积材平整度与残余应力协调优化自反馈控制方法与系统与流程

本发明涉及增材制造技术领域，尤其是增材过程中的积材平整度与残余应力协调优化自反馈控制方法与自反馈控制系统。

背景技术：

增材制造技术就是将三维模型按照焊接工艺的要求切分为一组平行的二维层片，再根据不同层片的轮廓信息规划焊枪的运动轨迹，之后由焊接电弧将金属材料熔化，按成形路径逐个堆积层片，最后将金属层片堆积起来得到预期形状。增材过后在零件内部形成残余应力。残余应力不但会影响零件的使用性能，而且随着沉积层数的增加残余应力逐渐积累，当残余应力达到一定的程度会使零件产生变形甚至裂纹。

锤击处理是用锤头轻击焊缝及其周围区域，使焊缝产生较大的塑性延展变形，补偿焊缝区的不协调应变(受拉应力区)达到释放焊接残余应力的目的。常见的锤击工艺参数设计往往单纯考虑增材过后残余应力的大小及分布，并未对平整度有过多关注。

焊缝平整度指的是焊缝表面的平整程度，侧面表征了焊缝形状的优劣，以焊缝表面最高点和最低点落差为衡量标准，其值越小代表单层多道焊焊缝的表面平整度越高，焊缝形状越符合标准。焊缝平整度受焊接参数的影响，并与残余应力存在一定的关系。平整度包含增材后的初始平整度及锤击后平整度。

但是，在目前的增材工艺中，由于单方面考虑锤击消应力效果，往往导致锤击后的焊缝不符合要求，那么最终对形成的增材产品的质量造成严重影响。

技术实现要素：

针对上述技术的不足，本发明提供了一种积材平整度与残余应力协调优化自反馈控制方法，克服现有技术中片面追求消应力效果的局限性，能够根据平整度与残余应力之间的关系对增材和锤击过程进行控制，提高制造质量。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种积材平整度与残余应力协调优化自反馈控制方法，包括以下步骤：

根据增材工艺与锤击工艺的历史数据，建立如下对应关系：

焊缝平整度与残余应力的关系，用于根据焊缝平整度获取相应的残余应力，同时焊缝平整度用于表征残余应力；初始焊缝平整度与锤击消应力效果的对应关系，用于根据所需达到的消应力效果来确定初始焊缝平整度；增材工艺参数与初始焊缝平整度的对应关系，用于根据所需达到的初始焊缝平整度来确定出增材工艺参数；锤击前焊缝平整度、锤击工艺参数与锤击后焊缝平整度的对应关系，用于确定从锤击前焊缝平整度达到锤击后焊缝平整度所需要的锤击工艺参数；

以满足锤击消应力效果的初始焊缝平整度为目标，选择相应的增材工艺参数进行增材；重复以下锤击步骤，直到焊缝平整度满足最终焊缝平整度要求，满足最终焊缝平整度要求的同时也就满足了最终残余应力要求：选择从锤击前焊缝平整度达到锤击后焊缝平整度所需要的锤击工艺参数，并根据锤击工艺参数控制锤击系统对焊缝进行锤击。

进一步的，采用焊缝中心两侧的特征点的拉应力以及焊缝整体峰值应力来表征残余应力。

进一步的，锤击消应力效果是指初始焊缝平整度与最终焊缝平整度分别对应的残余应力差值δσ，当残余应力差值δσ在残余应力容差范围ω1内时，则表示满足消应力效果；以残余应力容差范围ω1内的最大残余应力差值δσmax来确定初始焊缝平整度。

进一步的，满足最终焊缝平整度要求是指焊缝平整度与最终焊缝平整度之间的平整度差值δυ在平整度容差范围ω2内。

进一步的，以焊缝表面最高点与最低点的落差来计算焊缝平整度。

本发明还提供一种积材平整度与残余应力协调优化自反馈控制系统，包括平整度与残余应力协调优化系统、控制中心、增材控制系统、锤击控制系统、三维扫描系统、平整度与消应力效果输入模块、工艺参数管理系统；

平整度与消应力效果输入模块，用于输入最终焊缝平整度与消应力效果；

工艺参数管理系统包括存储如下对应关系的数据库服务器：焊缝平整度与残余应力的关系，用于根据焊缝平整度获取相应的残余应力，同时焊缝平整度用于表征残余应力；初始焊缝平整度与锤击消应力效果的对应关系，用于根据所需达到的消应力效果来确定初始焊缝平整度；增材工艺参数与初始焊缝平整度的对应关系，用于根据所需达到的初始焊缝平整度来确定出增材工艺参数；锤击前焊缝平整度、锤击工艺参数与锤击后焊缝平整度的对应关系，用于确定从锤击前焊缝平整度达到锤击后焊缝平整度所需要的锤击工艺参数；

三维扫描系统用于对焊缝进行扫描并建立焊缝的三维模型，根据焊缝的三维模型反馈焊缝形状参数与焊缝平整度给平整度与残余应力协调优化系统；

平整度与残余应力协调优化系统用于执行平整度与残余应力协调优化程序，所述平整度与残余应力协调优化程序包括增材优化程序与锤击优化程序，所述增材优化程序用于根据消应力效果与最终焊缝平整度来确定初始焊缝平整度，并从数据库服务器中选择出用于满足初始焊缝平整度的增材工艺参数；所述锤击优化程序用于判断三维扫描系统所反馈的焊缝平整度是否满足最终焊缝平整度要求，并从数据库服务器中获取用于满足最终焊缝平整度要求的锤击工艺参数；

控制中心用于接收平整度与残余应力协调优化系统所选择出的增材工艺参数或锤击工艺参数，并相应发送给增材控制系统或锤击控制系统；

增材控制系统用于根据增材工艺参数控制增材系统进行增材；

锤击控制系统用于根据锤击工艺参数控制锤击系统对焊缝进行锤击。

进一步的，锤击控制程序按如下步骤执行：

步骤1：获取当前锤击前焊缝平整度，判断焊缝平整度是否满足最终焊缝平整度要求；若是，则结束；若否，则进入步骤2；

步骤2：查询工艺参数管理系统中是否有满足从当前焊缝平整度达到最终焊缝平整度的锤击工艺参数；若是，则进入步骤3；若否，则进入步骤4；

步骤3：将满足从当前焊缝平整度达到最终焊缝平整度的锤击工艺参数发送给控制中心；并回到步骤1；

步骤4：查询工艺参数管理系统中从当前锤击前焊缝平整度达到差值与最终焊缝平整度最小的锤击后焊缝平整度所对应的锤击工艺参数，并将锤击工艺参数发送给控制中心；并回到步骤1。

与现有技术相比，本发明具有的优点包括：

1、本发明同时考虑初始平整度及残余应力两方面进行初始增材参数设置，不仅保证了增材后残余应力水平，而且避免了增材平整度不满足要求，造成锤击接触冲击后焊缝塑性延展变形不能抵消不协调应变，不能达到消应力效果的情况。另一方面，系统建立了平整度与残余应力协调优化机制，可以利用三维扫描系统对平整度的实时监控，快速反馈得到残余应力的情况。利用三维扫描系统对平整度及残余应力的实时监控，不断向平整度与残余应力协调优化系统反馈工艺结果，实现了自反馈功能；同时协调优化系统根据反馈结果进行参数的实时调控，使系统实现自适应功能。

2、采用焊缝中心两侧的特征点的拉应力测量值以及焊缝整体峰值应力模拟值来表征残余应力，实现了双指标表征，当两个指标同时满足消应力效果时，才表示满足消应力效果。

3、由于残余应力难以实时检测，然而焊缝平整度通过三维扫描系统能够十分容易的进行实时计算。工艺参数(增材工艺参数与锤击工艺参数)决定了工艺效果(焊缝平整度与残余应力)，不同的工艺参数就会对应不同的工艺结果，锤击过程使焊缝产生塑性变形，补偿焊缝区的不协调应变(受拉应力区)达到释放焊接残余应力的目的，同时锤击过程也将焊缝上高的部位锤平，缩小了焊缝上的高度落差，因此也同时改善了平整度，也就是说残余应力的释放也伴随着平整度的改善，因此，本发明采用焊缝平整度来表征残余应力具有科学性、合理性与便捷性。

4、设置残余应力容差范围ω1与平整度容差范围ω2，更符合误差不可避免的实际情况，具有实用价值，容差范围也能根据实际需要来调整以控制精度。

5、锤击控制程序能够步进式的使焊缝平整度接近最终焊缝平整度要求，循序渐进。另外，需要说明的是：锤击前焊缝平整度是实时测量值，也就是上一次锤击后的锤击工艺结果，也是单次锤击进行前的锤击前焊缝平整度。锤击后焊缝平整度不是实时测量值，而是根据锤击工艺对应出来的预测值。

附图说明

图1为本具体实施方式中平整度与残余应力协调优化的自反馈控制系统的控制原理示意图；

图2为本具体实施方式中工艺参数管理系统的结构示意图。

具体实施方式

现有技术中，在进行增材时希望得到较小的初始平整度。本发明则反其道而行之，采用较大的初始平整度以保证接触冲击过后焊缝产生足够的塑性延展变形以抵消不协调应变。故在增材后较大的平整度对后续锤击工作有较大的帮助。同时考虑锤击后平整度，保证接触冲击过后焊缝的形状及平整度也需达到标准。

一种积材平整度与残余应力协调优化自反馈控制方法，包括以下步骤：

根据增材工艺与锤击工艺的历史数据，建立如下对应关系：

焊缝平整度与残余应力的关系，用于根据焊缝平整度获取相应的残余应力，同时焊缝平整度用于表征残余应力；初始焊缝平整度与锤击消应力效果的对应关系，用于根据所需达到的消应力效果来确定初始焊缝平整度；增材工艺参数与初始焊缝平整度的对应关系，用于根据所需达到的初始焊缝平整度来确定出增材工艺参数；锤击前焊缝平整度、锤击工艺参数与锤击后焊缝平整度的对应关系，用于确定从锤击前焊缝平整度达到锤击后焊缝平整度所需要的锤击工艺参数；

以满足锤击消应力效果的初始焊缝平整度为目标，选择相应的增材工艺参数进行增材；重复以下锤击步骤，直到焊缝平整度满足最终焊缝平整度要求，满足最终焊缝平整度要求的同时也就满足了最终残余应力要求：选择从锤击前焊缝平整度达到锤击后焊缝平整度所需要的锤击工艺参数，并根据锤击工艺参数控制锤击系统对焊缝进行锤击。

本具体实施方式中，采用焊缝中心两侧的特征点的拉应力以及焊缝整体峰值应力来表征残余应力。焊缝整体峰值应力为模拟值，焊缝中心两侧的特征点的拉应力为测量值或者模拟值。

本具体实施方式中，锤击消应力效果是指初始焊缝平整度与最终焊缝平整度分别对应的残余应力差值δσ，当残余应力差值δσ在残余应力容差范围ω1内时，则表示满足消应力效果；以残余应力容差范围ω1内的最大残余应力差值δσmax来确定初始焊缝平整度。

本具体实施方式中，满足最终焊缝平整度要求是指焊缝平整度与最终焊缝平整度之间的平整度差值δυ在平整度容差范围ω2内。

本具体实施方式中，以焊缝表面最高点与最低点的落差来计算焊缝平整度，便于通过三维模型来计算平整度。

参考图1所示，一种积材平整度与残余应力协调优化自反馈控制系统，包括平整度与残余应力协调优化系统、控制中心、增材控制系统、锤击控制系统、三维扫描系统、平整度与消应力效果输入模块、工艺参数管理系统。

平整度与消应力效果输入模块，用于输入最终焊缝平整度与消应力效果；

参考图2所示，工艺参数管理系统包括存储如下对应关系的数据库服务器：焊缝平整度与残余应力的关系，用于根据焊缝平整度获取相应的残余应力，同时焊缝平整度用于表征残余应力；初始焊缝平整度与锤击消应力效果的对应关系，用于根据所需达到的消应力效果来确定初始焊缝平整度；增材工艺参数与初始焊缝平整度的对应关系，用于根据所需达到的初始焊缝平整度来确定出增材工艺参数；锤击前焊缝平整度、锤击工艺参数与锤击后焊缝平整度的对应关系，用于确定从锤击前焊缝平整度达到锤击后焊缝平整度所需要的锤击工艺参数。工艺参数管理系统还包括数据库管理客户端，数据库管理客户端用于提供对工艺参数及相应工艺结果进行增添、删除、修改及查询的操作。

三维扫描系统3用于对焊缝进行扫描并建立焊缝4的三维模型，根据焊缝4的三维模型反馈焊缝形状参数与焊缝平整度给平整度与残余应力协调优化系统。

平整度与残余应力协调优化系统用于执行平整度与残余应力协调优化程序，所述平整度与残余应力协调优化程序包括增材优化程序与锤击优化程序，所述增材优化程序用于根据消应力效果与最终焊缝平整度来确定初始焊缝平整度，并从数据库服务器中选择出用于满足初始焊缝平整度的增材工艺参数；所述锤击优化程序用于判断三维扫描系统所反馈的焊缝平整度是否满足最终焊缝平整度要求，并从数据库服务器中获取用于满足最终焊缝平整度要求的锤击工艺参数。

控制中心用于接收平整度与残余应力协调优化系统所选择出的增材工艺参数或锤击工艺参数，并相应发送给增材控制系统或锤击控制系统。

增材控制系统用于根据增材工艺参数控制增材系统1进行增材。

本具体实施方式中，锤击控制系统用于根据锤击工艺参数控制锤击系统2对焊缝进行锤击。

锤击控制程序按如下步骤执行：

步骤1：获取当前锤击前焊缝平整度，判断焊缝平整度是否满足最终焊缝平整度要求；若是，则结束；若否，则进入步骤2；

步骤2：查询工艺参数管理系统中是否有满足从当前焊缝平整度达到最终焊缝平整度的锤击工艺参数；若是，则进入步骤3；若否，则进入步骤4；

步骤3：将满足从当前焊缝平整度达到最终焊缝平整度的锤击工艺参数发送给控制中心；并回到步骤1；

步骤4：查询工艺参数管理系统中从当前锤击前焊缝平整度达到差值与最终焊缝平整度最小的锤击后焊缝平整度所对应的锤击工艺参数，并将锤击工艺参数发送给控制中心；并回到步骤1。

本具体实施方式中，工艺参数管理系统还包括数据库管理客户端，数据库管理客户端用于提供对工艺参数及相应工艺结果进行增添、删除、修改及查询的操作。

本具体实施方式中，平整度与残余应力协调优化的自反馈控制系统的工作流程如下：

1)通过平整度与消应力效果输入模块向平整度与残余应力协调优化系统输入最终焊缝平整度与消应力效果；

2)平整度与残余应力协调优化系统运行增材优化程序，从数据库服务器中评价筛选出合适的增材工艺参数；

3)控制中心获取协根据增材工艺参数控制增材系统进行增材；

4)增材过后得到相应的焊缝工艺结果，通过三维激光扫描仪对焊缝进行扫描，获得焊缝几何形张，并输出相应的三维模型；

5)依据三维模型计算增材后焊缝平整度，并发送给平整度与残余应力协调优化系统；

6)平整度与残余应力协调优化系统运行锤击优化程序，对增材后焊缝平整度进行评价，并分析相应残余应力大小，依据评价分析结果筛选锤击工艺参数；

7)控制中心接收协锤击工艺参数，并将命令传达给锤击控制系统进行锤击处理；

8)利用三维扫描系统再次获取焊缝平整度，将其输入到平整度与残余应力协调优化系统；

9)平整度与残余应力协调优化系统对焊缝平整度进行评价，并分析残余应力消除效果，判断平整度及残余应力是否全部达到要求；

10)若评价分析全部结果符合标准则结束工艺；若平整度和残余应力有一不达标则重复6-9步，直至两方面全部效果达到预期目标，满足最终焊缝平整度要求的同时也就满足了最终残余应力要求。

系统功能的实现不仅保证了电弧熔丝增材后焊缝平整度及残余应力消除效果符合要求，而且大大提高了生产效率。电弧熔丝增材平整度与残余应力协调优化及自反馈控制系统的构建使电弧熔丝增材技术及锤击消应力技术得到了极大的提升，为电弧熔丝增材工艺向智能制造方向发展奠定了坚实的基础。