CN110227874B - 一种金属工件的电弧增材制造方法 - Google Patents

一种金属工件的电弧增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属工件的电弧增材制造方法，针对金属工件中的无支撑区域，本发明方法能够对无支撑区域中的每一个点计算支撑点和计算支撑角，从而在增材每个点时通过旋转外轴向机器人翻转支撑角后进行增材制造，实现对含有悬空区域金属工件的增材制造。

Description

一种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工件的电弧增材制造方法，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按Z方向进行分层切片和路径规划，输出程序到焊接机器人进行增材作业。由于工件的特殊性，切片的结果中部分路径下无支撑，导致无法进行逐层堆积实现工件的成型。
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能自动识别工件中的无支撑区域，生成填充路径，并且对路径中的每一个点计算支撑点，计算支撑角，在增材每个点时通过旋转外轴向机器人翻转支撑角后进行增材制造的方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种金属工件的电弧增材制造方法，具体包括如下步骤：
步骤1，对零部件数模按Z方向进行分层切片，得到每层切片的横截面；
步骤2，比较上下两层的横截面，求第N+1层与第N层的差，得到多边形集合C；
步骤3，若多边形集合C为空，则说明第N+1层没有悬空区域；若多边形集合C不为空，则说明第N+1层有悬空区域，且悬空区域为D；
步骤4，确定悬空区域D的内外边界，将内边界由内向外的偏置生成在悬空区域内的填充线F；内边界为第N+1层悬空区域D与第N层的接触部，外边界为第N+1层悬空区域D本身的边界；填充线F是一个集合，悬空区域D通过多条的填充线F填充满；每条填充线F所需要的翻转角度（即旋转外轴向机器人的翻转角度）是不同的，但是每条填充线F上每个点所需旋转外轴向机器人的翻转角度是一样的；
步骤5，先填充第N+1层未悬空区域，再利用填充线F对悬空区域D进行填充；
计算每条填充线F所需要的翻转角度：步骤6，假设第N层的Z值为Z，第N+1层的Z值为Z+2，计算该条填充线F中每一个点
Figure 596523DEST_PATH_IMAGE001
在第N层的支撑点；
步骤7，构造点
Figure 85274DEST_PATH_IMAGE002
，求第N层横截面的中心点
Figure 540395DEST_PATH_IMAGE003
，计算线段O
Figure 532621DEST_PATH_IMAGE004
与第N层横截面的交点
Figure 431307DEST_PATH_IMAGE005
，点M即为点
Figure 876195DEST_PATH_IMAGE006
在第N层的支撑点；
步骤8，Z轴正方向点
Figure 406446DEST_PATH_IMAGE007
计算向量M
Figure 518758DEST_PATH_IMAGE008
与向量O
Figure 588345DEST_PATH_IMAGE009
的夹角
Figure 786108DEST_PATH_IMAGE010
，夹角
Figure 599344DEST_PATH_IMAGE011
为点
Figure 831742DEST_PATH_IMAGE012
的支撑角，在增材点
Figure 321498DEST_PATH_IMAGE008
时，也就是在增材该条填充线F时，旋转外轴需要朝机器人翻转
Figure 6557DEST_PATH_IMAGE013
；
步骤9，重复步骤6~8，计算出每条填充线F所需要的支撑角（支撑角即旋转外轴需要朝机器人的翻转角）；
步骤10，将计算得到的每条填充线F所需旋转外轴向机器人的翻转角度作为增材程序的输入，机器人按照计算出的增材路径进行增材制造。
相比于现有技术，本发明的技术方案所具有的有益效果为：
针对金属工件中的无支撑区域，本发明方法能够对无支撑区域中的每一个点计算支撑点和计算支撑角，从而在增材每个点时通过旋转外轴向机器人翻转支撑角后进行增材制造，实现对含有悬空区域金属工件的增材制造。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为采用本发明方法制得金属工件的结构示意图；
图3为图2的工件在第N+1层存在悬空区域D时，悬空区域D采用多条的相同填充线F填充满；
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。
金属工件的特征：金属工件中存在悬空（无支撑）区域，如图2所示。
如图1所示，本发明金属工件的电弧增材制造方法，具体包括如下步骤：
步骤1，对零部件数模按Z方向进行分层切片，得到每层切片的横截面；
步骤2，比较上下两层的横截面，求第N+1层与第N层的差，得到多边形集合C；
步骤3，若多边形集合C为空，则说明第N+1层没有悬空区域；若多边形集合C不为空，则说明第N+1层有悬空区域，且悬空区域为D；
步骤4，确定悬空区域D的内外边界，将内边界由内向外的偏置生成在悬空区域内的填充线F；内边界为第N+1层悬空区域D与第N层的接触部，外边界为第N+1层悬空区域D本身的边界；填充线F是一个集合，悬空区域D通过多条的填充线F填充满；每条填充线F所需要的翻转角度（即旋转外轴向机器人的翻转角度）是不同的，但是每条填充线F上每个点所需旋转外轴向机器人的翻转角度是一样的；
步骤5，先填充第N+1层未悬空区域，再利用填充线F对悬空区域D进行填充；
计算每条填充线F所需要的翻转角度：步骤6，假设第N层的Z值为Z，第N+1层的Z值为Z+2，计算该条填充线F中每一个点
Figure 623483DEST_PATH_IMAGE001
在第N层的支撑点；
步骤7，构造点
Figure 710388DEST_PATH_IMAGE002
，求第N层横截面的中心点
Figure 121778DEST_PATH_IMAGE003
，计算线段O
Figure 294133DEST_PATH_IMAGE004
与第N层横截面的交点
Figure 432859DEST_PATH_IMAGE005
，点M即为点
Figure 639850DEST_PATH_IMAGE006
在第N层的支撑点；
步骤8，Z轴正方向点
Figure 222141DEST_PATH_IMAGE007
计算向量M
Figure 616213DEST_PATH_IMAGE008
与向量O
Figure 309362DEST_PATH_IMAGE009
的夹角
Figure 620127DEST_PATH_IMAGE010
，夹角
Figure 638898DEST_PATH_IMAGE011
为点
Figure 785846DEST_PATH_IMAGE012
的支撑角，在增材点
Figure 17107DEST_PATH_IMAGE008
时，也就是在增材该条填充线F时，旋转外轴需要朝机器人翻转
Figure 933111DEST_PATH_IMAGE013
；
步骤9，重复步骤6~8，计算出每条填充线F所需要的支撑角（支撑角即旋转外轴需要朝机器人的翻转角）；
步骤10，将计算得到的每条填充线F所需旋转外轴向机器人的翻转角度作为增材程序的输入，机器人按照计算出的增材路径进行增材制造。（将所有路径（包括点坐标、支撑角）保存成G代码程序，上传到机器人系统，进行增材制造。）
如图3所示，悬空区域D采用多条的相同填充线F填充满；每条填充线F均为闭合的曲线，每条填充线F在填充过程中需要旋转外轴向机器人翻转的角度是不同的。

Claims (4)

1.一种金属工件的电弧增材制造方法，首先对零部件数模按Z方向进行分层切片，得到每层切片的横截面；其特征在于，还包括如下其它步骤：
步骤1，比较上下两层的横截面，求第N+1层与第N层的差，得到多边形集合C；
步骤2，若多边形集合C为空，则说明第N+1层没有悬空区域；若多边形集合C不为空，则说明第N+1层有悬空区域，且悬空区域为D；
步骤3，确定悬空区域D的内外边界，将内边界由内向外的偏置生成在悬空区域内的填充线F；
步骤4，先填充第N+1层未悬空区域，再利用填充线F对悬空区域D进行填充；
步骤5，计算每条填充线F所需要的支撑角：
步骤6，计算出每条填充线F所需要的支撑角后，将计算得到的每条填充线F所需旋转外轴向机器人的翻转角度作为增材程序的输入，机器人按照计算出的增材路径进行增材制造。
2.根据权利要求1所述的金属工件的电弧增材制造方法，其特征在于：步骤3中，悬空区域D的内边界为第N+1层悬空区域D与第N层的接触部，悬空区域D的外边界为第N+1层悬空区域D本身的边界。
3.根据权利要求1所述的金属工件的电弧增材制造方法，其特征在于：步骤3中，填充线F是一个集合，悬空区域D通过多条的填充线F填充满；每条填充线F所需要的支撑角是不同的，但是每条填充线F上每个点所需旋转外轴向机器人的翻转角度是一样的。
4.根据权利要求1所述的金属工件的电弧增材制造方法，其特征在于：步骤5，计算每条填充线F所需要的支撑角，具体为：（1）假设第N层的Z值为Z，第N+1层的Z值为Z+2，计算该条填充线F中每一个点
Figure DEST_PATH_IMAGE001
在第N层的支撑点；（2）构造点
Figure 349094DEST_PATH_IMAGE002
，求第N层横截面的中心点
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，计算线段O
Figure 351685DEST_PATH_IMAGE004
与第N层横截面的交点
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，点M即为点
Figure 78333DEST_PATH_IMAGE006
在第N层的支撑点；（3）Z轴正方向点
Figure DEST_PATH_IMAGE007
计算向量M
Figure 695128DEST_PATH_IMAGE008
与向量O
Figure DEST_PATH_IMAGE009
的夹角
Figure 77699DEST_PATH_IMAGE010
，夹角
Figure 149560DEST_PATH_IMAGE011
即为点
Figure DEST_PATH_IMAGE012
的支撑角，在增材该条填充线F时，旋转外轴需要朝机器人翻转
Figure 979982DEST_PATH_IMAGE011
。
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