(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210654923.3 (22)申请日 2022.06.10 (71)申请人 浙江海洋大学 地址 316022 浙江省舟山市定海区临城街 道海大南路1号 (72)发明人 尹博　曹美光　金立全　孙宇　 黄进　杨昌昌　吴倩茹　蔡成恒　 郭舟　 (74)专利代理 机构 北京市诚辉律师事务所 11430 专利代理师 朱伟军　耿慧敏 (51)Int.Cl. B23K 9/04(2006.01) B23K 9/095(2006.01) B23K 9/16(2006.01)B23K 9/235(2006.01) B23K 9/28(2006.01) B23K 9/32(2006.01) B25J 9/16(2006.01) B25J 11/00(2006.01) B33Y 30/00(2015.01) B33Y 40/10(2020.01) B33Y 50/02(2015.01) B23K 31/02(2006.01) (54)发明名称 一种基于控制熔滴特征的电弧增材制造系 统与方法 (57)摘要 本发明涉及一种基于控制熔滴特征的电弧 增材制造系统与方法。 一种基于控制熔滴特征的 电弧增材制造系统， 包括熔滴监测系统， 工控机 系统、 电弧增材制造系统； 熔滴监测系统用于获 取熔滴的图像； 工控机系统的数据库比较分析模 块， 用于将根据数据库内参数数据和实时接收熔 滴振荡动量参数数据进行比对， 按照打印要求调 出可实现的最佳参数数据； 工控机将调出的最数 据佳参数形成指令， 下达给电弧增材制造系统； 电弧增材制造系统根据工控机指令实现打印过 程的实时调整。 本发明能够实时监测增材过程中 熔滴的形态变化和成型件的形状精度并做出反 馈， 不仅降低工艺实验难度， 同时提高了增材制 造过程中的加工精度和 测量精度。 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 CN 114932290 A 2022.08.23 CN 114932290 A 1.一种基于控制熔滴特 征的电弧增材制造系统， 其特 征在于： 包括熔滴监测系统， 工控机系统， 电弧增材制造系统； 所述熔滴监测系统和电弧增材制 造系统分别与工控机系统连接； 所述熔滴 监测系统用于获取 熔滴的图像； 所述工控机系统包括熔滴特 征信息处 理模块和数据库比较分析模块； 所述熔滴特 征信息处 理模块内安装图像处 理软件和熔滴特 征计算程序； 所述图像处理软件根据熔滴监测系统获取的熔滴图像直接提取第 一类熔滴特征； 所述 熔滴特征计算程序根据第一类熔滴特 征计算得到第二类熔滴特 征； 所述第一类熔滴特 征包含： 根据指定的直径丝材所测量得到的球形熔滴的长轴/长半轴长度h； 根据指定的直径丝 材所测量得到的球形熔滴的短轴/ 短半轴长度w； 根据指 定的直径丝材所测量得到的球形熔 滴形成直至脱离全过程熔滴 位移值x； 所述第二类熔滴特 征包含： 根据熔滴长半轴和短半轴计算得到的熔滴体积v； 根据指定丝材和熔滴体积计算得到 的熔滴质量； 根据熔滴位移 值x得到的熔滴振荡速度； 根据熔滴振荡速度和熔滴质量分析计 算得到的熔滴振荡动量； 所述数据库比较分析模块， 用于将根据数据库内参数数据和实时接收熔滴振荡动量参 数数据进行比对， 按照打印要求调出 可实现的最佳参数 数据； 所述工控机将调出的最数据佳参数形成指令， 下达给电弧增材制造系统； 电弧增材制 造系统根据工控机指令实现打印过程的实时调整。 2.根据权利要求1所述的一种基于控制熔滴特 征的电弧增材制造系统， 其特 征在于： 所述熔滴监测系统包括带有减光片和滤光片的高速摄像机、 云台支架， 高速摄像机设 置在云台支 架上。 3.根据权利要求2所述的一种基于控制熔滴特 征的电弧增材制造系统， 其特 征在于： 所述数据库内参数数据包括在指定丝材、 电流、 电压、 送丝速度 范围内不同的熔滴特征 一一对应不同的控制调整参数。 4.根据权利要求3所述的一种基于控制熔滴特 征的电弧增材制造系统， 其特 征在于： 所述电弧增材制造系统包括： 送丝机构、 焊枪、 焊接电源； 送丝机构包括送丝机和送丝 喷嘴； 送丝机， 与所述工控机连接， 用于根据送丝指令为电弧增材制造 输送丝材； 焊枪， 与所述工控机连接， 用于根据坐标/ 速度指令实现动作； 焊接电源， 与所述工控机连接， 用于根据加热指令为电弧增材制造提供 热源。 5.根据权利要求 4所述的一种基于控制熔滴特 征的电弧增材制造系统， 其特 征在于： 所述电弧增材制造系统还 包括惰性气体保护系统、 支 架机构、 多自由度机构， 所述多自由度机构设置在支 架机构上， 焊枪设置在多自由度机构上； 所述惰性气体保护系统包括惰性气体储气瓶、 控制阀5、 导气管和惰性气体保护舱； 所 述惰性气体储气瓶 通过控制阀5与导气管 连通， 导气管通入惰性气体保护舱内； 所述惰性气体保护舱 位于工作平台上。 6.根据权利要求5所述的一种基于控制熔滴特 征的电弧增材制造系统， 其特 征在于：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114932290 A 2所述多自由度机构为 三轴运动机构。 7.根据权利要求6所述的一种基于控制熔滴特 征的电弧增材制造系统， 其特 征在于： 所述焊枪上设有钨极， 送丝喷 嘴通过夹具固定在焊枪上。 8.根据权利要求7 所述的一种基于控制熔滴特 征的电弧增材制造系统， 其特 征在于： 所述云台支 架为360度可自由旋转高精度云台支 架。 9.一种基于权利要求1 ‑8任一所述的基于控制熔滴特征的 电弧增材制造系统的方法， 其特征在于， 包括如下步骤： 1)根据成形目标零件的材料要求选择相应的成形丝材， 并选择相应的基板的材料类型 和尺寸， 其中基板用打磨机去除氧化层， 并用乙醇擦拭处 理； 2)将准备好的三维CAD模型导入到 工控机中进行处 理， 并生成运动轨 迹和控制代码； 3)将基于数字化高速摄像技术的熔滴监测装置调整至合适位置， 具体放置在距离焊炬 的一侧的工作平台上， 之后选择合 适焦距； 4)在正式打印之前， 启动焊枪进行 前期的试运行阶段， 焊炬空走以确认轨 迹无误； 5)在正式打印过程中， 首先调整熔滴监测装置以确认与焊炬运行轨迹相匹配， 提前启 动焊接电源， 选择好既定的打印参数， 之后再调整焊丝与钨极至合 适距离； 6)将惰性气体保护舱放置在工作平台上， 内部放置处理好的基材， 预先充入一定流量 的高纯惰性气体； 7)开启焊枪， 调出加工程序， 机器人手臂按照预定的加工轨迹运行， 与此同时， 送丝机 构将丝材输送到产生的熔池中， 丝材与钨极之间形成电弧， 形成熔滴， 落入熔池； 此时基于 高速摄像技术的熔滴监测装置则开始记录熔覆过程中熔滴及熔池的形态变化图像， 并存储 传导至工控机； 工控机中的熔滴特征信息处理模块对接收图像信息进 行计算处理得到熔滴 特征； 工控机中的数据库比较分析模块将实时获取的熔滴特征与数据库中存储的数据进 行 比较， 调出最佳数据参数； 工控机根据调出的最数据佳参数， 形成指令， 下达给电弧增材制 造系统； 电弧增材制造系统根据工控机指令实现打印过程的实时调整。 10.一种基于权利要求9所述的基于控制熔滴特征的电弧增材制造系统的方法， 其特征 在于： 步骤7)中， 工控机 中的熔滴特征信 息处理模块对接收图像信 息进行计算处理得到熔滴 特征， 具体为： 先通过图像处理软件根据熔滴监测系统获取的熔滴图像直接提取第 一类熔滴特征； 再 通过熔滴特征计算程序根据第一类熔滴特 征计算得到第二类熔滴特 征； 所述第一类熔滴特 征包含： 根据指定的直径丝材所测量得到的球形熔滴的长轴/长半轴长度h； 根据指定的直径丝 材所测量得到的球形熔滴的短轴/ 短半轴长度w； 根据指 定的直径丝材所测量得到的球形熔 滴形成直至脱离全过程熔滴 位移值x(位移值 为熔滴根部与熔滴重心之间的距离)； 所述第二类熔滴特 征包含： 根据熔滴长半轴和短半轴计算得到的熔滴体积v； 根据指定丝材和熔滴体积计算得到 的熔滴质量； 根据熔滴位移 值x得到的熔滴振荡速度； 根据熔滴振荡速度和熔滴质量分析计 算得到的熔滴振荡动量。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114932290 A 3