摘要介绍
气体金属电弧(GMA)增材制造因其高沉积速率和低成本，成为一种具有前景的大型金属零件制造技术。然而，确保实际沉积尺寸与目标沉积尺寸之间的一致性仍然具有挑战性。该研究聚焦于通过协同监测与自动控制GMA增材制造中的沉积宽度和高度，提升沉积尺寸精度。设计了一套双视觉传感系统，并结合图像处理算法，实现了沉积宽度和高度的精确提取，宽度和高度的检测误差分别低于2.8%和3.8%。通过相对增益矩阵分析了沉积电流与电压之间的耦合关系，并设计了基于前馈补偿器的解耦器以解耦其相互作用。解耦后，电流主要影响沉积宽度，而电压主要影响沉积高度。构建了两个模糊控制器，通过实时调节沉积电流和电压来控制沉积层的成形精度。最终，通过薄壁零件的制造验证了所提方法的有效性。
研究背景
作为一种革命性的制造技术，金属增材制造(MAM)能够基于三维模型直接成形具有复杂结构的金属零件，与传统制造工艺相比，展现出材料利用率高、制造周期短等独特优势。目前，MAM中采用的热源主要包括激光、电子束和电弧。其中，基于电弧的丝材增材制造(WAAM)通过电弧熔化金属丝材并逐层沉积以制造构件，克服了激光增材制造沉积速率低和电子束增材制造成本高的局限性。因此，WAAM在制造中大型金属零件方面受到了广泛关注。由于金属丝材作为消耗电极，气体金属电弧(GMA)的沉积速率约为钨极气体保护电弧(GTA)的两倍，后者在WAAM中使用旁轴送丝作为填充材料。因此，在制造大型金属构件方面，GMA增材制造相比GTA增材制造具有更显著的工业应用前景。
在调控WAAM制备构件的微观组织和力学性能方面已取得了显著进展。然而，由于参数波动、散热条件差以及尺寸误差累积等因素，WAAM的大规模工业应用受到沉积稳定性差的限制，这与较低的制造自动化水平和令人不满意的成形尺寸精度有关，从而增加了后处理成本。因此，采用有效策略以保持实际沉积尺寸与基于路径规划计算的预期尺寸之间的一致性，对于提高沉积过程稳定性和降低后处理成本至关重要。
为提升沉积尺寸精度，已从工艺优化的角度发展了许多可行策略：
（1）通过建立的离线数学模型调控热输入，以及通过延长相邻沉积层之间的间歇时间或对沉积层施加主动冷却介质来缓解热量积累。然而，由于无法动态调整沉积尺寸，这些策略对WAAM沉积尺寸精度的提升效果有限。
（2）将减材制造技术集成到WAAM系统中，以实现精确的目标沉积尺寸。然而，额外增加的铣削设备显著提高了设备投资并延长了工艺周期。
（3）采用过程监控与自动控制系统来提升WAAM中的沉积尺寸精度是一种强有力的方案，具有显著的灵活性和低成本优势。一般而言，在WAAM中，电弧电压信号与焊枪到基板表面的距离直接相关。然而，检测精度依赖于电弧电压信号与沉积高度之间响应模型的准确性，且电弧电压信号极易受到实验条件的影响。与上述传感策略相比，视觉传感通过将CCD相机采集的熔池图像与图像处理算法相结合，直接提取熔池的几何特征，具有像素级测量精度和优异的鲁棒性。Xiong等人[24]使用CCD相机监测GMA增材制造中的沉积宽度，并开发了一种单神经元自调整控制器来调节行进速度，实现了沉积宽度的精确控制。此外，他们还利用视觉传感器监测GMA增材制造中喷嘴到顶部表面的距离以及GTA增材制造中钨电极到上一层的距离，从而间接表征沉积高度，并开发了两个PID控制器分别调节GMA增材制造中的行进速度和GTA增材制造中的送丝速度，以提高沉积高度的稳定性。
当前研究更多关注于WAAM中零件单一沉积尺寸的原位监测与自动控制，而对多沉积尺寸协同控制的研究存在明显不足。此外，WAAM中沉积宽度和高度协同控制的一个挑战在于不同变量之间的耦合，即沉积宽度或高度受多个变量影响，导致调整单一变量不仅会改变目标尺寸，还可能对非目标尺寸产生不可预测的干扰，这增加了同时精确控制多个尺寸的难度。事实上，由于送丝速度主要影响沉积高度，而沉积电流主要影响沉积宽度，GTA增材制造中不同变量之间的耦合相对较弱。相比之下，GMA增材制造中的沉积电流或电压对沉积宽度和高度均有显著影响，导致沉积电流与电压之间存在严重耦合。因此，解耦不同变量之间的耦合效应，以实现GMA增材制造中沉积宽度和高度的协同精确控制具有重要意义。
为填补这一研究空白，该研究旨在解耦不同变量之间的耦合效应，并实现GMA增材制造中沉积宽度和高度的协同控制。设计了一套双视觉传感系统以实时监测沉积宽度和高度。采用相对增益矩阵定量分析了沉积电流与电压之间的耦合关系，并设计了基于前馈补偿器的解耦器以消除不同变量之间的耦合效应。构建了两个模糊控制器以自动提升沉积尺寸精度。最后，通过薄壁零件的制造验证了双视觉传感与解耦控制系统的有效性。
研究亮点
该研究提出了一种融合双视觉传感、解耦器与双模糊控制器的闭环系统，实现了GMA增材制造中沉积宽度与高度的协同高精度控制:
（1）双视觉传感系统
• 设计并集成了包含宽度和高度视觉传感器的双视觉传感系统，能够同时采集熔池的顶视图和侧视图，实现对沉积宽度和高度的实时、非接触、高精度监测。
（2）高精度尺寸提取
• 结合图像处理算法(Canny边缘检测 + Hough变换)，沉积宽度检测误差 ≤ 2.8%，沉积高度检测误差 ≤ 3.8%，验证了系统的检测精度。
（3）变量耦合定量分析
• 采用相对增益矩阵(Relative Gain Matrix)定量分析了GMA增材制造中沉积电流与电压之间的耦合关系，发现两者对沉积宽度和高度存在显著耦合。
（4）前馈补偿解耦器设计
• 基于静态解耦方法，设计了前馈补偿器作为解耦器，有效解除了沉积电流与电压之间的相互耦合，使电流主要控制宽度、电压主要控制高度。
（5）双模糊控制器闭环控制
• 分别针对沉积宽度和高度设计了两个二维模糊控制器，结合解耦器构成闭环控制系统，实现对沉积尺寸的自适应调节。
（6）实验验证效果显著
• 在20层薄壁零件沉积实验中，闭环控制下第20层的宽度偏差 ＜ 0.4 mm，高度偏差 ＜ 0.44 mm，远优于未控制组(宽度偏差 ＞ 1 mm，高度偏差 ＞ 2 mm)。
学术贡献
该研究首次在GMA增材制造中定量分析电流-电压耦合特性并设计解耦控制框架，实现了沉积宽度与高度的独立闭环调控，显著提升了成形尺寸精度:
（1）提出了面向GMA增材制造的双视觉协同监测方法
• 首次将宽度和高度视觉传感器协同应用于GMA增材制造中，解决了单一传感器无法同时监测两个关键尺寸的问题。
（2）建立了电流-电压耦合定量分析与解耦控制框架
• 通过相对增益矩阵首次定量揭示了GMA增材制造中电流与电压的强耦合特性，并设计了工程可实现的静态解耦器，为多变量解耦控制提供了通用方法。
（3）实现了沉积宽度与高度的协同闭环控制
• 在解耦基础上，构建了双模糊控制器协同工作的控制系统，实现了对沉积宽度和高度的独立、稳定、精确调节，填补了该领域多尺寸协同控制的空白。
（4）验证了控制系统的工程可行性与鲁棒性
• 通过20层薄壁零件的实际沉积实验，系统展示了所提出控制策略在长期、多层沉积过程中对尺寸误差累积的抑制能力，具有明确的工程应用价值。
（5）为高精度电弧增材制造提供了可复用的控制架构
• 所提出的“双视觉传感 → 解耦 → 模糊控制”架构具有通用性，可推广至其他电弧或激光增材制造系统中，用于多目标几何控制。
主要结论
该研究旨在通过消除沉积电流与电压之间的耦合，实现GMA增材制造中沉积宽度和高度的精确协同控制。通过薄壁零件的沉积验证了所设计解耦控制系统的有效性。主要结论如下：
（1）设计了一套包含宽度和高度视觉传感器的双视觉传感系统，用于在GMA增材制造过程中采集熔池的顶视图和侧视图。采用图像处理算法从熔池顶视图和侧视图中提取了沉积宽度和高度。双视觉传感系统的精度验证结果表明，宽度和高度的检测误差分别低于2.8%和3.8%。
（2）基于相对增益矩阵的耦合分析表明，沉积电流与电压之间存在强耦合关系。开发了基于前馈补偿器的解耦器，以消除GMA增材制造中不同变量之间的耦合。解耦验证实验表明，解耦后电流主要影响沉积宽度，电压主要影响沉积高度，证明所设计的解耦器具有优异的解耦效果。
（3）将两个分别用于调节电流和电压的模糊控制器与解耦器集成到控制系统中，实现了沉积尺寸的闭环反馈控制。基于该控制系统，沉积了预设宽度为8 mm、高度为1.7 mm的薄壁零件。控制结果表明，在薄壁零件沉积过程中，每层的检测宽度和高度均围绕预设值波动。闭环控制下第20层的宽度偏差小于0.4 mm，高度偏差小于0.44 mm，均远小于未施加控制的薄壁零件。
论文出处
Additive Manufacturing Frontiers, Available online 26 March 2026,200331
