材制造系统输入的工艺参数。

15、进一步地，将每一层沿扫描方向分成n个等长的非重叠区域，将某一区域内所有离散点的平均控制输入作为该区域的系统控制输入。

16、与现有技术相比，本发明提供的分层分区控制方法对每个要打印的目标层沿扫描方向被划分为多个不重叠的区域，并且每个区域的工艺参数根据过程中从前一层获取的历史信息自适应控制，使用与打印系统集成的热像仪捕获和提取熔池的温度信息，实验结果证明了本发明方法的有效性和优越性。

技术特征：

1.基于无模型自适应迭代学习的激光增材制造分区控制方法，其特征在于，包括：先将待打印目标沿高度方向分层，然后再将每层按照扫描方向分为n段不重叠区域；最后基于无模型自适应迭代学习控制算法对每个区域的工艺参数进行控制以实现激光增材制造分层分区控制；

2.根据权利要求1所述的基于无模型自适应迭代学习的激光增材制造分区控制方法，其特征在于，对所述伪偏导数设置有重置算法，

3.根据权利要求1所述的基于无模型自适应迭代学习的激光增材制造分区控制方法，其特征在于，将每一层沿扫描方向分成n个等长的非重叠区域，将某一区域内所有离散点的平均控制输入作为该区域的系统控制输入。

技术总结
本发明属于金属材料增材制造技术领域，公开了一种基于无模型自适应迭代学习的激光增材制造分区控制方法，包括：先将待打印目标沿高度方向分层，然后再将每层按照扫描方向分为N段不重叠区域；最后基于无模型自适应迭代学习控制算法对每个区域的工艺参数进行控制以实现激光增材制造分层分区控制；本发明将每个要打印的目标层沿扫描方向划分为多个不重叠的区域，并根据过程中从前一层获取的历史信息自适应地控制每个区域的工艺参数，解决了激光增材制造打印过程中沉积和扫描方向的潜在不稳定性。

技术研发人员：殷鸣,张煜杭,李伟,向锦,卓师铭,彭科,丁鑫钰
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13