CN109530860A - 一种可用于大尺寸零件制造的电弧增材方法 - Google Patents

一种可用于大尺寸零件制造的电弧增材方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可用于大尺寸零件制造的电弧增材方法，该方法在一个可旋转的转动台上进行零件的增材，通过可旋转的转动台结合切片程序的方式，先对大尺寸零件进行切片分析，判断程序运行轨迹是否处于机器人本体工作区域之内，在程序运行过程中配合旋转台转动，扩大焊接机器人工作区域，使得原本机器人不可达区域变为可达区域，从而达到可制造大尺寸零件的目的；本发明方法能够用于大尺寸航空结构件的成形制造。

Description

一种可用于大尺寸零件制造的电弧增材方法
技术领域
本发明涉及一种金属电弧增材制造方法，尤其涉及一种利用可旋转外部轴结合切片程序的电弧增材制造方法，该方法能够制造大尺寸零件，属于金属焊接加工技术领域。
背景技术
电弧增材制造是通过焊接融化并逐层堆积金属实现工件的成型的制造方法。传统电弧增材步骤通常是通过切片软件对零部件的数模进行切片和路径规划，输出程序到焊接机器人进行增材作业。由于焊接机器人本体的工作区域有限，使得传统的电弧增材方法无法制造大尺寸零件。因此一种可用于大尺寸零件制造的电弧增材方法的开发很有必要。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种可用于大尺寸零件制造的电弧增材方法，该方法在一个可旋转的转动台上进行零件的增材，通过可旋转的转动台结合切片程序的方式，先对大尺寸零件进行切片分析，判断程序运行轨迹是否处于机器人本体工作区域之内，在程序运行过程中配合旋转台转动，扩大焊接机器人工作区域，使得原本机器人不可达区域变为可达区域，从而达到可制造大尺寸零件的目的。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种可用于大尺寸零件制造的电弧增材方法，在焊接机器人焊接头的下方设置有旋转台，旋转台的转轴与机器人基座的中轴相互平行；
上述电弧增材方法具体包括以下步骤：
步骤1，在电弧增材的切片软件中对零件数模进行分析，使用偏置算法或平行线扫描算法生成增材路径；
步骤2，判断增材路径中的第一个点是否处于机器人可达区域之内；
具体判断方法为：
设置焊枪机器人的可达区域半径为1000～1200mm；
计算增材路径中的第一个点和机器人基座中心点之间的距离，若距离落在焊枪机器人的可达区域半径范围内，表示该点可达，否则不可达；
具体来说，增材路径中的第一个点的坐标为A(x1，y1，z1)，机器人基座中心点的坐标为B(x2，y2，z2)，增材路径中的第一个点和机器人基座中心点的距离为
若|AB|小于1000～1200mm，则说明该点处于机器人可达区域之内，若|AB|大于1000～1200mm，则说明该点位于机器人可达区域之外；
步骤3，设置旋转台转轴的旋转范围为-360°～360°，转轴每次旋转最小角度N(最小角度N为转轴本身性能能够实现转动的最小角度)，N值越小，计算结果越精确；
步骤4，若增材路径中的第一个点处于机器人可达区域之外，获取旋转台转轴当前角度I，使旋转台转轴按顺时针旋转θ度，顺时针旋转θ度后，再次判断该点是否处于机器人可达区域之内，若不在，则继续顺时针旋转一定角度，直至该点处于机器人可达区域之内(此时转轴旋转的角度的X)，记录此时旋转台转轴旋转后对应的角度J；J＝I+X；
转动前，该点的坐标为A(x1，y1，z1)；顺时针旋转θ度后，得到转动后该点的坐标为C(x3，y3，z3)；其中，转动后C点的坐标(x3，y3，z3)采用如下方式获得：
旋转台转轴绕Z轴旋转，(x1，y1，z1)为旋转前该点的坐标A，θ为顺时针旋转的角度；
得到转动后该点的坐标后，再计算转动后该点和机器人基座中心点之间的距离，若距离落在焊枪机器人的可达区域半径范围内，表示该点可达，否则不可达；
具体为，转动后该点的坐标为C(x3，y3，z3)，机器人基座中心点的坐标为B(x2，y2，z2)，转动后该点和机器人基座中心点(机器人基座中心点的位置始终不变)的距离为
若|BC|小于1000～1200mm，则说明该点处于机器人可达区域之内，若|BC|大于1000～1200mm，则说明该点位于机器人可达区域之外；
步骤5，重新将旋转台转轴旋转至旋转台转轴的初始角度I，使旋转台转轴按逆时针旋转θ度，逆时针旋转θ度后，再次判断该点是否处于机器人可达区域之内，若不在，则继续逆时针旋转一定角度，直至该点处于机器人可达区域之内(此时转轴旋转的角度的Y)，记录此时旋转台转轴旋转后对应的角度K；K＝I-Y；步骤5中判断对应点是否落在机器人可达区域之内的方法通步骤4；
步骤6，若角度J不在旋转台转轴的旋转范围内，则旋转台转轴最终旋转对应的角度为K，若角度K不在旋转台转轴的旋转范围内，则旋转台转轴最终旋转对应的角度为J；
步骤7，若J和K均在旋转台转轴的旋转范围内，选择更靠近初始角度I的角度作为旋转台转轴最终旋转对应的角度；
步骤8，通过步骤6～7确定增材路径中的第一个点旋转台转轴的最终角度，并将获取的最终角度作为增材程序的输入，用于更新增材程序；
步骤9，逐一对增材路径上的所有点重复步骤2～8；即先判断增材路径上的各个点是否需要旋转，若需要旋转确定其最终旋转角度，并将需要旋转的点旋转后转轴对应的角度作为该点增材路径的输入更新该点的增材路径；
具体来说，当增材路径中的第一个点不在机器人可达区域之内，通过旋转一定角度P(旋转一定角度后转轴角度为Z)使增材路径中的第一个点位于机器人可达区域之内，将确定的旋转角度Z作为增材程序的输入对增材程序进行更新，然后判断增材路径中的第二个点是否在机器人可达区域之内，若增材路径中的第二个点也不在机器人可达区域之内，在角度Z的基础上(此时角度Z为第二个点旋转转轴的初始角度)继续旋转一定角度使增材路径中的第二个点位于机器人可达区域之内，将第二个点旋转后对应的角度作为增材程序的输入对增材程序进行更新，对增材路径上的所有点进行一一判断，并将每个点对应的增材程序进行更新；
步骤10，将步骤9更新后的增材路径上的每个点的增材程序输出给焊接机器人，旋转台协同焊枪机器人一起进行工件的电弧增材制造作业。
其中，具体为：对待打印的工件进行建模，根据该工件的材料性能，确定每层增材层高，用电弧增材切片软件在Z方向上对零件数模按照确定层高进行分层切片，得到零件模型的二维轮廓图，使用偏置算法或平行线扫描算法生成每个平面(每层)上对应每个点的增材路径。
相比于现有技术，本发明的技术方案所具有的有益效果为：
本发明方法在一个可旋转的转动台上进行零件的增材，通过可旋转的转动台结合切片程序的方式，先对大尺寸零件进行切片分析，判断程序运行轨迹是否处于机器人本体工作区域之内，在程序运行过程中配合旋转台转动，扩大焊接机器人工作区域，使得原本机器人不可达区域变为可达区域，从而达到可制造大尺寸零件的目的。本发明方法能够用于大尺寸航空结构件的成形制造。
附图说明
图1为本发明方法的原理图；
图2为本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明可用于大尺寸零件制造的电弧增材方法，在焊接机器人焊接头的下方设置有旋转台，旋转台的转轴与机器人基座的中轴相互平行；
如图2所示，上述电弧增材制造方法，具体包括如下步骤：
步骤1，在电弧增材的切片软件中对零件数模进行分析，使用偏置算法或平行线扫描算法生成增材路径；
步骤2，判断增材路径中的第一个点是否处于机器人可达区域之内；
具体判断方法为：
设置焊枪机器人的可达区域半径为1000～1200mm；
计算增材路径中的第一个点和机器人基座中心点之间的距离，若距离落在焊枪机器人的可达区域半径范围内，表示该点可达，否则不可达；
具体来说，增材路径中的第一个点的坐标为A(x1，y1，z1)，机器人基座中心点的坐标为B(x2，y2，z2)，增材路径中的第一个点和机器人基座中心点的距离为
若|AB|小于1000～1200mm，则说明该点处于机器人可达区域之内，若|AB|大于1000～1200mm，则说明该点位于机器人可达区域之外；
步骤3，设置旋转台转轴的旋转范围为-360°～360°，转轴每次旋转最小角度N(最小角度N为转轴本身性能能够实现转动的最小角度)，N值越小，计算结果越精确；
步骤4，若增材路径中的第一个点处于机器人可达区域之外，获取旋转台转轴当前角度I，使旋转台转轴按顺时针旋转θ度，顺时针旋转θ度后，再次判断该点是否处于机器人可达区域之内，若不在，则继续顺时针旋转一定角度，直至该点处于机器人可达区域之内，记录此时旋转台转轴旋转后对应的角度J；
转动前，该点的坐标为A(x1，y1，z1)；顺时针旋转θ度后，得到转动后该点的坐标为C(x3，y3，z3)；其中，转动后C点的坐标(x3，y3，z3)采用如下方式获得：
旋转台转轴绕Z轴旋转，(x1，y1，z1)为旋转前该点的坐标A，θ为顺时针旋转的角度；
得到转动后该点的坐标后，再计算转动后该点和机器人基座中心点之间的距离，若距离落在焊枪机器人的可达区域半径范围内，表示该点可达，否则不可达；
具体为，转动后该点的坐标为C(x3，y3，z3)，机器人基座中心点的坐标为B(x2，y2，z2)，转动后该点和机器人基座中心点(机器人基座中心点的位置始终不变)的距离为
若|BC|小于1000～1200mm，则说明该点处于机器人可达区域之内，若|BC|大于1000～1200mm，则说明该点位于机器人可达区域之外；
步骤5，重新将旋转台转轴旋转至旋转台转轴的初始角度I，使旋转台转轴按逆时针旋转θ度，逆时针旋转θ度后，再次判断该点是否处于机器人可达区域之内，若不在，则继续逆时针旋转一定角度，直至该点处于机器人可达区域之内，记录此时旋转台转轴旋转后对应的角度K；步骤5中判断对应点是否落在机器人可达区域之内的方法通步骤4；
步骤6，若角度J不在旋转台转轴的旋转范围内，则旋转台转轴最终旋转对应的角度为K，若角度K不在旋转台转轴的旋转范围内，则旋转台转轴最终旋转对应的角度为J；
步骤7，若J和K均在旋转台转轴的旋转范围内，选择更靠近初始角度I的角度作为旋转台转轴最终旋转对应的角度；
步骤8，通过步骤6～7确定增材路径中的第一个点旋转台转轴的最终旋转角度，并将获取的最终旋转角度作为增材程序的输入，用于更新增材程序；
步骤9，逐一对增材路径上的所有点重复步骤2～8；即先判断增材路径上的各个点是否需要旋转，若需要旋转确定其最终需要旋转的角度，并将需要旋转的点旋转后对应的角度作为该点增材路径的输入更新该点的增材路径；
具体来说，当增材路径中的第一个点不在机器人可达区域之内，通过旋转一定角度P(旋转一定角度后到达角度Z)使增材路径中的第一个点位于机器人可达区域之内，将确定的旋转角度Z作为增材程序的输入对增材程序进行更新，然后判断增材路径中的第二个点是否在机器人可达区域之内，若增材路径中的第二个点也不在机器人可达区域之内，在角度Z的基础上(此时角度Z为第二个点旋转的初始角度)继续旋转一定角度使增材路径中的第二个点位于机器人可达区域之内，将第二个点旋转后对应的角度作为增材程序的输入对增材程序进行更新，对增材路径上的所有点进行一一判断，并将每个点对应的增材程序进行更新；
步骤10，将步骤9更新后的增材路径上的每个点的增材程序输出给焊接机器人，旋转台协同焊枪机器人一起进行工件的电弧增材制造作业。
本发明方法能够解决传统电弧增材制造方法无法制造大尺寸工件的缺点，本发明方法首先在传统增材制造方法的基础上，增加一个旋转台，通过旋转对增材路径进行再处理，使增材路径中原来不可达点变成可达点，从而达到扩大机器人工作区域，使金属电弧增材制造方法可用于制造大尺寸航空结构件。

Claims (4)

1.一种可用于大尺寸零件制造的电弧增材方法，其特征在于，在焊接机器人焊接头的下方设置有旋转台；所述电弧增材方法具体包括以下步骤：
步骤1，在电弧增材的切片软件中对零件数模进行分析，使用偏置算法或平行线扫描算法生成增材路径；
步骤2，判断增材路径中的第一个点是否处于机器人可达区域之内；
步骤3，设置旋转台转轴的旋转范围为-360°～360°，转轴每次旋转最小角度N；
步骤4，若增材路径中的第一个点处于机器人可达区域之外，获取旋转台转轴当前角度I，使旋转台转轴按顺时针旋转θ度，顺时针旋转θ度后，再次判断该点是否处于机器人可达区域之内，若不在，则继续顺时针旋转一定角度，直至该点处于机器人可达区域之内，记录此时旋转台转轴旋转后对应的角度J；
步骤5，重新将旋转台转轴旋转至旋转台转轴的初始角度I，使旋转台转轴按逆时针旋转θ度，逆时针旋转θ度后，再次判断该点是否处于机器人可达区域之内，若不在，则继续逆时针旋转一定角度，直至该点处于机器人可达区域之内，记录此时旋转台转轴旋转后对应的角度K；
步骤6，若角度J不在旋转台转轴的旋转范围内，则旋转台转轴最终旋转对应的角度为K，若角度K不在旋转台转轴的旋转范围内，则旋转台转轴最终旋转对应的角度为J；
步骤7，若J和K均在旋转台转轴的旋转范围内，选择更靠近初始角度I的角度作为旋转台转轴的最终角度；
步骤8，通过步骤6～7确定增材路径中的第一个点旋转台转轴的最终角度，并将获取的最终角度作为增材程序的输入，用于更新增材程序；
步骤9，逐一对增材路径上的所有点重复步骤2～8；
步骤10，将步骤9更新后的增材路径上的每个点的增材程序输出给焊接机器人，旋转台协同焊枪机器人一起进行工件的电弧增材制造作业。
2.根据权利要求1所述的可用于大尺寸零件制造的电弧增材方法，其特征在于：步骤1中，具体为：对待打印的工件进行建模，根据该工件的材料性能，确定每层增材层高，用电弧增材切片软件在Z方向上对零件数模按照确定层高进行分层切片，得到零件模型的二维轮廓图，使用偏置算法或平行线扫描算法生成每个平面上对应每个点的增材路径。
3.根据权利要求1所述的可用于大尺寸零件制造的电弧增材方法，其特征在于：步骤2中，具体判断方法为：设置焊枪机器人的可达区域半径为1000～1200mm；计算增材路径中的第一个点和机器人基座中心点之间的距离，若距离落在焊枪机器人的可达区域半径范围内，表示该点可达，否则不可达。
4.根据权利要求1所述的可用于大尺寸零件制造的电弧增材方法，其特征在于：步骤4和步骤5中，具体为：转动前，该点的坐标为A(x1，y1，z1)；旋转θ度后，转动后该点对应的坐标为C(x3，y3，z3)；计算转动后该点和机器人基座中心点之间的距离，若距离落在焊枪机器人的可达区域半径范围内，表示该点可达，否则不可达；
其中，转动后该点对应的坐标C(x3，y3，z3)采用如下方式获得：
(x1，y1，z1)为旋转前该点的坐标A，(x3，y3，z3)为转动后该点对应的坐标C；旋转台转轴绕Z轴旋转，θ为旋转的角度。
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