一种大型曲面构件激光定向能量沉积成形偏差在线预测与补偿方法

本发明属于激光增材制造智能在线监测领域，尤其涉及一种大型曲面构件激光定向能量沉积成形偏差在线预测与补偿方法。

背景技术：

1、激光定向能量沉积技术利用激光束熔化同步输送的金属粉末，并通过逐层堆积方式制造金属构件，具有材料利用率高、成形自由度大和制造效率高等特点。随着航空航天、能源装备及船舶交通等领域对大型复杂金属构件整体制造需求的增加，激光定向能量沉积技术逐渐应用于具有大尺寸、变曲率和复杂空间姿态的曲面构件制造。现有制造过程通常依据三维模型进行分层切片，并按照预设扫描路径、喷嘴高度及激光功率、扫描速度、送粉量等工艺参数完成沉积成形。

2、但是，大型曲面构件不同区域的曲率、空间姿态及散热条件存在差异，沉积过程中还会受到热量累积、层间热状态变化、熔池波动及粉末汇聚状态变化等因素影响，容易产生沉积层高度不均、材料沉积不足或过量等成形偏差。现有技术主要依赖预先设定的扫描路径和固定工艺参数，难以根据实际成形状态对后续沉积过程进行及时调整；部分技术虽然能够通过熔池图像、温度场或沉积后轮廓检测获取过程信息，但多源状态数据、构件局部曲率、实际成形偏差与后续工艺控制之间缺少有效关联，且通常只能在成形完成后进行误差检测，难以实现成形偏差的在线预测、连续补偿及预测模型的动态更新。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种大型曲面构件激光定向能量沉积成形偏差在线预测与补偿方法，包括：

2、根据大型曲面构件三维模型的分层切片结果和原始规划信息，在各沉积层的扫描路径上设置多个评价位置，并采集各评价位置对应的多源状态特征数据；

3、根据当前沉积层的实际成形点云数据，获取各评价位置的实际成形信息，并基于所述实际成形信息计算当前沉积层各评价位置的成形偏差；

4、根据所述多源状态特征数据、所述成形偏差、下一沉积层的计划工艺参数以及下一沉积层各评价位置的局部曲率，利用成形偏差预测模型预测下一沉积层各评价位置的成形偏差；

5、根据所述成形偏差预测结果分别确定喷嘴高度补偿量和工艺参数补偿量，生成下一沉积层的工艺补偿方案；

6、根据所述工艺补偿方案控制机器人、激光器和送粉器执行下一沉积层的激光定向能量沉积，并获取补偿后的实际成形结果；

7、根据所述补偿后的实际成形结果评价工艺补偿方案，保存对应的制造样本，并根据有效制造样本更新所述成形偏差预测模型。

8、可选地，所述原始规划信息包括各沉积层的扫描路径、预设喷嘴高度、局部曲率和计划工艺参数；

9、所述计划工艺参数包括激光功率、扫描速度和送粉量；

10、所述评价位置根据对应沉积层的扫描路径长度、局部曲率变化和预设采样间隔确定，且局部曲率变化越大的区域设置的评价位置间隔越小。

11、可选地，所述多源状态特征数据包括熔池图像特征和温度场特征；

12、对采集的熔池图像数据和温度场数据进行时间同步、异常值剔除、噪声滤除和特征提取，得到熔池长度、熔池宽度、峰值温度和平均温度，并根据采集时刻、扫描路径位置和扫描顺序将所述多源状态特征数据关联至对应的评价位置。

13、可选地，在当前沉积层完成后设置层间停留时间，并利用三维激光扫描设备获取当前沉积层的点云数据；

14、对所述点云数据进行离群点剔除、噪声滤除和坐标转换，并将处理后的点云数据与当前沉积层的理论轮廓进行配准。

15、可选地，在各评价位置建立经过对应评价位置且垂直于扫描路径切向方向的局部评价截面，在所述局部评价截面内获取实际成形高度和实际截面面积，并根据实际成形高度与理论成形高度之间的差异得到成形高度偏差，根据实际截面面积与理论截面面积之间的差异得到截面面积偏差。

16、可选地，所述成形偏差预测模型利用历史制造样本预先训练得到；

17、将当前沉积层的多源状态特征数据和成形偏差、下一沉积层的计划工艺参数以及下一沉积层各评价位置的局部曲率输入所述成形偏差预测模型，输出下一沉积层各评价位置的成形高度偏差预测值和截面面积偏差预测值。

18、可选地，根据所述成形高度偏差预测值确定各评价位置的喷嘴高度补偿量，并将所述喷嘴高度补偿量与对应评价位置的预设喷嘴高度相结合，得到补偿后的喷嘴高度；

19、根据所述截面面积偏差预测值，通过预先由沉积标定试验确定的截面面积偏差与工艺参数补偿量之间的映射关系，确定激光功率、扫描速度和送粉量中的一种或多种工艺参数的补偿量。

20、可选地，对各评价位置的补偿后喷嘴高度和补偿后工艺参数沿扫描路径进行平滑处理，使补偿后喷嘴高度满足喷嘴工作距离、机器人运动可达性、相邻轨迹连续性和设备安全距离要求，并使补偿后的激光功率、扫描速度和送粉量处于稳定沉积工艺窗口及设备允许范围内；

21、将平滑处理后的工艺补偿方案分别更新至机器人控制系统、激光器和送粉器。

22、另一方面，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并且可在所述处理器上运行的计算程序，所述处理器执行所述计算程序时实现所述方法。

23、另一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述方法。

24、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

25、本发明通过在各沉积层扫描路径上设置评价位置，将大型曲面构件的局部曲率、熔池图像特征、温度场特征和点云检测结果关联至对应评价位置，实现过程状态、几何特征与成形偏差的统一表征；根据当前沉积层的实际成形偏差预测下一沉积层的高度偏差和截面面积偏差，并分别调整喷嘴高度及激光功率、扫描速度、送粉量等工艺参数；通过对补偿结果进行平滑处理和约束检查，使补偿方案满足设备运行及稳定沉积要求；同时利用有效制造样本更新预测模型，实现大型曲面构件成形过程的在线预测、连续补偿和自适应调整。

1.一种大型曲面构件激光定向能量沉积成形偏差在线预测与补偿方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述原始规划信息包括各沉积层的扫描路径、预设喷嘴高度、局部曲率和计划工艺参数；

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多源状态特征数据包括熔池图像特征和温度场特征；

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在当前沉积层完成后设置层间停留时间，并利用三维激光扫描设备获取当前沉积层的点云数据；

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在各评价位置建立经过对应评价位置且垂直于扫描路径切向方向的局部评价截面，在所述局部评价截面内获取实际成形高度和实际截面面积，并根据实际成形高度与理论成形高度之间的差异得到成形高度偏差，根据实际截面面积与理论截面面积之间的差异得到截面面积偏差。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成形偏差预测模型利用历史制造样本预先训练得到；

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述成形高度偏差预测值确定各评价位置的喷嘴高度补偿量，并将所述喷嘴高度补偿量与对应评价位置的预设喷嘴高度相结合，得到补偿后的喷嘴高度；

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对各评价位置的补偿后喷嘴高度和补偿后工艺参数沿扫描路径进行平滑处理，使补偿后喷嘴高度满足喷嘴工作距离、机器人运动可达性、相邻轨迹连续性和设备安全距离要求，并使补偿后的激光功率、扫描速度和送粉量处于稳定沉积工艺窗口及设备允许范围内；

9.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并且可在所述处理器上运行的计算程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算程序时实现所述权利要求1-8任意一项所述方法。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现所述权利要求1-8任意一项所述方法。