GMA增材制造堆积尺寸视觉传感与解耦控制

摘要

熔化极气体保护电弧(Gas metal arc，GMA)增材制造技术作为一种低成本高效率的金属构件堆积方法，在复杂金属构件的柔性化制造方面具有很大优势。由于堆积过程中金属构件的热积累，导致堆积尺寸的实际值与分层切片设定值不一致，因此需要对堆积尺寸进行检测和控制。然而，GMA增材制造堆积过程中各个工艺参数(即堆积电流、堆积电压和堆积速度)与堆积尺寸(即堆积宽度和堆积高度)之间具有很强的耦合作用，导致堆积尺寸的多变量控制存在困难，现有的单变量控制也难以达到令人满意的控型效果。本文基于GMA增材制造薄壁件的堆积过程，设计双摄像机视觉传感系统，在线检测堆积尺寸，建立了工艺参数与堆积尺寸的动态系统辨识模型，以堆积尺寸为控制对象，设计解耦器与控制器，并开展了解耦控制系统仿真和堆积实验。　　以CCD摄像机为核心设计了双摄像机视觉传感系统，集成了完整的GMA增材制造堆积试验平台。定义了堆积尺寸的具体物理含义，编写了包括Canny边缘检测、Hough直线拟合在内的图像处理程序，从熔池图像中成功提取了堆积尺寸的特征边缘，根据单应性矩阵对传感系统的标定结果，计算出堆积尺寸的实时检测值。对传感系统的检测精度进行了验证，堆积宽度的检测相对误差为2.8%，堆积高度的检测相对误差为3.8%。　　设计了GMA增材制造系统的阶跃与白噪声响应试验，在特定参数下成形薄壁件，采集并记录响应检测数据，完成工艺参数与堆积尺寸的单变量与多变量系统辨识，构建了以稳定工作点(即堆积电流140A、堆积电压21V和堆积速度4mm/s)为零点的系统动态模型，利用相对增益矩阵分析了工艺参数与堆积尺寸之间的耦合关系。　　以设定堆积电流和设定堆积电压作为控制量，根据串联解耦法设计了前馈补偿器作为解耦器，进行了解耦仿真与堆积实验，成功解除了工艺参数与堆积尺寸之间的耦合关系。基于模糊控制原理，设计了以设定堆积电流为控制量的堆积宽度控制器和以设定堆积电压为控制量的堆积高度控制器，开展了GMA增材制造双变量解耦控制系统的仿真与堆积实验。成功堆积出了宽8mm、高34mm的薄壁件，堆积二十层后，堆积宽度最大偏差为0.48mm，控制相对误差为6%；堆积高度最大偏差0.99mm，控制相对误差为3%。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 电弧增材制造研究现状

1.2.2 电弧增材制造检测与控制研究现状

1.2.3 多变量控制研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2 章试验系统设计

2.1 总体设计

2.2 软件控制系统

2.3 双摄像机视觉传感系统

2.3.1 视觉传感系统设计

2.3.2 图像采集流程

2.3.3 摄像机标定

2.4 试验参数与材料

2.5 本章小结

第3 章堆积尺寸在线检测

3.1 堆积尺寸特征参数定义

3.2 图像处理

3.3 检测精度验证

3.4 检测信号滤波

3.5 本章小结

第4 章系统辨识与耦合关系分析

4.1 单输入单输出阶跃响应

4.1.1 堆积电流对堆积尺寸的阶跃响应

4.1.2 堆积电压对堆积尺寸的阶跃响应

4.1.3 堆积速度对堆积尺寸的阶跃响应

4.2 多变量系统辨识

4.3 变量耦合关系分析

4.3.1 相对增益矩阵

4.3.2 耦合关系分析

4.4 本章小结

第5 章解耦器设计与实现

5.1 串联解耦法

5.2 解耦器设计与仿真

5.3 解耦器鲁棒性测试

5.4 解耦验证试验

5.4.1 解耦后设定堆积电流阶跃响应

5.4.2 解耦后设定堆积电压阶跃响应

5.5 本章小结

第6 章控制系统设计与实现

6.1 单变量模糊控制器设计

6.2 解耦控制系统设计

6.3 解耦控制系统仿真

6.3.1 模型构建

6.3.2 控制器参数整定

6.3.3 控制仿真

6.4 堆积尺寸实时闭环反馈控制

6.5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间学术成果