熔化極氣體保護(hù)電弧增材制造(Gas metal arc welding-based additive manufacturing,GMAW-AM)是直接成形低成本復(fù)雜金屬零部件的主要方法之一。然而,GMAW-AM過程存在眾多擾動(dòng)因素,難以保證堆積層熔池尺寸均勻一致;同時(shí),現(xiàn)存的檢測方法無法完整表征電弧增材制造熔池三維幾何尺寸�；诖�,本文設(shè)計(jì)虛擬雙目視覺傳感系統(tǒng),重建GMAW-AM熔池表面三維形貌;搭建熔池寬度控制系統(tǒng),設(shè)計(jì)模糊控制器實(shí)現(xiàn)熔池寬度的實(shí)時(shí)閉環(huán)反饋控制。首先基于雙棱鏡折射原理,設(shè)計(jì)了基于單攝像機(jī)的虛擬雙目視覺傳感系統(tǒng),使單攝像機(jī)獲得了立體圖像對(duì);搭建了包含GMAW熱源、虛擬雙目視覺傳感系統(tǒng)、電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、中央計(jì)算機(jī)、試驗(yàn)控制箱的GMAW-AM熔寬控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。其次,基于Microsoft Visual C++2010開發(fā)了GMAW-AM熔寬控制人機(jī)交互界面,建立了完整的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。采用平面模板標(biāo)定算法求解了兩虛擬攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)及其位置關(guān)系,基于透射投影極線校正算法完成了圖像對(duì)的極線校正,對(duì)自適應(yīng)Census變換匹配算法(Adaptive Census Transform matching algorithm,ACT)、全局交叉迭代匹配算法(Global-based Crosswise Iteration matching algorithm,GCI)和半全局匹配算法(Semi Global Matching algorithm,SGM)做出了一定的改進(jìn),求取了圖像對(duì)亞像素精度視差,通過計(jì)算空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)重建物體表面三維形貌。重建了標(biāo)準(zhǔn)圓柱體表面部分三維形貌,驗(yàn)證了虛擬雙目視覺傳感系統(tǒng)及三維重建算法的有效性。結(jié)果表明,寬度誤差優(yōu)于3.17%,高度誤差優(yōu)于5.83%。基于不同立體匹配算法,重建了GMAW-AM熔池表面三維形貌,實(shí)現(xiàn)了熔池形貌的在線檢測。基于高斯濾波、Soble檢測、Hough變換直線擬合,開發(fā)了基于立體視覺的熔池寬度檢測實(shí)時(shí)處理算法,重建了熔池邊緣三維形貌,實(shí)現(xiàn)了GMAW-AM熔池寬度在線實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測。進(jìn)行階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn),辨識(shí)了以堆積電流變化為輸入、GMAW-AM熔寬變化為輸出的傳遞函數(shù)。基于Matlab模糊控制工具箱設(shè)計(jì)了模糊控制器,通過Simulink仿真確定了量化因子和比例因子。研究了不同控制周期對(duì)GMAW-AM熔池寬度控制精度的影響,干擾試驗(yàn)驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的性能,恒定規(guī)范試驗(yàn)驗(yàn)證了GMAW-AM熔池寬度控制的必要性。開展了GMAW-AM熔池寬度定寬度和變寬度控制試驗(yàn),模糊控制系統(tǒng)均能獲得良好的控制效果。結(jié)果表明,在達(dá)到一定堆積層數(shù)后,其最大熔池寬度誤差優(yōu)于0.5 mm,誤差均方根優(yōu)于0.2 mm。
【學(xué)位單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG444
【部分圖文】：

.1 電弧增材制造研究現(xiàn)狀早在 1952 年，Baker[7]申請(qǐng)了一個(gè)以電弧為熱源、采用逐層沉積方式制體金屬物體的專利，形成了電弧增材制造的雛形。20 世紀(jì) 90 年代以來算機(jī)技術(shù)以及數(shù)字化控制技術(shù)的高速發(fā)展，WAAM 得到了國內(nèi)外學(xué)者的重視[5-6]。近年來，國內(nèi)外研究者對(duì)電弧增材制造技術(shù)在不同工藝下劃和不同金屬零部件成形、組織性能進(jìn)行了全面深入的研究。澳大利亞臥龍崗大學(xué)的Ding等[8-10]開發(fā)了基于機(jī)器臂的全自動(dòng)GMAW系統(tǒng)，詳細(xì)探討了堆積路徑規(guī)劃以及堆積過程中的參數(shù)選擇。通過人工建立熔滴與堆積工藝參數(shù)動(dòng)態(tài)模型，開發(fā)了自適應(yīng)內(nèi)側(cè)軸變換算法，并滴及多熔滴動(dòng)態(tài)模型實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)路徑，以及堆積參數(shù)的選擇。利用該系復(fù)雜薄壁鋁合金構(gòu)件、鎳鋁青銅合金構(gòu)件等，如圖 1.1 所示。

西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 得到精確成形的金屬零部件，研究者們在控制堆積熱源移動(dòng)、面開展了大量工作。巴西圣保羅大學(xué)的 Silva 等[18]在 PAW 增等離子焊槍運(yùn)動(dòng)速度與位置進(jìn)行閉環(huán)控制，得到精確成形的構(gòu)德大學(xué)的 Colegrove 等[19-20]在 S355 低碳鋼 CMT 電弧增材制造工藝，如圖 1.2 所示，減小了直壁件 WAAM 過程因應(yīng)力產(chǎn)生四層進(jìn)行軋制，與每層軋制帶來的變形減小量相近，而且，軋，提升了性能，同時(shí)降低了機(jī)械性能的各向異性。

圖 1.2 軋制及電弧增材制造設(shè)備示意圖[19]華中科技大學(xué)的 Xie 等[21]基于變質(zhì)機(jī)理理論開發(fā)了微型變質(zhì)軋制工藝不銹鋼 GWA-AM 各堆積層進(jìn)行軋制。通過對(duì)堆積層頂部成形面進(jìn)行軋累積的最大高度絕對(duì)誤差從 2.4 mm 減小至 0.2 mm，約節(jié)省了 91.6%的再加工時(shí)間；通過對(duì)堆積層側(cè)面進(jìn)行軋制，使得最大寬度絕對(duì)誤差從減小至 0.12 mm，最終獲得恒定堆積層厚度的金屬零部件。為了獲得不同傾斜角度的堆積金屬零部件，英國克蘭菲爾德大學(xué)的 K]將 S355 鋼與鋁合金 CMT 電弧增材制造過程中的豎直焊槍改為傾斜放出不同傾斜角度的堆積零件，探討了行走速度與送絲速度對(duì)傾斜角度并得到了可大大減輕重量的封閉中空零件，如圖 1.3 所示。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2832465