等离子弧增材制造过程监测与弧长预测方法研究

摘要

等离子电弧增材制造工艺具备电弧稳定性高、能量密度集中的优点，常用来制造大型金属构件。但是在实际应用过程中，由于堆敷层高度的变化，使得弧长变化难以恒定，同时工艺参数的变化，也会影响增材制造过程的稳定性。因此本文针对等离子电弧机器人自动增材制造过程，设计了等离子自动增材制造过程监测系统，并对增材制造过程中弧长的变化进行预测，为在线校正电弧长度奠定基础。 首先进行了等离子电弧增材制造监控系统设计与研发。开发了电参数和温度信息采集模块，设计调试了信号调理电路和保护电路，并将其与移动触摸式一体机集成，形成了移动触摸式等离子电弧增材制造监控硬件装置。然后针对等离子电弧增材制造的特点，编制了电参数和温度信息采集模块、数据分析、数据处理和数据存储及回显模块，形成移动触摸式等离子电弧增材制造监控软件系统，实现了等离子电弧增材过程多种参数的在线监测。 然后试验研究了等离子弧增材制造工艺参数对弧长的影响的规律。主要是以堆敷电压、堆敷电流、离子气流量3个参量，进行大量工艺试验。采集试验过程中各个参量，并且分析处理，获取堆敷电压、堆敷电流、离子气流量对弧长的影响规律，为建立人工神经网络的弧长预测模型的研究奠定基础 接着为了实现预测堆敷过程中弧长，采用Matlab软件建立BP神经网络模型。BP神经网络模型以堆敷电流、电弧电压、离子气流量等三个特征参数作为输入层，弧长作为输出层。中间层采用不同的神经元数量对弧长预测精度进行训练，分析了神经元数量对弧长预测精度的影响。训练结果表明，当BP神经网络的中间层神经元数量为7时，其预测精度较高，其平均准确率达到89.42％。 进一步利用所设计的移动触摸式等离子电弧增材制造监控系统，包括所建立的BP神经网络模型，对等离子弧增材制造工艺过程进行了监测，并对增材制造过程中的弧长变化进行验证试验。系统运行结果表明，该系统可以对等离子弧增材制造工艺的电参数和温度参数进行实时检测，同时也可以实时预测单道堆敷的实时弧长的变化。 最后对弧长的控制方法进行了初步研究。控制模型以弧长偏差和偏差变化率为输入量，具体是以神经网络模型实时预测出的弧长为反馈量，以表征弧长调整量的电压模拟量为输出量建立了双输入单输出的二维模糊控制器的基本模型。研究时采用Matlab软件，通过模糊化、模糊推理、解模糊的处理过程，建立等离子弧增材制造弧长预测的模糊控制规则表。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1课题背景及意义

1．2电弧增材制造技术

1．2．1电弧增材制造技术概述

1．2．2电弧增材制造国内外研究现状

1．3电弧增材制造过程参数采集研究现状

1．4人工神经网络研究现状

1．5模糊控制研究现状

1．6本文研究内容

2等离子电弧增材制造过程监控硬件系统设计与构建

2．1硬件系统总体设计

2．2机器人增材制造装置

2．2．1机器人控制系统设备

2．2．2焊接堆敷系统设备

2．2．3机器人增材制造集成

2．3监控硬件总体设计

2．4机器人增材制造过程监控硬件装置

2．4．1电参数传感器

2．4．2温度传感器

2．4．3电路模块

2．4．4数据采集卡

2．4．5移动触摸式一体机

2．5本章小结

3等离子电弧增材制造监控软件系统设计与试验验证

3．1软件系统的总体设计

3．2等离子电弧增材制造监控软件系统组成

3．2．1数据采集

3．2．2数据处理

3．2．3数据分析

3．2．4数据存储及查询

3．3等离子电弧增材制造监控系统初步试验验证

3．4本章总结

4等离子增材制造弧长神经网络预测方法研究

4．1工艺参数与弧长的关系试验研究

4．1．1试验工艺设计

4．1．2试验参数处理

4．2 BP神经网络的建立

4．2．1人工神经网络模型含义

4．2神经系统网络模型建立

4．3神经网络预测模型的试验

4．3．1神经系统网络模型精度分析

4．3．2神经系统网络模型验证

4．4本章小结

5基于模糊控制的电弧长度控制方法的研究

5．1电弧长度控制方法总体设计

5．2等离子电弧弧长的模糊控制器的设计

5．2．1模糊控制器输入输出

5．2．2精确量模糊化

5．2．3隶属函数选取

5．2．4模糊规则制定

5．2．5模糊量的清晰化

5．3模糊控制器的试验

5．4本章小结

结论及展望

1结论

2展望

致谢

参考文献

附录