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文献综述： |
增材制造技术 ( Additive Manufacturing，AM) 是集计算机学、光学、材料学以及其他学科于一体并且将零件的三维 CAD 模型通过制造设备堆积成具有一定结构和功能的零件或原型的一种先进制造技术，也被称作快速原型技术 (rapid prototying) 、3D 打印技术 ( 3D printing) 等。是一种 “自下而上”材料累加的制造方法。在一台增材制造设备上即可快速地制造出任意形状的零件，从而实现“自由制造”，解决传统加工设备难以高效率、低成本制造的复杂结构零件的成形；不需要传统制造中的刀具、工装；产品结构越复杂，越能够体现增材制造的优越性，大大减少了加工工序，缩短了加工周期。在高性能小批量迅速反应的零件生产的场合具有竞争力，未来在批量生产领域的竞争力也会加强[1]。目前增材制造技术已经广泛的应用于航空航天、生物医学、能源化工、微纳制造[2]。
目前，针对WAAM成形质量的研究工作主要聚焦于工艺优化和过程控制两个方向。视觉传感系统(主动和被动)现已成为成形过程控制这一研究方向的热点，该方法是最直接地获取瞬态成形形貌，并基于成形特征尺寸反馈调整工艺的闭环控制手段，但其与弧焊过程采集电流、电压信号不同，该过程强烈地依赖于二维图像的三维重构技术，图像处理技术和处理速度严重影响着控制精度及响应速度。此外，基于电弧的物理特征，规划 WAAM成形路径时应尽量避免熄弧，可这与激光增材制造的根据分层厚度全局分层切片的方法完全不同，WAAM局部成形具有先后顺序，视觉传感系统空间布局可能受限及焊枪可达性降低。另外，光路干涉也是该技术函待解决的问题。基于作者前期工作发现WAAM成形形貌、组织具有较强的历史相关性，这表明通过工艺优化保持熔池体系稳定性也可以获得连续一致的成形形貌。因此，深人分析WAAM成形的物理过程，从几何精度形成原理出发，获得成形工艺参数的约束与匹配关系，针对不同材料体系和成形件尺度构建相应成形工艺规范带，应该是工艺优化这一研究方向的工作目标，旨在不增加控制系统及焊枪结构复杂度的基础上，利用金属熔滴的连续平稳过渡获得较高的成形件表面质量[3]。 根据相关研究，采用焊接电弧作为热源将金属丝材熔化，按设定成形路径在基板上堆积每一层片，层层堆敷直至成形金属件，具有制造成本低、材料利用率高、生产效率高等优点[4]。激光金属丝堆敷单元与监控系统在瑞典西部大学已经建立起来，配备摄像机和3D扫描仪。其通过算法和图像监测控制送丝速度来控制增材制造的层高监控系统能够实现堆敷过程和堆敷层轮廓的在线视觉反馈。扫描器产生每层的3D图像为减小过程产生的干扰提供了良好的视野，从而控制过程。此信息也可以为未来的建模与仿真，或为离线编程工具发展提供宝贵意见。测量系统的结构允许所有的测量数据的同步存储到数据库中，从而简化了实验数据的提取和分析。利用先进的监控系统，一个进程高度控制器已经被开发和展示。控制算法是基于迭代学习。该控制信号调整基于3D扫描堆敷部分的送丝率的数据。结果表明，在没有不确定性扰动的任何先验知识的情况下ILC能够实时的学习特定部分的特性。这是很重要的，由于层内的几个相邻焊道堆敷产生依赖于一复杂方式选择的参数，因此很难预测高度的变化。整个堆敷过程中控制器能够补偿当地变化并保持光滑平坦的表面。实验工作是采用的Ti-6AL-4V，但结果可以推广到其他材料。此外，该控制器可用于任意成分和堆敷模式，而扫描仪主要用于小型的凸起[5]。
电弧增材制造虽然优点多但尚未实现大规模的生产制造，更多的处于试验和开发中，其成形尺寸精度还不能相对精确，成形表面形貌不理想等焊接质量原因是制约其发展的因素之一，因此对焊接过程的电参数及温度进行控制是提高焊接质量的重要手段。 哈尔滨工业大学的熊俊在GMA-AM成形特性研究中采用激光视觉传感器对成型件表面质量进行测量，研究了层间温度对成型层表面质量的影响规律。成形试件为多层单道结构，采用交错式堆积方式，堆积长度160mm，堆积层数为二十层。实验中保持熔敷电流和堆积速度不变，只改变层间温度，分别为20℃、120℃、300℃、450℃，对应的工艺参数及测量结果如下表[6]。
表 1不同层间温度表面质量测量
图 1不同层间温度下表面形貌 由图1可以看出本实验中层间温度为 20℃和 120℃时成形较好，300℃和450℃时越来越差。
焊接是一个复杂的物理过程，弧焊过程中，电弧的性质影响焊接过程的稳定性、飞溅大小和焊缝成形等．因此检测焊接电弧的各种参数，对焊接过程的电弧分析和焊接质量控制有重要意义．目前电弧信息检测已发展得比较全面，最常用的是对焊接电信号、电弧高速摄像图片信息、光谱信号的检测，此外还有电弧光强、电弧声音检测等[7][8]．电弧声信号中蕴涵着丰富的焊接状态信息，并与焊接参数、电弧行为、熔滴过渡方式、过程稳定性等密切相关，是焊接质量监控重要的源信号[9]。
图 2多信息同步采集系统 如上图所示的应用于焊接电弧检测的多信息同步采集系统，叙述了多信息同步采集系统的设计策略，介绍了同步采集系统的硬件，以及利用 LabVIEW平台编写的同步采集软件，实现了电信号、高速摄像图片及光谱信息的精确同步采集．内外学者对于焊接过程的温度采集研究包括很多方面。 如大连理工大学的黄瑞生、刘黎明等人采用红外热像仪实现对AZ31B镁合金的激光—TIG复合焊接过程的温度场测量[10]，焊接温度场的分布决定焊接接头的微观结构及力学性能。同时，研究温度场对认识热源形式，建立和校正热源模型起关键作用，为数值模拟及焊接过程预测准确性提供依据。下图是他们测量装置示意图。
图 3温度场测量装置示意图
LabVIEW[11][12] (Laboratory Virtual Instrument EngineeringWorkbench)是实验室虚拟仪器集成环境的简称，是美国国家仪器公司(NATIONAL INSTRUMENTS，简称NI)推出的一种基于图形程序的虚拟仪器仪表开发平台，和仪器系统的数据采集、分析、显示部分一起协调工作，是简化了而又更易于使用的基于图形化编程语言G的开发环境，其在测量测试、数据采集、仪器控制、数字信号分析、工厂自动化等领域获得了广泛的应用。一个完整的LabVIEW开发环境包括基本模块和扩展模块两部分。引擎部分是整个图形化开发环境的核心，它包括编辑模块、运行模块和调试模块，其程序主要包括两个部分：前面板(即人机界面)和流程图程序。 郭静等人以LabVlEW为编程语言设计的虚拟信号采集分析系统实现了对VPPA焊接电流、电压信号的实时采集与波形存储再现功能，实现了焊接电信号滤波、统计分析、时频域分析等功能，为焊接工艺的参数优化提供了参考，为焊接过程评定提供了依据。 下图为其焊接电信号采集系统框图[13]。
图 4焊接电信号采集系统框图 兰州理工大学的HUANG Jiankang， LU Lihui等基于虚拟仪器的实时视觉检测铝合金脉冲MIG焊的焊接过程，采用NI数据采集卡与LabView软件实现了对铝合金脉冲MIG焊的数据采集和模拟[14]，下图为测控系统原理图。
图 5测控系统原理图 哈尔滨工业大学的常迎春以功能强大的LabVIEW 为操作界面，基于以太网技术，实现采集系统与计算机之间的通信，实现数据的采集、传输和处理，为点焊质量的实时监测提供信息；为点焊易损耗设备的更换提供理论依据。试验结果表明：采集系统能够很好地采集到点焊过程监测信息，速度上可以完全达到实时性的要求，本文所研制的点焊过程动态数据采集系统具有较高的实用价值。图6为采集到的瞬时波形图，从中可以看出：从传感器输出的电压、电流与进入A/D 转换时波形在时序上对应很好，误差几乎可以忽略[15]。
图 6数据采集瞬时值波形图 长春大学的Shujiao Ji， Yanmin Lei， Wanli Zhang基于LabVIEW开发了温度采集系统，将温度信号以温度计的形式直观显示，并进行数据统计，用直方图的形式进行统计，方便分析[16]。
图 7温度采集前面板 焊接数据采集技术已经趋于成熟，现有的研究已经涵盖了丰富的信息采集，但目前对于电弧增材制造过程的在线温度监控仍然不多且有许多问题，尤其是如何实现采集后的自动控制仍然是一个难题，由于增材制造的质量和尺寸同温度及热输入有重要的因素，必须要对电流及温度进行监控，实现堆焊过程质量和尺寸的控制。 参考文献: [1]王红军. 增材制造的研究现状与发展趋势[J]. 北京信息科技大学学报，2014，29(3):20-24 [2]卢秉恒，李涤尘.增材制造(3D打印)技术发展[J].机械制造与自动化，2013，42(4):1-4 [3]耿海滨，丝材电弧增材制造技术研究现状与趋势[J].专题综述，2015，(11):17-21 [4]Mughal M P，Fawad H，Mufti R A.Three-dimensional Finite-element Modelling of Deformation in Weld-based Rapid Prototyping [J]. In: Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part C: Journal of Mechanical Engineering Science，2006，220(6): 875-885 [5] Almir Heralicacute;, Anna-KarinChristiansson, BengtLennartson，Height control of laser metal-wire deposition based on iterative learning control and 3D scanning[J]. Optics and Lasers in Engineering，2012，50:1230-1241 [6]熊俊，多层单道GMA增材制造成形特性及熔敷尺寸控制[D].黑龙江:哈尔滨工业大学，2014 [7]张丽玲，彭祺，张莉琴. CO2焊接过程的高速摄影与电信号分析[J].电焊机，2008，38(3)：30-33. [8]李桓，王俊红，艾丹凤，高莹. 弧焊过程中多信息同步采集系统[J].天津大学学报，2012，45(2):184-189 [9]马跃洲，基于电弧声信号的CO2焊质量监控方法研究[D].甘肃:兰州理工大学，2005 [10]黄瑞生, 刘黎明, 迟鸣声. 镁合金激光-TIG焊接温度场的红外测量与数值模拟[J].焊接学报，2006，27(10):89-93 [11]LabVIEW Function and VI Reference Manual[M]，National lnstruments Corporation，1998 [12]魏海燕，杨建新，郁鼎新等．基于Labview的虚拟仪器开发[J]．机械工程师，2000；4 [13]郭静，韩永全，洪海涛，春兰. 基于LabVIEW的VPPA焊接信号采集分析系统[J].电焊机，2014，44(10):44-47 [14]Jiankang H, Lihui L, Ling S, et al. Monitoring of pulsed MIG welding process of aluminum alloy based on the LabVIEW real-time vision[J]. Control Conference (CCC), 2011 30th Chinese. IEEE,2011. 4457-4460 [15]常迎春，基于 LabVIEW 的数字化电阻点焊过程信息监测系统[D].哈尔滨工业大学，2006 [16]Ji S,Lei Y,Zhang W.The design of data acquisition system based on virtual instrument[J]，Computer Science and Network Technology (ICCSNT) 2012 2nd International Conference on IEEE，2012，594-597 |
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