电子束熔丝制造过程信息传感与实时闭环控制基础研究

Electron Beam Wire Feed Manufacturing (including Electron Beam Welding with filler wire and Electron Beam Freeform Fabrication) is a kind of advanced manufacturing technology that becomes a research hot spot in recent years. This project intends to carry out fundamental research on the control requirements of multi-objective functions including the stability of droplet transfer, the consistency of molten pool and deposition layer, the rationality of the relative movement between the electron beam and workpieces, etc. Innovative methods and implementation schemes are proposed for the reliable sensing of multi-feature visual information, real-time image processing, and closed-loop control under the metallic vapor environment in vacuum chamber, so as to ensure the quality and efficiency of the electron beam wire feed manufacturing processes. This research will provide new technical supports in manufacturing high-performance components in aerospace, energy, and other important equipment manufacturing fields.

电子束熔丝制造（包括电子束填丝焊接和电子束熔丝沉积制造）是一类正在发展中的先进成形制造技术。本项目拟针对电子束熔丝制造过程中熔滴过渡稳定性、熔池及沉积层几何参数一致性、束件相对运动合理性等多目标函数的控制需求开展基础性研究，提出真空室内金属蒸气环境下多特征视觉信息可靠传感和实时图像处理及闭环控制的创新方法和有效实现途径，保证电子束熔丝制造的成形质量和高效率，旨在为航空、航天、能源等重要装备制造领域高性能复杂构件成形制造提供新的技术支撑。

本项目为提升电子束熔丝制造的成形质量和效率，推动该技术在航空、航天和能源等领域的广泛应用，围绕研究目标和拟解决的科学问题，开展了电子束熔丝制造信息传感与实时闭环控制研究，完成了预定的全部四个方面研究工作：.1) 熔滴过渡信息实时传感和闭环控制.建立了不同熔滴过渡状态与机器视觉图像特征信息的映射关系，提出了基于液桥长度的熔滴过渡距离闭环控制方法和基于电子束前置束斑的熔滴过渡距离前馈控制方法。相关成果发表于国际期刊《Sensors》及国际会议，形成授权发明专利1件。.2) 熔池区域信息实时传感和闭环控制.建立了熔池特征尺寸视觉传感方法及熔池尺寸与电子束流的关系模型，开发了基于束流调节的熔池特征尺寸闭环控制方法，提出了基于背散射电子和吸收电子的非视觉信息传感方法。相关成果发表于国际期刊《International Journal of Machine Tools and Manufacture》及国际会议，形成授权发明专利1件。.3) 路径在线修正和实时跟踪控制.提出了基于电子束致发光的已沉积层三维形貌的在线检测方法及基于定向光影与结构光融合的已沉积层边界位置在线检测方法，实现了零件三维形貌和运动路径的在线检测及实时跟踪控制。相关成果发表于《机械工程学报》及《Sensors》，形成授权发明专利1件。.4) 多特征信息传感集成与多目标函数协调优化.探究了复杂工况条件对视觉传感可能造成的影响及应对机制，开发了多特征视觉信息的集成传感系统，通过多目标函数协调优化实现了电子束熔丝的可控原位合成。相关成果发表于国际期刊《Additive Manufacturing》、《Journal of Manufacturing Systems》、《Materials & Design》、《Materials Science and Engineering: A》及国际会议，形成授权发明专利1件。.本项目研究成果为提升电子束熔丝制造的技术水平提供了支撑，已经应用于我国航空工业大型复杂构件增材制造装备的研制，也为进一步开展高性能复杂构件增材制造的智能控制研究提供了基础。