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浙江大学学报(工学版)  2020, Vol. 54 Issue (8): 1481-1489    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2020.08.005
机械工程     
基于视觉传感的铝合金电弧增材沉积层形貌动态响应
杜军(),马琛,魏正英
西安交通大学 机械制造系统工程国家重点实验室,陕西 西安 710049
Dynamic response of surface morphology of aluminum (Al) deposited layers in wire and arc additive manufacturing based on visual sensing
Jun DU(),Chen MA,Zheng-ying WEI
State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China
 全文: PDF(1322 KB)   HTML
摘要:

为了探究铝合金钨极惰性气体(TIG)焊电弧熔丝增材制造过程中工艺参数与沉积层形貌之间的映射关系及动态响应特性,采用减光片、滤光片和工业电荷耦合器(CCD)相机搭建堆积过程沉积层形貌图像实时采集系统,基于Halcon平台实现对沉积层特征尺寸(层宽和层高)的提取. 以成形速度、成形电流和送丝速度3个工艺参数分别作为系统输入量,进行沉积层特征尺寸阶跃响应辨识及动态特性分析. 研究表明,沉积层特征尺寸对电弧电流的响应速度最快,成形速度次之,送丝速度最慢;沉积层特征尺寸对成形速度阶跃的增益系数最大,送丝速度次之,成形电流最小;沉积层特征尺寸变化对工艺参数响应存在一定时滞性. 综合考虑沉积层特征尺寸的响应速度和增益系数,在动态控制中应选择成形速度作为沉积层特征尺寸的主要工艺变量.

关键词: 电弧增材制造铝合金沉积层特征尺寸机器视觉阶跃响应    
Abstract:

A real-time image acquisition system for the morphology of deposits was established using a dimming lens, a filter lens and a charge coupled device (CCD) industrial camera. The feature sizes of deposits, i.e. deposition height and width were extracted from the recorded images based on Halcon platform. The purpose is to investigate the mapping relation and dynamic response characteristics between the process parameters and the surface morphology of deposited layers in tungsten inert gas (TIG) welding based additive manufacturing of aluminum (Al) components. Three process parameters, forming speed, arc current and wire feeding speed, were taken as the system input to investigate the step response identification and dynamic characteristics analysis of feature sizes of deposited layers. Results show that the feature size of deposited layer is the fastest in response to the arc current, the forming speed is the second, and the wire feeding speed is the slowest. The response factor of feature sizes of deposited layer is the largest in the forming speed step, the wire feeding speed is the second, and the arc current is the smallest. Time lag exists in the change of feature size of deposited layers when process parameters are adjusted. The forming speed should be selected as the primary process variable to adjust and control the feature sizes of deposited layers in dynamic control by the comprehensive consideration of the response rate and gain coefficient of feature sizes of deposited layers.

Key words: wire and arc additive manufacturing    aluminum alloy    feature size of deposited layers    machine vision    step response
收稿日期: 2019-07-13 出版日期: 2020-08-28
CLC:  TG 444  
基金资助: “增材制造与激光制造”重点专项资助项目(2017YFB1103201);国家自然科学基金资助项目(51775420);民用航天预研资助项目(D020208)
作者简介: 杜军(1978—),男,副研究员,从事金属增材制造工艺与成形过程热质传递规律研究. orcid.org/0000-0002-3579-9268. E-mail: jundu2010@mail.xjtu.edu.cn
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杜军
马琛
魏正英

引用本文:

杜军,马琛,魏正英. 基于视觉传感的铝合金电弧增材沉积层形貌动态响应[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(8): 1481-1489.

Jun DU,Chen MA,Zheng-ying WEI. Dynamic response of surface morphology of aluminum (Al) deposited layers in wire and arc additive manufacturing based on visual sensing. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2020, 54(8): 1481-1489.

链接本文:

http://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2020.08.005        http://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2020/V54/I8/1481

图 1  脉冲方波交流波形图
图 2  TIG电弧增材制造工艺实验平台
参数 参数值
快门形式 Global Shutter
靶面尺寸/mm 1/2"
感光芯片尺寸 6.1×4.9
感光芯片类型 CCD
水平、垂直分辨率/像素 1280×1024
水平、垂直像素尺寸/μm 4.8×4.8
帧速率 /fps 203
相机接口 USB 3.0
相机功率 /W 3
镜头接口 C-mount
电源要求 Via USB 3.0 interface
表 1  Basler acA1300-200uc参数表
参数 参数值
镜头焦距 /mm 8.0/12.0
镜头接口 C-mount
光圈范围 F1.4~F16.0
靶面尺寸 2/3"
工作距离 /mm 100
表 2  Ricoh镜头参数表
图 3  NP 650窄带滤光片频谱响应曲线
图 4  沉积层形貌及测量所得特征尺寸
参数 参数值
峰值电流 /A 180~260
基值电流 /A 72~104
送丝速率 /(m·min?1 1.8
成形速度 /(mm·s?1 3.0~4.0
占空比 /% 50
脉冲频率 /Hz 50
DCEN峰值电流时间 /ms 14
DCEP基值电流时间 /ms 6
电流衰减时间 /s 1.8
提前送气时间 /s 2.5
延时关气 /s 2.0
氩气体积流量 /(L·min?1 10
弧长 /mm 4
2024铝合金基板尺寸 /mm 300×200×10
沉积层长度 /mm 160
表 3  2319铝合金单层单道电弧增材工艺参数
图 5  工艺参数系统辨识步骤流程
图 6  成形速度正向阶跃时沉积层特征尺寸的响应曲线
图 7  成形速度负向阶跃时沉积层特征尺寸的响应曲线
阶跃类型 参数 G(s)
w h
正向阶跃 K ?1.4337 ?0.7332
Ts 3.6107 1.6418
τ 0.6558 1.2406
负向阶跃 K ?2.1572 ?2.1597
Ts 1.2092 1.9099
τ 0.2676 3.6894
表 4  成形速度阶跃时沉积层特征尺寸响应特性系数
阶跃类型 参数 G(s)
w h
正向阶跃 K 0.0390 ?0.0178
Ts 2.9979 1.8227
τ 0.0054 0.0081
负向阶跃 K 0.0242 ?0.0115
Ts 3.0786 5.2115
τ 0.0026 0.0043
表 5  成形电流阶跃时沉积层特征尺寸响应特性系数
图 8  成形电流正向阶跃时单层单道沉积层尺寸的响应曲线
图 9  成形电流负向阶跃时沉积层特征尺寸响应曲线
阶跃类型 参数 G(s)
w h
正向阶跃 K ?0.6551 1.3901
Ts 1.7446 2.6334
τ 0.0752 0.0850
负向阶跃 K 0.7433 1.3075
Ts 0.0284 1.9817
τ 0.5606 0.3034
表 6  送丝速度阶跃时沉积层尺寸响应特性系数
图 10  送丝速度正向阶跃时沉积层特征尺寸响应曲线
图 11  送丝速度负向阶跃变化时沉积层特征尺寸响应曲线
图 12  阶跃实验成形试样形貌
测试 成形速度正向阶跃前 成形速度正向阶跃后
h/mm w/mm h/mm w/mm
测试1 4.21 6.01 3.05 4.12
测试2 4.17 5.96 3.12 4.07
测试3 4.32 5.87 3.15 4.18
测试4 4.28 6.03 3.07 4.01
测试5 4.11 6.22 2.88 3.96
测试6 4.23 6.14 3.12 4.08
测试7 4.16 6.25 2.95 4.22
测试8 4.24 5.96 3.12 4.29
测试9 4.33 5.88 3.08 4.24
测试10 4.28 6.13 3.19 4.08
平均值 4.233 6.045 3.073 4.125
标准差 0.072 0.134 0.094 0.105
极差 0.220 0.380 0.310 0.330
表 7  成形速度正向阶跃时沉积层特征尺寸响应重复性实验
测试 成形速度负向阶跃前 成形速度负向阶跃后
h/mm w/mm h/mm w/mm
测试1 4.22 5.93 6.54 8.96
测试2 4.05 5.87 6.56 8.92
测试3 4.21 5.99 6.62 9.11
测试4 4.34 6.02 6.47 8.74
测试5 4.17 6.11 6.55 8.83
测试6 4.33 5.94 6.63 9.06
测试7 4.10 5.85 6.51 8.88
测试8 4.16 5.88 6.44 9.18
测试9 4.28 5.90 6.58 9.07
测试10 4.26 6.08 6.47 8.99
平均值 4.212 5.957 6.537 8.974
标准差 0.095 0.090 0.064 0.135
极差 0.290 0.260 0.190 0.440
表 8  成形速度负向阶跃时沉积层特征尺寸响应重复性实验
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