基于热状态感知的WAAM层内有向焊道协同规划方法及系统

本发明属于增材制造领域，涉及线弧增材制造中的路径规划技术，具体涉及一种基于热状态感知的waam层内有向焊道协同规划方法及系统。

背景技术：

1、线弧增材制造（waam）技术是一种以电弧作为热源、以金属丝材作为填充材料的高效率金属增材制造技术。与传统粉末增材制造技术相比，waam具有沉积效率高、材料利用率高、设备成本低以及适用于制造大型复杂金属结构件等优点，因此在航空航天、能源装备、海洋工程及大型结构件制造等领域得到了广泛关注和应用。

2、在waam制造过程中，构件通常通过逐层沉积焊道的方式形成三维结构，其中层内焊道的沉积路径规划对制造过程中的热输入分布具有重要影响。焊道沉积顺序及沉积方向不仅决定了焊接热源在构件表面的移动轨迹，同时也影响相邻焊道之间的热量传递、冷却速率以及层内温度场的空间分布。因此，合理的路径规划对于控制温度场均匀性、降低残余应力水平以及提高构件成形精度具有重要意义。

3、当层内焊道路径规划不合理时，容易导致局部区域热量过度累积，从而造成构件局部过热；同时，由于温度梯度过大，还可能引起较大的残余应力和结构翘曲变形。此外，不合理的沉积路径还可能导致焊道几何尺寸不稳定，使得层间成形质量下降，并进一步影响材料显微组织及力学性能的均匀性。因此，如何通过优化焊道沉积路径以调控制造过程中的热历程分布，是waam工艺研究中的关键问题之一。

4、现有的waam路径规划方法大多基于几何填充策略，例如平行扫描路径、往复式扫描路径或轮廓偏置路径等，这类方法主要从几何覆盖效率或加工效率角度进行设计，通常将各焊道视为相互独立的加工单元，仅对路径长度或打印时间进行优化。然而，这类方法往往忽略了焊接热源在不同沉积方向下的热扩散差异，以及相邻焊道之间的热历史传递关系。

5、近年来，部分研究尝试引入遗传算法等智能优化算法对焊道沉积顺序进行优化，以降低热累积或减少路径空行程。然而，现有研究普遍仅对焊道沉积顺序进行优化处理，而将焊道沉积方向作为固定参数或独立变量进行处理，未能建立沉积顺序与沉积方向之间的耦合关系。同时，现有方法普遍缺乏对焊道之间热历史继承效应的建模，难以对层内温度场演化过程进行有效调控。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于热状态感知的waam层内有向焊道协同规划方法及系统，通过建立顺序与方向之间的热历史传递关系，实现对层内温度场与残余应力分布的协同优化，从而提高增材制造成形质量与稳定性。

2、技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于热状态感知的waam层内有向焊道协同规划方法，包括如下步骤：

3、s1：获取目标构件单层二维截面轮廓，根据设定焊道宽度与搭接率对截面进行离散化处理，生成若干待沉积焊道段并提取焊道几何与拓扑信息；

4、s2：基于焊道几何与拓扑信息，构建包含顺序编码段与方向编码段的混合染色体结构，根据方向编码确定各焊道的实际起弧点和收弧点，并根据相邻沉积焊道的端点转移距离及过渡时间确定有效冷却间隔，建立焊道间热历史继承模型，使沉积方向对后续焊道初始热状态产生耦合影响；

5、s3：基于混合染色体结构，采用随机路径与启发式扫描策略生成初始种群；

6、s4：针对初始种群，根据所述热历史继承模型确定候选路径中各焊道的起始热状态，并将所述起始热状态与焊道几何、过渡运动及工艺参数特征输入热-力场代理模型，对不同路径方案的温度场分布、热梯度及残余应力指标进行预测，经无量纲化处理后构建多目标评价函数进行综合评价；

7、s5：在遗传算法框架下通过选择、交叉与变异操作进行迭代优化，并根据当前进化代数更新动态惩罚系数，对waam焊枪运动连续性、沉积可执行性及相邻焊道干涉风险进行约束判定；

8、s6：输出最优焊道沉积顺序与沉积方向，并生成waam焊枪沉积路径与工艺参数指令。

9、进一步地，所述步骤s1包括：

10、a1：读取目标构件的cad模型文件，文件包含构件的完整几何信息及三维坐标数据；系统将模型在z轴方向按照预设层厚进行等间隔切片处理，每次切片生成一个二维截面轮廓集合，其中，为总层数；

11、a2：对于每一层二维截面，系统根据设定的焊道宽度和搭接率对截面区域进行离散化处理，生成待沉积焊道段集合：

12、

13、其中，n为本层截面生成的焊道总数；每条焊道段包含：焊道中心线坐标、焊道长度、邻接拓扑关系集合；记录当前焊道与相邻焊道的空间邻接信息；

14、a3：在焊道离散化完成后，系统进一步建立焊道热影响邻接矩阵，其中：

15、

16、其中，为拓扑邻接指示因子，若焊道与焊道空间邻接，则，否则；表示焊道与焊道中心点之间的欧氏距离；矩阵用于量化焊道间热影响强度，并为后续热历史继承计算提供数据基础；为热影响特征长度，用于表征热影响随焊道间距增大而衰减的速度。

17、进一步地，所述步骤s2包括：

18、b1：构建混合染色体；

19、在遗传算法中，为每一层焊道生成一条长度为2n的混合染色体：

20、

21、其中：顺序编码段用于表示焊道沉积访问顺序，每个对应第k次沉积执行的焊道编号；方向编码段用于表示焊道沉积方向；

22、b2：顺序与方向绑定映射；

23、在实际执行过程中，第k次焊道沉积编号为，其对应方向由方向编码段确定：

24、

25、焊道实际起弧点与收弧点的计算公式为：

26、

27、其中，分别为焊道几何起点和终点坐标；

28、b3：建立焊道间热历史继承模型；

29、第k条焊道的热历史继承量定义为：

30、

31、方向耦合因子：

32、

33、第k条焊道初始温度：

34、

35、其中，为第条焊道与第条焊道之间的热影响邻接系数；为第次沉积结束至第次沉积开始的累计时间间隔，包含两次沉积之间的全部转移、等待及中间焊道沉积时间；为热衰减系数；为第条焊道方向单位矢量；为第j次沉积焊道的实际收弧点，为第k次沉积焊道的实际起弧点；为极小正数；为热继承增益系数；为环境温度；为方向耦合权重系数，用于调节焊道沉积方向对热历史继承量的影响。

36、进一步地，所述步骤s3包括：

37、c1：随机路径生成；

38、根据构建的混合染色体结构随机生成若干个个体作为初始种群，每个个体的顺序编码段p随机排列焊道编号，方向编码段d随机赋值为0或1：生成的个体确保每条焊道编号唯一，方向编码与顺序编码对应；

39、c2：启发式路径生成；

40、利用启发式规则生成参考路径，包括：往复式扫描路径：沿截面轮廓顺序扫描，依次生成焊道顺序；热均衡优先路径：根据热影响矩阵a计算热累积值，优先选择热累积较低的焊道顺序；每个启发式路径生成的个体均包含顺序编码p和方向编码d；

41、c3：初始种群组合；

42、最终初始种群由随机路径个体与启发式路径个体组合而成，总体种群容量为m：

43、。

44、进一步地，所述步骤s4中热-力场代理模型的预测方法包括：

45、d1：输入向量构建；

46、对于每个染色体个体，构建热-力场预测模型输入向量：

47、

48、其中，l为焊道长度向量；a为热影响邻接矩阵；为各焊道初始热状态向量；为焊道间过渡运动及工艺参数特征向量，至少包括端点转移距离、有效冷却间隔、沉积速度、电弧功率或等效热输入中的一种或多种；

49、d2：模型预测；

50、调用机器学习或物理约束神经网络模型进行预测，得到热-力场指标：

51、

52、其中，为温度均匀性指标；为最大热梯度指标；为残余应力指标；

53、d3：起始热状态更新；

54、根据热历史继承量计算第k条焊道的起始温度：

55、。

56、进一步地，所述步骤d2中物理约束神经网络模型满足热传导残差约束：

57、其中，为模型预测温度场，为等效热源输入，、、分别为材料密度、比热容和导热系数；为梯度算子，用于表征温度场在空间方向上的变化率。

58、进一步地，所述步骤s4中多目标适应度函数的表达如下：

59、

60、其中，、、分别为温度均匀性、最大热梯度、残余应力的权重系数，满足：

61、

62、为温度均匀性评价函数，为热梯度评价函数，为残余应力评价函数。上述评价指标均经无量纲化处理，f值越小表示候选路径的综合评价结果越优。

63、进一步地，所述步骤s5中约束判定的过程包括：

64、e1：waam焊枪运动连续性与沉积可执行性判定；

65、判断第k条焊道对应焊枪目标位姿是否可达：

66、

67、其中，为第k条焊道对应的焊枪目标位姿，为waam执行机构姿态变量，为waam执行机构运动映射，为设备可执行运动域；

68、e2：焊枪碰撞判定；

69、计算最小安全距离：

70、

71、其中，为第k次沉积时焊枪及末端执行器几何包络集合，为工件、夹具及已沉积区域构成的障碍集合；

72、若，则判定路径方案存在碰撞风险；是安全距离阈值；

73、e3：动态惩罚值计算；

74、对于第i个候选个体，定义综合约束违背量：

75、

76、其中，为非负约束权重系数，为非负工艺约束违背量；本式中的可达性、碰撞距离及工艺约束项均针对第i个候选个体计算；

77、根据综合约束违背量与第g代动态惩罚系数，求得该个体的动态惩罚值：

78、

79、

80、其中，为最大进化代数，g为当前进化代数，，且；i为候选个体索引，与进化代数g区分。

81、进一步地，所述步骤s5中选择、交叉与变异操作的执行包括：

82、选择操作：

83、对当前种群中的每个个体，计算其综合目标函数值：

84、

85、其中为第i个候选个体的多目标评价函数值，为该个体在第g代的动态惩罚值；

86、按照综合目标函数值由小到大执行选择操作；

87、交叉操作：

88、交叉操作分别针对顺序编码段p和方向编码段d进行：

89、顺序编码段部分匹配交叉：随机选择父代两个个体 ，，随机确定交叉区间[u,v]；保留父代1在区间[u,v]的顺序编码，其他位置按父代2剩余焊道顺序依次填充； 生成子代顺序编码；

90、方向编码段单点交叉：对父代方向编码段 随机选择单点交叉位置q；子代方向编码：

91、

92、交叉操作完成后，生成子代集合；

93、变异操作：

94、变异操作针对顺序编码和方向编码分别进行：

95、顺序编码交换变异：随机选择顺序编码段中的两个位置r, s，交换焊道编号：

96、

97、方向编码比特翻转变异：对方向编码段第i位执行比特翻转：

98、

99、根据焊道热敏感区域，将方向位变异概率加权：

100、

101、其中，为固定焊道顺序及其余方向位、仅翻转第i条焊道方向后，该焊道热历史继承量变化的绝对值；为基础变异概率，；为热敏感增强系数，用于避免分母为零。各方向位采用同一归一化基准，所得变异概率不超过1；所有变化量均为零时取基础变异概率。

102、本发明还提供一种基于热状态感知的waam层内有向焊道协同规划系统，包括：

103、层截面离散建模模块，获取目标构件单层二维截面轮廓，根据设定焊道宽度与搭接率对截面进行离散化处理，生成若干待沉积焊道段并提取焊道几何与拓扑信息；

104、染色体构建模块，构建包含顺序编码段与方向编码段的混合染色体结构，根据方向编码确定各焊道的实际起弧点和收弧点，并根据相邻沉积焊道的端点转移距离及过渡时间确定有效冷却间隔，建立焊道间热历史继承模型，使沉积方向对后续焊道初始热状态产生耦合影响；

105、初始种群生成模块，采用随机路径与启发式扫描策略生成初始种群；

106、路径方案评估模块，根据热历史继承模型确定各焊道的起始热状态，并将起始热状态与焊道几何、过渡运动及工艺参数特征输入热-力场代理模型，对不同路径方案的温度场分布、热梯度及残余应力指标进行预测，经无量纲化处理后构建多目标评价函数进行综合评价；

107、约束判定模块，引入动态惩罚函数对waam焊枪运动连续性、沉积可执行性及相邻焊道干涉风险进行约束判定；

108、遗传进化搜索模块，在遗传进化过程中引入动态惩罚项，在遗传算法框架下通过选择、交叉与变异操作进行迭代优化；

109、最优路径输出模块，输出最优焊道沉积顺序与沉积方向，并生成waam焊枪沉积路径与工艺参数指令。

110、有益效果：本发明与现有技术相比，具备如下优点：

111、1、建立顺序与方向耦合优化机制：本发明首次将焊道沉积顺序与沉积方向在遗传算法中进行联合编码和耦合优化，通过方向编码与焊道编号的绑定映射，以及热历史继承量的计算，实现前序焊道沉积方向对后续焊道初始温度和热累积的直接影响。这一机制使路径优化不再仅仅考虑几何约束，而是同时考虑焊道之间的热状态传递关系，从而更加真实地模拟waam过程中的热传导与累积效应，使得优化路径更符合实际焊接物理过程。

112、2、路径规划由几何优化提升为热历程调控：与现有仅对焊道顺序进行几何优化的方法不同，本发明通过构建热-力场快速预测模型和热历史继承量，将路径规划问题扩展为热历程优化问题。在规划过程中，不仅优化焊道沉积顺序，还优化每条焊道的沉积方向，以控制局部温度分布、热梯度以及残余应力的演化。这一技术提升使路径规划能够同时兼顾几何覆盖、温度均匀性和构件力学性能，为高精度增材制造提供保障。

113、3、降低层内温度梯度与残余应力风险：通过耦合优化焊道顺序与方向，本发明能够调节焊道之间的热输入次序和端点连接关系，减少局部热量连续累积及冷却不均现象，从而有助于降低局部温度梯度并抑制残余应力集中，提高层内热状态和成形过程的稳定性。

114、4、提高waam构件成形稳定性与尺寸精度：本发明通过优化焊道沉积路径，减少热累积和温度梯度波动，从而有效抑制构件在制造过程中出现翘曲、变形及尺寸偏差问题。沉积顺序与方向耦合优化确保每层焊道的热输入可控，并通过动态惩罚机制保证路径在机器人运动学约束下可行。这种方法能够在保证热-力性能优化的同时，显著提高waam构件的制造稳定性和最终成形精度。

115、5、工程鲁棒性强、适用性广：本发明的路径优化方法具备良好的工程可扩展性和适应性，可针对不同尺寸和形状的构件进行参数调整，包括焊道宽度、搭接率、热影响系数及机器人数控约束。同时，自适应动态惩罚函数保证生成的焊道路径在机器人运动学可达性和碰撞约束下完全可行，使本发明方法适用于各类工业waam系统，包括多关节机械臂和大型结构件增材制造。

116、6、提升工艺效率与可控性：在确保热均衡和残余应力最小化的同时，本发明通过遗传算法高效迭代生成路径，结合启发式初始种群和热敏感区域加权策略，使优化过程能够快速收敛至高质量解。优化后的焊道顺序与方向组合不仅提高热-力协同控制的可控性，还能有效缩短路径规划时间，为实际生产提供快速、可靠的路径生成方案。