電弧熔絲增材制造過程傳感與控制研究進(jìn)展及展望*

熊 俊，程 財(cái)

（西南交通大學(xué)材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031）

隨著現(xiàn)代化高端裝備對大型復(fù)雜金屬構(gòu)件的制造性能、精度、成本和周期的要求日益提高，其面臨的挑戰(zhàn)也日益嚴(yán)峻。金屬增材制造技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)原理的一次變革性突破，提供了一條綠色、高效、低成本的最佳新技術(shù)途徑應(yīng)對這一技術(shù)挑戰(zhàn)[1]。近年來，世界科技強(qiáng)國紛紛啟動(dòng)相關(guān)戰(zhàn)略計(jì)劃，支持增材制造新一代革命性技術(shù)研發(fā)，我國于2015年頒布了《中國制造2025》十大重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖，其中“高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人”戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)明確提出要重點(diǎn)發(fā)展增材制造工藝與裝備。

電弧熔絲增材制造（Wire and arc additive manufacturing，WAAM）作為金屬增材制造技術(shù)的一個(gè)重要分支，以熔化極電?。℅as metal arc，GMA）、鎢極氬弧（Gas tungsten arc，GTA）或等離子?。≒lasma arc，PA）為熱源，逐層熔化金屬絲材成形中大尺寸金屬構(gòu)件。近年來該技術(shù)受到學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注，研究成果逐年增多（圖1）。WAAM技術(shù)可以追溯到1925年采用焊絲堆積制造小型裝飾品[2]，直到20世紀(jì)70年代才將其作為一種制造概念應(yīng)用于成形大型壓力容器[3]。與激光、電子束增材制造相比，WAAM成形效率高、材料利用率高、污染少、設(shè)備成本低[4–6]，特別適合大型復(fù)雜高端裝備結(jié)構(gòu)件的制造，因而在航空航天、船舶與國防軍工領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[7–9]。

圖1 WAAM研究成果隨年份變化柱狀圖Fig.1 Histogram of WAAM research results over the years

“高可靠、高自動(dòng)化、高質(zhì)量制造”是長期制約金屬構(gòu)件WAAM技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸難題，更是決定該技術(shù)能否走向工程應(yīng)用推廣的關(guān)鍵。當(dāng)前，研究學(xué)者主要從工藝調(diào)控[10–11]、離線建模[12–13]、熱積累控制[14–18]、增減材復(fù)合制造[19–21]等角度提高成形質(zhì)量，遺憾的是，上述策略均基于無反饋的離線、開環(huán)制造模式。事實(shí)上，過程在線監(jiān)測與反饋控制是解決上述難題的一種卓有成效的方法。在工業(yè)制造領(lǐng)域，在線監(jiān)測完整制造過程，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)工藝參量，對保證產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。在線監(jiān)測可提供反映成形質(zhì)量的瞬態(tài)特征或信號，反饋控制可實(shí)現(xiàn)對全過程的穩(wěn)態(tài)調(diào)控，二者旨在獲取高精度、高可靠與高質(zhì)量的產(chǎn)品。目前，應(yīng)用于電弧熱源的傳感方法主要分為5種，即光譜、聲音、視覺、溫度與電傳感，每種傳感方法均可反映過程獨(dú)特的信號特征?？刂扑惴ㄌ幚韨鞲邢到y(tǒng)提取的信號，再由控制器輸出指令調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，保證成形的一致性與連續(xù)性。

近年來，國內(nèi)外陸續(xù)開展了諸多WAAM過程傳感與控制的研究，然而這些成果主要側(cè)重于單一或離散的監(jiān)測目標(biāo)與控制措施，研究工作較為分散，亟待將其整合深化，并為后續(xù)研究提供借鑒與指導(dǎo)。因此，文中主要闡述了WAAM過程傳感與控制的現(xiàn)狀，介紹了過程傳感的基本原理、方法與控制策略，總結(jié)了WAAM過程傳感與控制存在的主要問題，并對未來的研究方向進(jìn)行了展望。

1 主要難題

WAAM是單熱源反復(fù)作用的復(fù)雜過程，過程熱輸入大、熱積累嚴(yán)重、擾動(dòng)因素眾多，導(dǎo)致成形精度（寬度、高度、表面粗糙度與變形）低、缺陷（氣孔、裂紋與應(yīng)力）控制難[22]。因此，成形精度與成形缺陷的控制是WAAM面臨的最突出的挑戰(zhàn)。

1.1 精度

精度是實(shí)際成形構(gòu)件與三維模型間的尺寸誤差，是判斷成形質(zhì)量最直觀的參量。成形精度可由成形尺寸和表面粗糙度進(jìn)行表征。

WAAM成形尺寸包括成形高度、成形寬度、翹曲變形等。成形高度，即成形層上表面到基板表面的距離；成形寬度，即成形層寬度；翹曲變形主要是由應(yīng)力導(dǎo)致的基板或成形件的變形。影響WAAM成形尺寸的因素眾多，如工藝參數(shù)波動(dòng)、熔滴過渡模式、熱積累狀況、成形路徑、基板尺寸、絲材的直徑等。

WAAM構(gòu)件的表面粗糙度主要體現(xiàn)在側(cè)面和上表面[23–24]。工藝參數(shù)和層間溫度是影響成形件側(cè)面粗糙度的主要因素。工藝參數(shù)的變化決定了成形臺階效應(yīng)，成形層層高一般在0.5 ～ 2 mm內(nèi)變化，因此其側(cè)面成形質(zhì)量較低，表面粗糙度遠(yuǎn)高于激光選區(qū)熔化成形件。成形件上表面的粗糙度主要與多道搭接間距相關(guān)，搭接間距過小或過大都會(huì)增加表面粗糙度。因此，合適的多道搭接間距是影響成形件頂部表面質(zhì)量的關(guān)鍵。

1.2 缺陷

缺陷是制約WAAM成形質(zhì)量的關(guān)鍵[25]，對成形件服役性能有至關(guān)重要的影響。WAAM成形缺陷主要表現(xiàn)為氣孔、裂紋和應(yīng)力等。

氣孔主要存在于輕金屬WAAM中，對成形質(zhì)量影響極大，甚至危害到成形件的綜合力學(xué)性能和服役壽命。根據(jù)氣孔形狀可將其分為球狀氣孔和不規(guī)則狀氣孔；根據(jù)形成機(jī)理可分為原材料誘導(dǎo)氣孔和工藝誘導(dǎo)氣孔[26–27]。在焊絲和基板等物體的表面存在難以完全清除的水漬、油污等含氫化合物，這些含氫雜質(zhì)進(jìn)入熔池后，由于氫在液態(tài)和固態(tài)金屬間的溶解度差異極大，液態(tài)金屬冷卻時(shí)，氫析出并由小聚大，凝固前難以及時(shí)逃逸的氣體便形成原材料誘導(dǎo)氣孔[28]。而非穩(wěn)定的工藝參數(shù)和劇烈波動(dòng)的溫度會(huì)導(dǎo)致熔合不良或飛濺，致使空洞產(chǎn)生，形成工藝誘導(dǎo)氣孔[26]。在應(yīng)力和其他脆性因素的共同作用下，材料的原子鍵被破壞并形成新界面時(shí)產(chǎn)生的間隙稱為裂紋，成形件制造與服役過程中，可能會(huì)導(dǎo)致熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋、層狀撕裂和應(yīng)力腐蝕開裂[28–29]。

WAAM成形過程將大量熱能作用到工件內(nèi)，其熱循環(huán)條件極其復(fù)雜。絲材快速加熱、熔池冷卻和前一層的重熔是WAAM熱循環(huán)的3個(gè)主要特征[30]，這將導(dǎo)致工件內(nèi)形成復(fù)雜的溫度梯度和熱歷史[16]，并產(chǎn)生不均勻的殘余應(yīng)力分布[31]，強(qiáng)烈的內(nèi)應(yīng)力可能會(huì)引起工件變形[32]。因此，減輕甚至消除WAAM殘余應(yīng)力的影響至關(guān)重要。熱輸入[33]、層間停留時(shí)間[33]、熔滴過渡模式[34]、溫度梯度[35]等都是影響殘余應(yīng)力產(chǎn)生與分布的重要因素。

2 傳感方法

過程傳感與控制是解決上述難題的一種卓有成效的方法，傳感系統(tǒng)可以在線提取反映過程物理本質(zhì)的獨(dú)特的特征信號，是過程實(shí)時(shí)控制的基礎(chǔ)。不同傳感方法可對WAAM過程的不同目標(biāo)參量進(jìn)行在線監(jiān)測。WAAM過程傳感方法包括光譜傳感、聲傳感、視覺傳感、溫度傳感、電傳感。本章將介紹這些傳感原理及研究現(xiàn)狀。

2.1 光譜傳感

不同材料在內(nèi)部激發(fā)態(tài)原子返回基態(tài)后可以發(fā)射出具有獨(dú)特波長的光譜。光譜傳感可以利用該特性在線監(jiān)測元素成分[36]。光譜儀因其探測范圍廣、抗電磁干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在WAAM領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[37]。光譜傳感的系統(tǒng)框架及監(jiān)測過程如圖2所示[36–39]。從電弧光譜圖可以看出，曲線的每個(gè)峰值表示一種元素，而其峰高可反映相應(yīng)元素的含量[38]。

圖2 光譜傳感系統(tǒng)及監(jiān)測[36–39]Fig.2 Spectral sensing system and monitoring[36–39]

西班牙坎塔布里亞大學(xué)Mirapeix等[38]在弧焊過程中設(shè)計(jì)了數(shù)次電流波動(dòng)，在線分析了氬元素和鐵元素的電子溫度，均發(fā)現(xiàn)了明顯的光譜階梯，而這些階梯恰好對應(yīng)人為引入的缺陷，證明了光譜傳感可以有效監(jiān)測弧焊過程產(chǎn)生的缺陷。武漢大學(xué)Zhang等[36]研究了光譜信號與孔隙度的關(guān)系，探索了光譜儀監(jiān)測尺寸變化的可行性，結(jié)果表明，光譜和電子強(qiáng)度對冷金屬過渡（Cold metal transfer，CMT）增材成形寬度的變化較為敏感，從而驗(yàn)證了光發(fā)射光譜監(jiān)測尺寸變化的可行性。瑞典呂勒奧理工大學(xué)Hauser等[39]指出，當(dāng)大氣與保護(hù)氣高度混合并與熔池相互作用時(shí)，會(huì)在成形件內(nèi)產(chǎn)生不均勻的氧化物缺陷，通過減小氣流量、增大行走速度、調(diào)整CMT電流模式等措施，人為引入了氧化物缺陷，從而在多個(gè)波長范圍內(nèi)均觀察到明顯的光發(fā)射光譜波峰。

光譜傳感因其非接觸的優(yōu)點(diǎn)，已成為在線監(jiān)測WAAM氣孔、氧化物等成形缺陷的主要手段。但這種方法也存在一定的局限性，如傳感過程整體掃描時(shí)間較長，時(shí)間與空間分辨率較差，同時(shí)該方法受限于等離子體物理的理解和等離子體熱力學(xué)計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

2.2 聲傳感

聲波可在固體內(nèi)傳播，內(nèi)部的不可見信息將以聲波的形式沿介質(zhì)向外傳播。倘若在成形過程中突然產(chǎn)生缺陷，就會(huì)出現(xiàn)噪聲，該噪聲將在波形圖中表現(xiàn)為突兀且不相干的波峰，因此聲傳感可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測零件內(nèi)部的缺陷。圖3[40–41]為聲傳感監(jiān)測系統(tǒng)，其監(jiān)測過程是無損的、準(zhǔn)確的、動(dòng)態(tài)的、非接觸的。最常用的聲傳感為壓電式傳感與光纖布拉格光柵傳感。瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究所Shevchik等[40]研究了光纖布拉格光柵傳感方法監(jiān)測隱藏氣孔的能力，定義了3種類型的質(zhì)量等級，建立了兩類人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將零件質(zhì)量進(jìn)行分類，驗(yàn)證了聲傳感實(shí)時(shí)監(jiān)測激光選區(qū)熔化成形件質(zhì)量的可行性。

圖3 聲傳感系統(tǒng)及監(jiān)測[40–41]Fig.3 Acoustic sensing system and monitoring[40–41]

研究發(fā)現(xiàn)，聲波頻率隨噴嘴高度或弧長的變化而變化，這一特性使聲傳感用于在線監(jiān)測噴嘴高度或弧長成為可能。法國南特中央理工學(xué)院Chabot等[41]研究了CMT噴嘴高度與聲波頻率之間的相關(guān)性，建立了描述這種關(guān)系的控制模型，可將噴嘴高度成功控制在0.5 mm偏差范圍內(nèi)。然而，機(jī)器和周圍環(huán)境發(fā)出的強(qiáng)烈背景噪聲致使難以識別和區(qū)分混雜的聲音信號[40]，從而限制了聲傳感的廣泛應(yīng)用。因此，開發(fā)一款用于濾除環(huán)境噪聲并自動(dòng)處理波形的軟件已迫在眉睫。

雖然聲傳感方法在監(jiān)測WAAM氣孔、裂紋、成形高度方面有著顯著的優(yōu)勢，但在實(shí)際制造過程中，由于無法避免機(jī)器或人為干擾產(chǎn)生的噪聲，導(dǎo)致聲信號的精確采集相對困難，而且聲信號表現(xiàn)出高度的復(fù)雜性與非線性，難以準(zhǔn)確地將聲信號變化與WAAM過程待監(jiān)測參量的動(dòng)態(tài)變化相聯(lián)系。因此，基于聲信號的在線監(jiān)測與控制技術(shù)有待深入研究。

2.3 視覺傳感

視覺傳感是監(jiān)測WAAM成形幾何形貌最直接的方法，其核心元器件為電荷耦合器件CCD或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS。因具有信息直觀、設(shè)備廉價(jià)、抗干擾性出色和信息量豐富等優(yōu)點(diǎn)，視覺傳感受到廣泛關(guān)注[42]。根據(jù)是否施加輔助光源，可將其分為主動(dòng)與被動(dòng)視覺傳感。被動(dòng)視覺傳感直接捕獲電弧和高溫熔池輻射的強(qiáng)烈光信號，并通過減光和濾光系統(tǒng)進(jìn)行過濾[43]，而主動(dòng)視覺傳感需要引入外部光源（激光）投射到成形件上并提取調(diào)制的光源信號[44]。通常，被動(dòng)視覺傳感設(shè)備成本低，能直接監(jiān)測熔池與電弧，且監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)滯小[43]；而主動(dòng)視覺傳感則具有獲取成形表面三維形貌的能力[24]。圖4[44–46]描述了WAAM視覺傳感系統(tǒng)框架。視覺傳感系統(tǒng)中，高速攝像機(jī)捕獲幀率可達(dá)50000幀/s，因而在監(jiān)測WAAM過程瞬態(tài)變化方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。目前，基于CCD的熔池形狀觀測[43]、基于高速攝像機(jī)的熔滴過渡行為[47]與電弧形態(tài)觀測、基于激光掃描的表面形貌（表面粗糙度、表面形貌、翹曲變形等）點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取[44]是視覺傳感在WAAM領(lǐng)域最常見的應(yīng)用，對監(jiān)測WAAM成形質(zhì)量具有重要意義。

圖4 視覺傳感系統(tǒng)框架及監(jiān)測[44–46]Fig.4 Visual sensing system framework and monitoring[44–46]

在熔池形貌監(jiān)測方面，澳大利亞臥龍崗大學(xué)Xia等[45]將被動(dòng)視覺傳感系統(tǒng)安裝在GMA焊槍后方監(jiān)測成形層寬度，開發(fā)了模型預(yù)測控制算法，實(shí)現(xiàn)了成形寬度的控制。近年來，西南交通大學(xué)Xiong等[48–50]在WAAM過程視覺傳感與控制方面開展了一系列有益探索，在GTA過程傳感與控制方面，設(shè)計(jì)了被動(dòng)視覺系統(tǒng)監(jiān)測成形高度，采用PID控制器實(shí)現(xiàn)了成形過程的高穩(wěn)態(tài)控制；在GMA過程監(jiān)測與控制方面，開發(fā)了虛擬立體視覺傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了GMA增材制造成形形貌的三維恢復(fù)，設(shè)計(jì)了雙被動(dòng)視覺系統(tǒng)監(jiān)測熔池尾部尺寸，有效減小了檢測系統(tǒng)的滯后，開發(fā)了單神經(jīng)元自學(xué)習(xí)控制器與自適應(yīng)控制器，實(shí)現(xiàn)了熔池尺寸的有效控制，并提高了成形過程穩(wěn)定性（圖5）。然而，提取清晰的圖像并進(jìn)行有效的機(jī)器處理仍是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，迫切需要開發(fā)一款綜合性計(jì)算機(jī)程序，自動(dòng)處理原始圖像，從而精確提取特征參量。

圖5 西南交通大學(xué)被動(dòng)視覺傳感研究成果[48–50]Fig.5 Research results of passive vision sensing in Southwest Jiaotong University[48–50]

在熔滴過渡監(jiān)測方面，日本金澤大學(xué)Yamaguchi等[47]利用高速攝像機(jī)監(jiān)測GMA增材制造過程的熔滴過渡，研究了保護(hù)氣和過渡模式對表面質(zhì)量與尺寸精度的影響，為高質(zhì)量零件制造提供了最佳氣流量與熔滴過渡模式。

在成形件表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取方面，華中科技大學(xué)Huang等[44]采用原位三維激光輪廓儀監(jiān)測了CMT增材制造表面缺陷，開發(fā)了局部識別方法，將原始的三維點(diǎn)云映射為二維輪廓像素圖片，通過識別像素的差異將缺陷區(qū)分為不同類別，實(shí)現(xiàn)了不同尺寸的表面缺陷分類。華中科技大學(xué)Tang等[46]利用主動(dòng)視覺系統(tǒng)監(jiān)測WAAM成形件的表面輪廓，分析獲得的輪廓數(shù)據(jù)，傳遞自動(dòng)修復(fù)信息，提出送絲填補(bǔ)凹陷和軋制去除凸起的方法，顯著提升了表面質(zhì)量，突破了表面質(zhì)量優(yōu)化的瓶頸，深掘了主動(dòng)視覺傳感系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控表面質(zhì)量的潛力。

2.4 溫度傳感

WAAM過程中復(fù)雜的熱循環(huán)是影響成形件性能的關(guān)鍵因素[51]。WAAM過程熱輸入大、熔池溫度高、熱積累嚴(yán)重，與周圍環(huán)境形成了明顯的溫度梯度，當(dāng)物體溫度大于0時(shí)，成形層將向外發(fā)出紅外輻射。根據(jù)該特性，可利用溫度傳感系統(tǒng)監(jiān)測WAAM過程熱行為。常用的溫度傳感系統(tǒng)主要有紅外熱像儀、熱電偶等[51]，熱電偶一般用于測量基板或已凝固成形層的溫度，熱像儀的傳感對象與測溫范圍相對較廣，可監(jiān)測熔池溫度與尺寸，然而其設(shè)備成本相對較高。圖6所示[51–52]為紅外熱像儀系統(tǒng)框架及監(jiān)測示意圖。

圖6 紅外熱像儀系統(tǒng)框架及監(jiān)測[51–52]Fig.6 Infrared camera system framework and monitoring[51–52]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)Yang等[51]采用紅外熱像儀監(jiān)測了成形過程的溫度場分布，利用熱電偶測量薄壁件側(cè)表面溫度，探索了GMA增材制造的熱循環(huán)，分析了溫度梯度與冷卻時(shí)間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)控制層間冷卻時(shí)間可改善成形質(zhì)量，而且避免了冷卻時(shí)間過長導(dǎo)致的成形效率下降嚴(yán)重。天津大學(xué)Chen等[52]集成了有限元分析和熱機(jī)械冶金模型預(yù)測WAAM熱行為，利用熱像儀、膨脹計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測成形過程熱特性，驗(yàn)證了模型的有效性，揭示了壓縮殘余應(yīng)力的形成原理，找到了應(yīng)力誘發(fā)的關(guān)鍵參數(shù)，為控制殘余應(yīng)力奠定了基礎(chǔ)。

2.5 電傳感

電傳感系統(tǒng)可監(jiān)測WAAM過程電流、電壓、電阻等信號，并提取一維電參數(shù)數(shù)據(jù)，如圖7所示[53–55]。電傳感易實(shí)現(xiàn)低時(shí)滯信號提取，可增加監(jiān)測結(jié)果可靠度[53]。與視覺傳感相比，一維數(shù)據(jù)比二維圖像的處理更簡單，因而資源浪費(fèi)小、加工效率高[53]。

圖7 電傳感系統(tǒng)框架及監(jiān)測[53–55]Fig.7 Electrical sensing system framework and monitoring[53–55]

熔滴過渡模式對WAAM成形質(zhì)量影響較大，而通過電信號識別熔滴過渡模式是一種行之有效的方法[56]。重慶理工大學(xué)Zhu等[56]開發(fā)了基于電傳感和聲傳感的GMA增材制造系統(tǒng)，監(jiān)測了不同熔滴過渡模式下的熔滴過渡行為，驗(yàn)證了電信號識別熔滴過渡模式的可行性，認(rèn)為影響熔滴過渡最關(guān)鍵的因素是電弧電壓與電流的乘積，為后續(xù)建立熔滴過渡頻率與電弧功率的數(shù)學(xué)模型奠定了基礎(chǔ)。

電參數(shù)可表征WAAM弧長與成形高度，從而為后續(xù)反饋控制奠定基礎(chǔ)，然而過濾原始信號并建立目標(biāo)參量與電參數(shù)間的精確數(shù)學(xué)模型仍較為困難。北京理工大學(xué)Wang等[53]開發(fā)了基于電傳感的在線表面高度測量模型，表征了電流、電壓等輸入?yún)?shù)與GTA增材制造弧長、層高等特征量的關(guān)系，滿足了復(fù)雜件制造多向信號快速處理的需求，成形高度可控制在±1.5 mm內(nèi)。西南交通大學(xué)Zhu等[54]開發(fā)了基于弧壓傳感的機(jī)器人GTA閉環(huán)增材制造系統(tǒng)，采用弧壓信號間接表征了成形高度的穩(wěn)定性，開發(fā)了小波包變換與抗脈沖干擾移動(dòng)平均結(jié)合的降噪方法，探索了基于弧壓傳感與控制保證穩(wěn)態(tài)成形高度的可行性，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定弧壓下高尺寸精度薄壁件的制造，同時(shí)為后續(xù)復(fù)雜件制造過程的穩(wěn)態(tài)控制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

電阻也是電弧的關(guān)鍵電參數(shù)，雖不能由電傳感系統(tǒng)直接測量，但可由WAAM電流和電壓值來計(jì)算。德國漢諾威大學(xué)H?lscher等[55]發(fā)現(xiàn)GMA槍高度與短路電阻間存在相關(guān)性，證明了電阻傳感可有效監(jiān)測GMA短路過渡時(shí)的成形高度，高度控制精度可提高到±1.2 mm，并分析了誤差產(chǎn)生的原因。

使用電傳感方法時(shí)無需將任何硬件安裝到焊槍上，主要監(jiān)測電弧正下方的信息，監(jiān)測過程具有時(shí)間分辨率高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，常用于監(jiān)測WAAM電弧穩(wěn)定性、熔滴過渡模式、成形高度變化。但在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，電參數(shù)易波動(dòng)，且受到現(xiàn)場設(shè)備電信號的干擾，導(dǎo)致采集的電信號品質(zhì)下降，增大了信號分析的難度，使其應(yīng)用范圍受到一定限制。

2.6 復(fù)合傳感

WAAM是極為復(fù)雜的多因素耦合過程，單一傳感器難以提取全面綜合的信息，無法實(shí)現(xiàn)更可靠與更智能化的控制。為滿足多目標(biāo)參量傳感的需求，可集成不同傳感器協(xié)同監(jiān)測WAAM過程。將多種傳感方式尤其是電傳感、聲傳感與視覺傳感集成應(yīng)用于WAAM過程多目標(biāo)監(jiān)測已成為重要的研究方向。

美國密歇根大學(xué)Song等[42]集成了3個(gè)用于監(jiān)測成形高度的高速CCD攝像機(jī)和1個(gè)用于監(jiān)測熔池溫度的雙色高溫計(jì)，組成多參數(shù)復(fù)合傳感，利用該復(fù)合傳感開發(fā)了混合控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了激光送粉增材制造的穩(wěn)定成形，制造了復(fù)雜高精度3D渦輪葉片，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)性能。華中科技大學(xué)Ma等[22]集成了超聲監(jiān)測和光譜傳感，采用脈沖激光束照射成形樣品的表面，激發(fā)PA成形件內(nèi)部信息以超聲波和特征譜形式向外擴(kuò)散，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)構(gòu)缺陷、元素成分和殘余應(yīng)力分布，監(jiān)測結(jié)果與傳統(tǒng)離線監(jiān)測方法具有較高的一致性，驗(yàn)證了該復(fù)合傳感系統(tǒng)的性能。

WAAM多傳感復(fù)合系統(tǒng)中，倘若不同傳感器均可實(shí)現(xiàn)過程監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐交?，且各傳感系統(tǒng)時(shí)滯接近，復(fù)合傳感就能彌補(bǔ)單一傳感器信息種類有限、信息量不足的缺陷。穩(wěn)定性高、同步性好、感知信息種類豐富與信息量充足的復(fù)合傳感系統(tǒng)有望為提升WAAM過程自動(dòng)化、智能化程度奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前，WAAM多傳感集成發(fā)展空間仍然巨大，相關(guān)研究亟須進(jìn)一步深入。

3 控制方法

WAAM過程熱輸入大、散熱條件惡化、熱積累嚴(yán)重，導(dǎo)致實(shí)際與理想成形過程出現(xiàn)偏差，過程可靠性與一致性難以保證[57]，故而亟須對整個(gè)成形過程開展實(shí)時(shí)控制。目前，大量研究工作主要采用閉環(huán)控制方法穩(wěn)定成形過程、補(bǔ)償誤差及減少缺陷[58]，且大多集中在成形幾何精度與熱控制方面。

3.1 經(jīng)典與現(xiàn)代控制方法

相較于簡單開/關(guān)控制器，引入比例、積分和微分（Proportion integral derivative，PID）3個(gè)算子處理輸入信號能使特征量變化更平滑，系統(tǒng)穩(wěn)定性更高。3個(gè)算子根據(jù)應(yīng)用場景差異，可自由組合為PI、PD或PID，并分別對應(yīng)不同的傳遞函數(shù)和參數(shù)。

西南交通大學(xué)Xiong等[57，59]設(shè)計(jì)了基于視覺傳感的PID控制器，根據(jù)鎢極尖端到成形層距離的變化調(diào)控送絲速度，補(bǔ)償成形高度誤差，從而維持GTA增材制造的穩(wěn)定，高度控制精度可優(yōu)于0.4 mm。美國密歇根大學(xué)Song等[42，60]采用帶約束的廣義預(yù)測控制器代替PID控制器，基于溫度傳感在線調(diào)節(jié)激光功率控制熔池溫度，并與基于規(guī)則的控制器配合，減少尺寸精度誤差，該控制器同時(shí)具備反饋和前饋的特點(diǎn)，性能明顯優(yōu)于單一PID控制器。北京理工大學(xué)Wang等[61]開發(fā)了GTA電壓、電流與弧長的關(guān)系模型，電傳感系統(tǒng)預(yù)先采集電弧電壓及電流數(shù)據(jù)，確定了模型的傳遞函數(shù)，提出調(diào)控送絲速度控制弧長的策略，對比了P、PI、PD、PID 4種控制器的性能，結(jié)果表明，PI控制器的控制效果最佳，可有效提高GTA增材制造過程穩(wěn)定性。

常規(guī)PID器的參數(shù)是固定不變的，難以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。而自適應(yīng)控制器能夠根據(jù)被控對象輸入輸出數(shù)據(jù)在線辨識對象模型和參數(shù)，根據(jù)參數(shù)估計(jì)值改變控制器參數(shù)，適應(yīng)被控對象的不確定性，使被控系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。西南交通大學(xué)Xiong等[43]開發(fā)了基于視覺傳感的自適應(yīng)控制器，辨識了行走速度與噴嘴高度的非線性Hammerstein模型，自適應(yīng)控制器的參數(shù)能夠在線優(yōu)化，通過調(diào)控行走速度控制焊槍噴嘴到成形層表面的距離，從而實(shí)時(shí)控制了GMA增材制造成形層高度，高度控制誤差優(yōu)于0.5 mm。

經(jīng)典與現(xiàn)代控制方法主要適合于可精確建立數(shù)學(xué)模型的被控對象，但在處理多輸入、多輸出、非線性的對象時(shí)，通常難以實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定的調(diào)控[62]。

3.2 智能控制方法

智能控制算法能為多參數(shù)、非線性、強(qiáng)耦合、不確定的WAAM過程控制提供滿意的解決方案，無須建立復(fù)雜的、精確的WAAM過程數(shù)學(xué)模型，因此智能控制算法在WAAM領(lǐng)域的應(yīng)用是今后的主要發(fā)展方向。常用的智能控制算法有模糊邏輯控制[62–63]、迭代學(xué)習(xí)控制[64–65]和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[50]。

在模糊控制方面，西南交通大學(xué)Xiong等[63]設(shè)計(jì)了基于被動(dòng)視覺傳感的模糊控制器，通過一系列干擾試驗(yàn)，驗(yàn)證了控制器的魯棒性，制造了兩個(gè)20層的變層寬件，將GMA增材制造寬度誤差控制在0.5 mm以內(nèi)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)Li等[62]基于主動(dòng)視覺傳感將模糊邏輯控制器應(yīng)用到層間閉環(huán)控制系統(tǒng)中，旨在提高方形鋼結(jié)構(gòu)WAAM的尺寸精度，借助優(yōu)化后的層重疊模型，減小了成形寬度波動(dòng)，最大高度誤差控制在±0.2 mm。

在迭代學(xué)習(xí)控制方面，瑞典西部大學(xué)Heralic等[64]設(shè)計(jì)了基于主動(dòng)視覺傳感的自動(dòng)高度補(bǔ)償器，在迭代學(xué)習(xí)控制器的作用下調(diào)控送絲速度，驗(yàn)證了控制器性能，實(shí)現(xiàn)了過程穩(wěn)定、層高精確、表面光滑的成形。澳大利亞臥龍崗大學(xué)Xia等[65]設(shè)計(jì)了基于被動(dòng)視覺傳感的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)迭代學(xué)習(xí)控制器，通過自適應(yīng)非線性神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)模擬成形動(dòng)態(tài)行為，驗(yàn)證了控制器優(yōu)越的跟蹤和抗干擾性能，實(shí)現(xiàn)了GMA增材制造熔池寬度的均勻控制。

在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方面，西南交通大學(xué)Xiong[50]以GMA增材制造熔池寬度為被控變量，以行走速度為控制變量，設(shè)計(jì)了單神經(jīng)元自學(xué)習(xí)控制器，基于仿真和干擾試驗(yàn)驗(yàn)證了控制器性能，結(jié)果表明，參數(shù)自學(xué)習(xí)的單神經(jīng)元控制器在成形寬度均勻性和變寬度控制中均可以獲得良好的控制效果。

4 結(jié)論

（1）成形高度、成形寬度、表面粗糙度、氣孔、裂紋、變形等是表征成形質(zhì)量的特征參量，金屬構(gòu)件WAAM成形質(zhì)量直接決定了該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用。文中探討了上述特征參量的影響因素，闡述了成形精度與缺陷控制方法，重點(diǎn)介紹了實(shí)時(shí)監(jiān)測及控制方法，根據(jù)傳感信號的不同，闡述了WAAM傳感方法的原理與研究現(xiàn)狀，根據(jù)是否需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，總結(jié)了傳統(tǒng)及智能控制方法研究現(xiàn)狀。

（2）WAAM過程的復(fù)雜性、不確定性決定了其過程監(jiān)控需要以高靈敏度、高精度的傳感系統(tǒng)為媒介，同時(shí)配合高精準(zhǔn)的控制器，方可實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定、高質(zhì)量的過程閉環(huán)控制。因此，需要大力發(fā)展傳感技術(shù)，使傳感系統(tǒng)擁有更高的時(shí)空分辨率與靈敏度，同時(shí)需要不斷優(yōu)化控制算法，提高控制系統(tǒng)的魯棒性與控制精度，從而實(shí)現(xiàn)WAAM過程的高可靠、高質(zhì)量控制。

（3）成形缺陷對WAAM成形質(zhì)量的影響至關(guān)重要，目前仍然以離線監(jiān)測為主，需要大力發(fā)展成形缺陷在線監(jiān)測與控制技術(shù)，積極探索成形缺陷形成機(jī)制、成形缺陷演化與傳感系統(tǒng)特征信號的關(guān)系，使WAAM過程缺陷控制從“定性”逐步邁向“定量”，從“離線”逐步實(shí)現(xiàn)“在線”。

（4）WAAM過程具有多參數(shù)、非線性、強(qiáng)耦合、不確定的特性，單一傳感系統(tǒng)感知信息受限，亟待深入開展多傳感信息融合的WAAM成形質(zhì)量智能控制，從而實(shí)現(xiàn)WAAM過程成形穩(wěn)定性、成形尺寸、成形缺陷等多目標(biāo)參量的在線診斷與控制。

（5）隨著人工智能和大數(shù)據(jù)的日益成熟，WAAM智能化、商業(yè)化亟須穩(wěn)步推進(jìn)，可考慮在過程閉環(huán)控制中設(shè)計(jì)更優(yōu)的人工智能算法，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的魯棒性、更高的智能化程度。另外，針對不同的工業(yè)應(yīng)用對象，可建立WAAM過程傳感方法與控制策略數(shù)據(jù)庫，開發(fā)相應(yīng)的商用計(jì)算機(jī)程序，從而實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)類型金屬件的高可靠、高質(zhì)量制造。