CN110227873B - 一种大尺寸金属工件的电弧增材制造方法 - Google Patents

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    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
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    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing

Abstract

本发明公开了一种大尺寸金属工件的电弧增材制造方法，本发明方法在增材过程中实时计算出旋转外轴(旋转台)的旋转角度，将每个点所需的旋转外轴的旋转角度写成机器人代码程序，将旋转台旋转角度作为增材程序的输入，用于更新增材程序；本发明方法结合可旋转外轴，解决了传统电弧增材制造方法无法制造大尺寸工件的缺点，解决电弧增材制造在工业应用中的难题，通过空间坐标系转换的方法可以提高计算效率。

Description

一种大尺寸金属工件的电弧增材制造方法
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大尺寸金属工件的电弧增材制造方法，该方法需要增加旋转外轴，即在一个可旋转的转动台上进行零件的增材制造，以便扩大焊接机器人的工作区域，达到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：
一种大尺寸金属工件的电弧增材制造方法，具体包括如下步骤：
步骤1，已知机器人基座坐标系B，旋转外轴坐标系E，外轴旋转矩阵为Rot(θ)，工件坐标系O；工件坐标系O可设置成和旋转外轴坐标系E一样；
Figure BDA0002066225590000011
表示A坐标系的原点在B坐标系下的位姿，即A坐标系向B坐标系的变换矩阵；
步骤2，在电弧增材的切片软件中对零件数模进行分析，使用切片算法生成每个点(P1、P2……Pn)的增材路径；
步骤3，假设旋转外轴旋转角度范围为W([0°-360°])，设置机器人最佳工作区域W1∈W；
步骤4，构建新的工件坐标系O’，新的工件坐标系O’位置为旋转外轴坐标系E的位置，新的工件坐标系O’的X轴和Z轴方向与机器人基座坐标系B的X轴和Z轴相同；
步骤5，计算点P1在新的工件坐标系O’的位姿；
计算公式为：
Figure BDA0002066225590000021
其中，
Figure BDA0002066225590000022
表示B坐标系的原点在O’坐标系下的位姿，
Figure BDA0002066225590000023
表示O坐标系的原点在B坐标系下的位姿；
步骤6，计算旋转外轴当前角度γ下点P1’的位姿；
计算公式为：
Figure BDA0002066225590000024
其中，
Figure BDA0002066225590000025
表示B坐标系的原点在O坐标系下的位姿；
Figure BDA0002066225590000026
表示E坐标系的原点在B坐标系下的位姿；
Figure BDA0002066225590000027
表示B坐标系的原点在E坐标系下的位姿；
Figure BDA0002066225590000028
表示O坐标系的原点在B坐标系下的位姿；
步骤7，计算P″1(P1‘’)与工件坐标系O’X轴的夹角α；
计算公式为：α＝atan2(P″1.Y-P″1.X)-atan2(0，1)；其中，P″1.Y表示点P1‘’在工件坐标系O’中Y轴方向的投影(对应的值)，P″1.X表示点P1‘’在工件坐标系O’中X轴方向的投影(对应的值)；α的范围为[-180°-180°]；
步骤8，将α转换到[0°-360°]，计算符合条件的角度W2＝W1-α；
步骤9，取W2中绝对值小的角度，假设为β，P1所需旋转外轴的角度为γ+β；
步骤10，重复步骤5～9，计算出P2所需旋转外轴的角度；
步骤11，重复步骤5～9，直至计算出路径中所有点所需旋转外轴的角度，将路径中每个点所需旋转台的旋转角度作为增材程序的输入，用于更新增材程序。
本发明方法在一个可旋转的转动台上进行零件的增材，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。
相比于现有技术，本发明的技术方案所具有的有益效果为：
本发明方法在增材过程中实时计算出旋转外轴(旋转台)的旋转角度，将每个点所需的旋转外轴的旋转角度写成机器人代码程序，将旋转台旋转角度作为增材程序的输入，用于更新增材程序；本发明方法结合可旋转外轴，可解决传统电弧增材制造方法无法制造大尺寸工件的缺点，解决电弧增材制造在工业应用中的难题，通过空间坐标系转换的方法可以提高计算效率。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明方法对应的机器人基座坐标系B和旋转外轴坐标系E；
图3为本发明方法对应的机器人基座坐标系B和新的工件坐标系O’；
图4为本发明方法采用的装置的原理图。
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，本发明大尺寸金属工件的电弧增材制造方法，具体包括如下步骤：
步骤1，已知机器人基座坐标系B，旋转外轴坐标系E，外轴旋转矩阵为Rot(θ)，工件坐标系O；工件坐标系O可设置成和旋转外轴坐标系E一样；
Figure BDA0002066225590000031
表示A坐标系的原点在B坐标系下的位姿，即A坐标系向B坐标系的变换矩阵；
步骤2，在电弧增材的切片软件中对零件数模进行分析，使用切片算法生成每个点(P1、P2……Pn)的增材路径；
步骤3，假设旋转外轴旋转角度范围为W([0°-360°])，设置机器人最佳工作区域W1∈W；
步骤4，构建新的工件坐标系O’，新的工件坐标系O’位置为旋转外轴坐标系E的位置，新的工件坐标系O’的X轴和Z轴方向与机器人基座坐标系B的X轴和Z轴相同；
步骤5，计算点P1在新的工件坐标系O’的位姿；
计算公式为：
Figure BDA0002066225590000032
其中，
Figure BDA0002066225590000033
表示B坐标系的原点在O’坐标系下的位姿，
Figure BDA0002066225590000034
表示O坐标系的原点在B坐标系下的位姿；
步骤6，计算旋转外轴当前角度γ下点P1’的位姿；
计算公式为：
Figure BDA0002066225590000035
其中，
Figure BDA0002066225590000041
表示B坐标系的原点在O坐标系下的位姿；
Figure BDA0002066225590000042
表示E坐标系的原点在B坐标系下的位姿；
Figure BDA0002066225590000043
表示B坐标系的原点在E坐标系下的位姿；
Figure BDA0002066225590000044
表示O坐标系的原点在B坐标系下的位姿；
步骤7，计算P″1(P1‘’)与工件坐标系O’X轴的夹角α；
计算公式为：α＝atan2(P″1.Y-P″1.x)-atan2(0，1)；其中，P″1.Y表示点P1‘’在工件坐标系O’中Y轴方向的投影(对应的值)，P″1.X表示点P1‘’在工件坐标系O’中X轴方向的投影(对应的值)；α的范围为[-180°-180°]；
步骤8，将α转换到[0°-360°]，计算符合条件的角度W2＝W1-α；
步骤9，取W2中绝对值小的角度，假设为β，P1所需旋转外轴的角度为γ+β；
步骤10，重复步骤5～9，计算出P2所需旋转外轴的角度；
步骤11，重复步骤5～9，直至计算出路径中所有点所需旋转外轴的角度，将路径中每个点所需旋转台的旋转角度作为增材程序的输入，用于更新增材程序。
如图4所示，本发明装置包括机器人基座，机器人固定在机器人基座上，旋转外轴固定在变位机上，旋转外轴既可以在水平面上旋转，又可以进行翻转。
本发明方法设定机器人工作区域(弧度)，通过空间坐标系转换计算出旋转外轴的旋转角度，从而扩大机器人的工作区域，使本发明方法可用于制造大尺寸航空结构件。
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 (3)

1.一种大尺寸金属工件的电弧增材制造方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1，已知机器人基座坐标系B，旋转外轴坐标系E，外轴旋转矩阵为Rot(θ)，工件坐标系O；
步骤2，在电弧增材的切片软件中对零件数模进行分析，使用切片算法生成每个点P1～Pn的基础路径；
步骤3，假设旋转外轴旋转角度范围为W[0°-360°]，设置机器人最佳工作区域W1∈W；
步骤4，构建新的工件坐标系O’，新的工件坐标系O’位置为旋转外轴坐标系E的位置，新的工件坐标系O’的X轴和Z轴方向与机器人基座坐标系B的X轴和Z轴相同；
步骤5，计算点P1在新的工件坐标系O’的位姿；
其中，点P1在新的工件坐标系O’的位姿的计算公式为：
Figure FDA0002882612550000011
其中，
Figure FDA0002882612550000012
表示B坐标系的原点在O’坐标系下的位姿，
Figure FDA0002882612550000013
表示O坐标系的原点在B坐标系下的位姿；
步骤6，计算旋转外轴当前角度γ下点P1’的位姿；
其中，旋转外轴当前角度γ下点P1’的位姿，其计算公式为：
Figure FDA0002882612550000014
其中，
Figure FDA0002882612550000015
表示B坐标系的原点在O坐标系下的位姿；
Figure FDA0002882612550000016
表示E坐标系的原点在B坐标系下的位姿；
Figure FDA0002882612550000017
表示B坐标系的原点在E坐标系下的位姿；
Figure FDA0002882612550000018
表示O坐标系的原点在B坐标系下的位姿；
步骤7，计算
Figure FDA0002882612550000019
与工件坐标系O’X轴的夹角α；
步骤8，将α转换到[0°-360°]，计算符合条件的角度W2＝W1-α；
步骤9，取W2中绝对值小的角度，假设为β，P1所需旋转外轴的角度为γ+β；
步骤10，重复步骤5～9，计算出P2所需旋转外轴的角度；
步骤11，重复步骤5～9，直至计算出路径中所有点所需旋转外轴的角度，将路径中每个点所需旋转台的旋转角度作为增材程序的输入，用于更新增材程序。
2.根据权利要求1所述的大尺寸金属工件的电弧增材制造方法，其特征在于：步骤7中，
Figure FDA0002882612550000022
与工件坐标系O’X轴的夹角α，其计算公式为：
Figure FDA0002882612550000021
其中，
Figure FDA0002882612550000023
表示点
Figure FDA0002882612550000024
在工件坐标系O’中Y轴方向的投影，
Figure FDA0002882612550000026
表示点
Figure FDA0002882612550000025
在工件坐标系O’中X轴方向的投影。
3.根据权利要求2所述的大尺寸金属工件的电弧增材制造方法，其特征在于：α的范围为[-180°-180°]。
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