CN107679325B - 一种基于体素化的钢节点制造路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钢节点铸造相关技术领域，并公开了一种基于体素化的钢节点制造路径规划方法，包括：基于体素化来构建三维模型；对相贯线处执行倒圆处理；以及针对主管和支管规划不同的制造路径等步骤，也即采取平面分层制造的方式进行主管的路径规划，并采取曲面分层制造的方式进行各支管的路径规划。通过本发明，可有效克服当前钢节点传统制造方法加工周期长、成品率低等问题，同时在加工效率和加工质量方面均取得改善，使得钢节点的整个制造过程从建模到加工都变得更为简洁方便，可快速生产出高定位精度、高力学性能的钢节点。

Description

一种基于体素化的钢节点制造路径规划方法

技术领域

本发明属于钢节点铸造相关技术领域，更具体地，涉及一种基于体素化的钢节点制造路径规划方法。

背景技术

近年来空间结构在我国得到很大的发展，如建设体育馆，航站楼、展览中心等各大场馆大跨式建筑期间，钢结构均获得了充分的利用。其中钢节点譬如铸钢节点，其作为受力最集中的部位，往往需要提供更高的支管定位精度和力学性能。

现有技术中已经提出了一些涉及钢节点的生产工艺。例如，CN201210349224.4中公开了一种铸钢节点的生产工艺，并采用了以下较复杂的多个制造步骤：炉料配备及金属液的冶炼；采用α-set造型法选用碱酚醛树脂、固化剂、砂子造型；浇注采用单注孔底注式钢包，采用卧浇卧冷采用井式热处理炉。又如，CN201520514967.1中公开了一种复杂相贯线热卷钢管节点的制作方法，该方法提出对节点上的每个分支钢管进行展开，以分支钢管内壁和外壁相贯线的交点为基准点，对贯口进行内壁线和外壁线的取舍，在趾部区域选择内壁线，在根部区域选择外壁线，得到贯口形状；然后以贯口的最低点为起点，N等分钢板，进行贯口的切割。

然而，进一步的深入研究表明，上述现有技术仍存在以下的缺陷或不足：首先，上述钢节点的制造方法中均需要铸模，而钢节点一般单件或小批量生产，因此不仅铸模不可重复使用，而且铸模会显著增加整个铸造工艺的加工周期；其次，按照上述方法获得的铸钢件本身易出现气孔、砂眼等缺陷，同时存在成品率不高的技术事实。此外，对于支管贯口切割再焊接的方法来说，由于多个支管焊接时多次定位造成支管定位精度不高，贯口尺寸精度受切割精度影响大，且焊接的力学性能很难达到使用要求。相应地，本领域亟需寻找更为完善的解决方案，以满足日益增长的高质量高效率制造要求。

更具体而言，采用电弧增材制造的方式制造钢节点是本领域一种新的解决方案，而常规电弧堆焊成形钢节点仍存在温度场分布不均匀、冷却不足导致的热量积累，进而引发塌陷、产生热应力等缺陷，为解决该问题，需要结合钢节点的结构形貌，避免或减少电弧堆焊成形过程中热量积累，重新规划高效的制造路径。

发明内容

针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明提供了一种基于体素化的钢节点制造路径规划方法，其中通过充分结合钢节点自身的结构及性能特征来执行体素化和建模设计，并采取电弧制造工艺针对主管和支管分别采用不同的分层方式予以制造，相应不仅能够有效克服现有制造工艺所存在的周期长、成本高、不适用单件的问题，而且能够显著改善各支管的定位精度可靠性和相贯处力学性能不佳等缺陷，因而尤其适用于工业化特性化生产的各类钢节点加工制造场合。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于体素化的钢节点制造路径规划方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)三维模型的构建

针对作为待加工对象的钢节点，对其所包含的主管和多个支管分别生成对应的圆管，对这些圆管执行体素化处理，由此构建形成所需的三维模型；

(b)相贯线处的倒圆

获取所述三维模型中各个支管之间的相交线也即相贯线，并对这些相贯线所处的位置执行倒圆处理，由此实现贯口处的平滑过渡并提高其强度；

(c)针对主管和支管规划不同的制造路径

对于主管而言，采取平面分层制造的方式进行路径规划，其中将每层路径设定为呈现由一系列同心圆弧共同构成的圆弧面的形式，并且这些圆弧的直径从主管外径到主管内径依照焊缝宽度等距离缩小；在规划好每一层路径之后，将圆弧面按照焊缝高度进行平面偏置，直至完成整个主管的所有路径规划；

对于支管而言，采用曲面分层制造的方式进行路径规划，其中将每层路径设定为呈现由多条相贯线共同构成的相贯线曲面的形式，并且这些相贯线是让各支管的外径按照一定的预设值依次缩小至内径，并与相邻支管不断相交而产生；在规格好每一层路径之后，将相贯线曲面按照焊缝高度进行曲面偏置，由此完成各支管的所有路径规划。

作为进一步优选地，在步骤(a)中，对于体素化处理后的圆管，优选还可以包括布尔运算处理的过程。

作为进一步优选地，对于步骤(b)而言，所述倒圆处理优选采用以下方式执行：首先在相邻两支管的相贯线所形成的夹角平分线上设定一个点作为圆心，以此构建与这两支管均相切的圆；然后使用该圆绕所述相贯线一圈形成圆环管，将该圆环管与待执行倒圆处理的位置之间所形成的封闭区域变成实体区域，由此完成所需的倒圆处理。

作为进一步优选地，在完成上述路径规划之后，还可包括以下的步骤：

(d)电弧增材制造

对步骤(c)所获得的主管、支管制造路径进行差值处理，并离散获得对应的刀位点，然后将其导入电弧增材系统执行加工制造。

作为进一步优选地，在步骤(d)中，优选采用机器人作为电弧焊枪的承载平台，同时以自动变位机工作台作为钢节点的夹持平台来执行电弧增材制造。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，通过采用平面分层和曲面分层两种方式针对性分别规划钢节点主管和支管的制造路径，实际测试表明不仅可提高生产效率，而且可显著提高贯口的表面质量和力学性能；此外，本发明采用体素化STL模型的方法，更加快速地实现各圆管求和运算和求差运算，也方便进行后续的贯口处倒圆操作和分层规划操作，并且还具备效率高、精度高、便于操控和按需调节等优点；最后，本发明提出的一体化制造钢节点，相比于传统焊接贯口处母材药芯有成分差异，该方法贯口处的力学性能比传统铸造和焊接更优。

附图说明

图1是按照本发明所构建的基于体素化的钢节点制造路径规划方法的工艺流程图；

图2是用于显示说明钢节点的构造特征示意图；

图3是按照本发明一个优选实施方式、用于对贯口处执行倒圆的处理方式原理示意图；

图4a是用于示范性说明按照本发明所提出的主管制造路径的分层规划方式示意图；

图4b是用于示范性说明按照本发明所提出的支管制造路径的分层规划方式示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明所构建的基于体素化的钢节点制造路径规划方法的工艺流程图，图2是用于显示说明钢节点的构造特征示意图。下面将参照图1和图2，对本发明的路径规划方法及其改进要点做出具体解释说明。

首先，是三维模型的构建步骤。

参看图2，所示的钢节点包括主管2和多个支管1，而且各支管之间的相贯线4的位置，存在需要倒圆处理的区域3。在本步骤中，针对作为待加工对象的钢节点，对其所包含的主管和多个支管分别生成对应的圆管，对这些圆管执行体素化处理，由此构建形成所需的三维模型。

更具体而言，根据设计意图输入相关参数，如圆管的长度、圆管内径、圆管外径、圆管中心点及圆管方向向量等，由此生成多个圆管；将各圆管体素化并可更为快速地进行布尔运算，例如通过支管与主管求差运算减去支管不需要的部分，以及通过主管和支管的求和运算，由此形成最终的钢节点三维模型。

其次，是相贯线处的倒圆步骤。

在此步骤中，首先获取所述三维模型中各个支管之间的相交线也即相贯线，并对这些相贯线所处的位置执行倒圆处理，由此实现贯口处的平滑过渡并提高其强度。

作为本发明的一个关键改进所在，本发明对倒圆处理作出了优化设计。所述倒圆处理优选采用以下方式执行：首先在相邻两支管的相贯线所形成的夹角平分线上设定一个点作为圆心，以此构建与这两支管均相切的圆；然后使用该圆绕所述相贯线一圈形成圆环管，将该圆环管与待执行倒圆处理的位置之间所形成的封闭区域变成实体区域，由此完成所需的倒圆处理。

更具体地，如图3所示，可拾取P点处的相贯线，在∠APB的平分线拾取一点O，以O点位圆心作圆分别与主管和支管相切于B点和A点，AO即圆的半径。此时将以O点为球心的圆球绕相贯线一周，形成圆环管。圆环管与主管和支管行的成封闭区域APB即为倒圆后需设置为实体区域的部分，以此完成贯口处倒圆。通过以上操作，不仅可增加贯口这一受力集中位置的强度，而且还能够增加钢节点整体承载受力的可靠性；此外，倒圆增加了贯口处的金属厚度以此提高其强度，同时实现了贯口处的平滑过渡，使得钢节点整体外观简洁协调。

其次，是针对主管和支管规划不同的制造路径步骤。

作为本发明的另一关键改进，在本步骤中，对于主管而言，采取平面分层制造的方式进行路径规划，其单层路径规划结果如图4a所示。其中，可将每层路径设定为呈现由一系列同心圆弧共同构成的圆弧面的形式，并且这些圆弧的直径从主管外径到主管内径依照焊缝宽度等距离缩小；在规划好每一层路径之后，将圆弧面按照焊缝高度进行平面偏置，直至完成整个主管的所有路径规划。以此方式，不仅可有效适应主管比其他支管大很多的特点，而且可显著提高效率。

对于支管而言，按照本发明的一个优选实施方式，优选可采用曲面分层制造的方式进行路径规划，其中将每层路径设定为呈现由多条相贯线共同构成的相贯线曲面的形式，并且这些相贯线是让各支管的外径按照一定的预设值依次缩小至内径，并与相邻支管不断相交而产生；在规格好每一层路径之后，将相贯线曲面按照焊缝高度进行曲面偏置，由此完成各支管的所有路径规划；重复执行以上操作，直至完成所有支管的路径规划。

换而言之，对于支管而言，采取曲面分层制造的方式进行路径规划，是考虑到支管是在主管的基础上制造，支管与主管的接触面是由各支管与主管及相邻支管相交产生的相贯线曲面。具体来说，当进行路径规划时，可将各支管的外径按照一定的预设值(实际为焊缝宽度)依次缩小至内径，每缩小一次产生一条相贯线，从而形成多条相贯线，进而构成相贯线曲面。在规划好每一层路径之后，将相贯线曲面按照焊缝高度进行曲面偏置，由此完成各支管的所有路径规划；重复执行以上操作，直至完成所有支管的路径规划。

之所以采用以上方式，主要是考虑到支管是在主管以及已完成制造的支管上堆积成形的，若采用采用平面分层制造方式，该支管与其他圆管的贯口处会出现明显的台阶效应，并且由于局部热积累产生热应力，进而出现制造缺陷，影响钢节点整体力学性能。较多的实际测试表明，通过采用上述曲面分层制造方式，可较好地解决上述技术问题，并有助于提高最终成品的制造精度和质量。

接着，可执行后处理步骤。

上述过程规划的钢节点电弧增材制造路径并不能直接用于制造，还需要对其进行后处理，对所有曲线进行插值处理，将曲线离散成刀位点也即焊枪的移动点路径。然后，再将刀位点变为机器人的移动控制代码，使其搭载焊枪按照合适的移动速度和工艺参数进行堆焊。

最后，优选采用电弧增材制造工艺来结合上述路径进行加工制造。

将上述规划好的路径导入电弧增材制造系统，启动该系统，焊枪将按规划的路径行走，从而制造出符合性能要求和高定位精度的钢节点。按照本发明的一个优选实施方式，本发明中，可采用机器人作为电弧焊枪的承载平台，自动变位机工作台作为钢节点的夹持平台进行电弧增材制造，该法结合了机器人的较大工作空间和变位机的可靠精度以及电弧的高效低成本等优点，能够适应长度多达两米的钢节点的制造。

综上，本发明针对当前钢节点传统制造方法加工周期长、成品率低等问题，提出一种基于体素化的钢节点电弧增材制造路径规划方法，其综合考虑了效率和加工质量，使得钢节点的制造过程从建模到加工都变得简洁方便，可快速生产出高定位精度、高力学性能的钢节点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于体素化的钢节点制造路径规划方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)三维模型的构建

针对作为待加工对象的钢节点，对其所包含的主管和多个支管分别生成对应的圆管，对这些圆管执行体素化处理，由此构建形成所需的三维模型；

(b)相贯线处的倒圆

获取所述三维模型中主管与支管之间、以及各个支管之间的相交线也即相贯线，并对这些相贯线所处的位置执行倒圆处理，由此实现贯口处的平滑过渡并提高其强度；

(c)针对主管和支管规划不同的制造路径

对于主管而言，采取平面分层制造的方式进行路径规划，其中将每层路径设定为呈现由一系列同心圆弧共同构成的圆弧面的形式，并且这些圆弧的直径从主管外径到主管内径依照焊缝宽度等距离缩小；在规划好每一层路径之后，将圆弧面按照焊缝高度进行平面偏置，直至完成整个主管的所有路径规划；

对于支管而言，采用曲面分层制造的方式进行路径规划，其中将每层路径设定为呈现由多条相贯线共同构成的相贯线曲面的形式，并且这些相贯线是让各支管的外径按照一定的预设值依次缩小至内径，并与相邻支管不断相交而产生；在规格好每一层路径之后，将相贯线曲面按照焊缝高度进行曲面偏置，由此完成各支管的所有路径规划。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(a)中，对于体素化处理后的圆管，还包括布尔运算处理的过程。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对于步骤(b)而言，所述倒圆处理采用以下方式执行：首先在相邻两支管的相贯线所形成的夹角平分线上设定一个点作为圆心，以此构建与这两支管均相切的圆；然后使用该圆绕所述相贯线一圈形成圆环管，将该圆环管与待执行倒圆处理的位置之间所形成的封闭区域变成实体区域，由此完成所需的倒圆处理。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在完成上述路径规划之后，还包括以下的步骤：

(d)电弧增材制造

对步骤(c)所获得的主管、支管制造路径进行差值处理，并离散获得对应的刀位点，然后将其导入电弧增材系统执行加工制造。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(d)中，采用机器人作为电弧焊枪的承载平台，同时以自动变位机工作台作为钢节点的夹持平台来执行电弧增材制造。

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