CN110340485B - 一种悬臂结构的定向能量沉积五轴熔积方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于定向能量沉积领域，并公开了一种悬臂结构的定向能量沉积五轴熔积方法。该方法包括下列步骤：(a)对于基体结构上的待成形悬臂结构，将待成形悬臂结构进行切片，对每个切片层进行轨迹填充，获得熔积轨迹；(b)对熔积轨迹上每个点进行五轴空间变换，使得每个点均处于焊枪可达到的位置，以此获得每个点的终止变换点,计算每个终止变换点的进给速度，以此获得所有终止变换点的进给速度；(c)对熔积轨迹进行尖角处理，对尖角处理后的轨迹进行焊接顺序的规划,以此确定待成形悬臂结构的五轴熔积成形工艺。通过本发明，使五轴熔积焊道表面形貌良好,降低了电弧增材悬臂结构的成形难度，提高成品率，减少了材料与能源的浪费。

Description

一种悬臂结构的定向能量沉积五轴熔积方法
技术领域
本发明属于定向能量沉积领域，更具体地，涉及一种悬臂结构的定向能量沉积五轴熔积方法。
背景技术
悬臂结构是指，在指定零件工装底面后，基体结构存在工装底面且与该结构连接，而该结构悬空处于基体结构表面而没有与工装底面直接连接。这种带有悬臂特征的结构由于成形特点不同，如果仍然按照正常的工艺参数加工经常导致成形件的形状精度、尺寸精度不能达到要求，严重时零件产生形变加工失败导致零件报废，甚至对设备造成损坏。
电弧熔积增材制造与大功率激光和电子束增材制造技术相比，弧柱直径大，成型效率高，冶金过程充分，易得到致密组织，设备运行和维护成本低。但在加工具有悬臂结构特征的零件时，由于温度梯度较大，更容易形成挂渣和翘曲变形，从而影响形状和尺寸精度。所以在一定程度上悬臂结构的成功成形一直都是定向能量沉积工艺面临的一大难题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种悬臂结构的定向能量沉积五轴熔积方法，通过采用五轴空间变换使得熔积轨迹上的每个点均处于焊枪可到达的位置，减少焊接后熔池流淌，使五轴熔积焊道表面形貌良好，降低电弧增材悬臂结构的成形难度，提高成品率，减少材料与能源的浪费。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种悬臂结构的定向能量沉积五轴熔积方法，该方法包括下列步骤：
(a)对于基体结构上的待成形悬臂结构，将所述待成形悬臂结构的三维模型沿垂直其特征曲面的方向进行切片，获得多个平行于所述特征曲面的切片层，对每个切片层进行焊接轨迹的填充，以此获得每个所述切片层中的熔积轨迹，其中，所述特征曲面是所述悬臂结构与基体结构的相交面；
(b)对所述熔积轨迹上的每个点进行五轴空间变换，使得每个点均处于焊枪可达到的位置，以此获得所述熔积轨迹上每个点对应的终止变换点,利用所述五轴空间变换中的几何关系计算每个所述终止变换点处焊枪的进给速度，以此获得所有终止变换点处焊枪的进给速度；
(c)对所述熔积轨迹进行尖角处理，对尖角处理后的轨迹进行焊接顺序的规划,以此确定所述待成形悬臂结构的五轴熔积成形工艺。
进一步优选地，在步骤(b)中，所述五轴空间变换优选按照下列步骤进行：
(b1)将所述基体结构放置在五轴联动系统中的二轴转台上，以所述转台底面为水平面，焊枪方向为Z轴方向建立三维坐标系，设定所述熔积轨迹上的点P1，该点的初始向量和该点所在的终止向量，以及五轴变换中心点；
(b2)利用几何关系求解获得点P1与其终止点P′1之间的五轴空间变换的转换关系。
进一步优选地，在步骤(b1)中，所述初始向量的方向为所述点P1所在切片层的法向方向，所述终止向量的方向沿所述Z轴方向，所述五轴变换中心点为所述二轴转台的中心点。
进一步优选地，在步骤(b1)中，对于所述熔积轨迹最外侧的一道轨迹上的轨迹外侧点Q，其初始向量为将Q点所在切片层的法向量n向该点所在熔积轨迹的外侧偏移预设角度λ获得的向量n′，其中，所述轨迹外侧点是：相对于与Q所在切片层相邻的已成形的切片层而言，所述点Q是悬空的。
进一步优选地，在步骤(b2)中，所述点P1与其终止点P1end之间的五轴空间变换的转换关系优选按照下列进行：
Figure BDA0002107341160000031
其中，
Figure BDA0002107341160000032
或者
Figure BDA0002107341160000033
α、β、γ、α′、β′和γ′均为中间变量，XC，YC和ZC分别是所述五轴变换中心点的X、Y和Z轴的坐标，
Figure BDA0002107341160000035
和
Figure BDA0002107341160000036
分别是所述初始向量X、Y和Z轴的坐标,
Figure BDA0002107341160000037
和
Figure BDA0002107341160000038
是所述终止向量X、Y和Z轴的坐标。
进一步优选地，在步骤(b)中，所述计算每个所述终止变换点的进给速度优选按照下列表达式进行：
Figure BDA0002107341160000034
其中，P1和P2是所述熔积轨迹上两个相邻的点，|P1P2|是在所述熔积轨迹上两点之间的距离，P1end和P2end分别是P1和P2的终止变换点，|P1endP2end|是终止变换点P1end和P2end之间的距离，V1red是点P1end的焊枪进给速度，Vs是点P2end的焊枪进给速度。
进一步优选地，在步骤(b)中，获得所述终止变换点对应的进给速度后，预先设定焊枪的最大进给速度，当计算获得的终止变换点的进给速度大于所述最大进给速度时，将所述终止点变换点的进给速度设定为最大进给速度。
进一步优选地，在步骤(c)中，所述尖角处理优选按照下列步骤进行：
(c1)所述熔积轨迹上一条连续的轨迹为一道轨迹，对于每道轨迹，在其尖角处的顶点处将其打断为两条轨迹或者进行平滑处理，该平滑处理是通过采用B样条曲线拟合获得圆弧；
(c2)对于在尖角处被打断的相邻的两道轨迹，当两道轨迹的尖角处顶点的距离大于预设值时，将所述两道轨迹尖角处的顶点相连，形成一条焊接轨迹。
进一步优选地，在步骤(c)中，所述规划焊接顺序优选按照下列准则进行：1)首先焊接所述熔积轨迹的最外侧轨迹的悬臂轨迹，悬臂轨迹是指该轨迹相对于下方相邻的已成型的切片层而言，该轨迹是悬空的；2)最外侧轨迹两个顶点中曲率大的顶点作为收弧点，另外一个顶点作为起弧点；3)焊道搭接方向一致，搭接方向是指相邻的轨迹之间焊枪的移动方向；4)尽量少的空程。
进一步优选地，在步骤(a)中，所述对每个切片层进行焊接轨迹的填充优选等距直线或曲线填充。
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，能够取得下列有益效果：
1、本发明通过采用五轴空间变换使得熔积轨迹上每个点均能处于焊枪可达到的位置，同时避免焊接后熔池流淌，利用五轴空间变换后的几何关系，可计算获知每个点的进给速度，以此方式使得悬臂结构的熔积成形得以实现；
2、本发明在五轴空间变换中通过对每个点的初始向量和终止向量的设置，其中将每个点的终止向量均设置为Z轴方向，即使得每次焊接成型该点时，焊枪均可以垂直进行焊接，，而对于熔积轨迹最外侧轨迹上的轨迹外侧点，将其初始向量设定为法向量旋转一定角度后获得的向量，使得已成形区域能够为当前熔积轨迹提供承载面，降低熔池流淌的可能性；
3、本发明在设定熔积工艺时对尖角进行处理，使得每道轨迹的尖角要么被打断，要么进行平滑处理，避免焊枪在尖角顶点处速度方向和大小的突变。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的悬臂结构的定向能量沉积五轴熔积方法的流程图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的悬臂结构的示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的悬臂结构的轨迹填充示意图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的五轴空间变换的示意图；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的熔积轨迹最外侧轨迹上的轨迹外侧点的初始向量设定示意图；
图6是按照本发明的优选实施例所构建的尖角平滑处理示意图；
图7是按照本发明的优选实施例所构建的尖角打断后顶点相连的示意图；
图8是按照本发明的优选实施例所构建的焊接顺序的示意图。
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。
基体结构设置在工装底面上，基体结构上设置有悬臂结构，悬臂结构与工装底面没有直接连接，处于悬空状态，即基体结构上悬空的结构称为悬臂结构，如图2所示，基体结构为圆锥体，悬臂结构为叶片，如图1所示，一种悬臂结构的定向能量沉积五轴熔积方法，该方法包含以下步骤：
(a)通过特征曲面切片，得到悬臂结构的切片轮廓，并在特征曲面上进行切片轮廓的轨迹填充，即得到基于特征曲面的熔积轨迹；特征曲面是指悬臂结构与基体结构相交的面称为特征曲面，特征曲面切片是指将特征曲面沿其曲面法向偏移或沿悬臂结构延展方向等距偏移从而与悬臂结构相交得到一组特征曲面切片轮廓，如图3所示，切片轮廓的轨迹填充是指在所处特征曲面上利用等距直线或曲线填充轮廓。
(b)在得到熔积轨迹后，对该轨迹进行基于向量的五轴空间变换。五轴是指焊枪平移的三个自由度以及零件工装所固定的转台旋转的两个自由度，变换方式如下：
如图4所示，将基体结构放置在五轴系统中的二轴转台上，建立空间坐标系，对于熔积轨迹上的一初始变换点，设定其初始向量、终止向量、五轴变换中心点，根据五轴空间变换算法，计算得到该点的终止变换点，对于某些点，可通过多次进行五轴空间变换使其变换至焊枪能达到的位置；
该初始变换点，其初始向量为该点在特征曲面上对应的面法向，终止向量为熔积轨迹所在坐标系OXYZ的Z轴方向；
如图5所示，该初始变换点，若处在熔积轨迹的最外侧轨迹上，且向熔积轨迹外侧偏离其下一层相邻切片层的熔积轨迹，则将其初始向量由在特征曲面上对应的面法向熔积轨迹外侧偏转一定角度，终止向量保持不变，本实施例偏移角度λ取5度；
(c)在熔积轨迹的五轴空间变换后，给终止变换点设定焊枪在该点的进给速度。设定方式如下：
根据两个比值的等量关系，匹配焊枪在该点的进给速度。这两个比值分别为，熔积轨迹上该初始变换点和其相邻下一点间距与他们对应的终止变换点间距的比值，熔积速度与焊枪在该初始点进给速度的比值。
如图6所示，若熔积轨迹存在曲率较大的尖点，或将待变换点的初始向量由面法向向外侧偏移一定角度，则在进行速度匹配后，给与焊枪得进给速度可能发生突变，因而需要对熔积轨迹的尖点进行平滑处理，采用B样条曲线对熔积轨迹在误差允许范围内进行拟合，减小曲率；另外，需要对焊枪得进给速度设定一最高阈值，此阈值应低于机床或机器人传动系统能承受的突变速度，防止过强突变损坏设备，本实施例设定的速度最高阈值为2000mm/min。
(d)确定悬臂结构五轴熔积工艺。为使五轴熔积焊道表面形貌良好，对熔积轨迹进行后处理，包括尖角处理，为减小五轴熔积熔池的流淌，对熔积轨迹的后处理轨迹，合理编排焊接顺序。
尖角处理优选按照下列步骤进行：
(c1)所述熔积轨迹上一条连续的轨迹为一道轨迹，对于每道轨迹，在其尖角处的顶点处将其打断为两条轨迹或者进行平滑处理，该平滑处理是通过采用B样条曲线拟合获得圆弧；
(c2)如图7所示，对于在尖角处被打断的相邻的两道轨迹，当两道轨迹的尖角处顶点的距离大于预设值时，将所述两道轨迹尖角处的顶点相连，形成一条焊接轨迹。
进一步地，在步骤(b)中，基于向量的五轴空间变换方法如下：
在熔积轨迹上一初始变换点
Figure BDA0002107341160000072
其初始向量为
Figure BDA0002107341160000073
Figure BDA0002107341160000074
终止向量为
Figure BDA0002107341160000075
五轴变换中心点为C(Xc，Yc，Zc，)，那么其终止变换点为
Figure BDA0002107341160000071
其中，
Figure BDA0002107341160000081
或者
Figure BDA0002107341160000082
α、β、γ、α′、β′和γ′均为中间变量，XC，YC和ZC分别是所述五轴变换中心点的X、Y和Z轴的坐标，
Figure BDA0002107341160000084
和
Figure BDA0002107341160000085
分别是所述初始向量X、Y和Z轴的坐标,
Figure BDA0002107341160000087
和
Figure BDA0002107341160000086
是所述终止向量X、Y和Z轴的坐标。
进一步地，如图5所示，在步骤(b)中，熔积轨迹外侧是指：对于熔积轨迹上一点p，其初始向量为特征曲面上的面法向n，其熔积轨迹切向量为t，以n与t构建平面，那么熔积轨迹内侧是指该平面靠近熔积轨迹的一侧，熔积轨迹外侧是指该平面远离熔积轨迹的一侧。
进一步地，在步骤(c)中，焊枪在终止变换点的进给速度匹配方法如下：
熔积速度是指在电弧焊接过程中焊丝尖点相对于工件上熔积点的速度，焊枪进给速度是指焊枪实际的运动速度，可在机床数控代码或机器人代码中人为设定。在工件不移动时，熔积速度与焊枪进给速度相等，但是在五轴熔积过程中，工件也在移动，因而两者可能不相等。为保证熔积速度恒定，需要计算焊枪进给速度并在机床数控代码或机器人代码中设定。
若已知初始变换点为P1，P1和P2是熔积轨迹上两个相邻的点，|P1P2|是在所述熔积轨迹上两点之间的距离，P1end和P2end分别是P1和P2的终止变换点，|P1endP2end|是终止变换点P1end和P2end之间的距离，V1red是点P1end的焊枪进给速度，Vs是点P2end的焊枪进给速度。
Figure BDA0002107341160000083
进一步地，在步骤(d)中，需要对熔积轨迹进行后处理，措施如下：
在五轴熔积过程中，在相邻两道熔积轨迹尖点之间可能存在孔洞，在外轮廓处可能出现流淌，最内道可能出现未熔合和且局部凸起，因而需要对应的采取尖角处理。
进一步地，在步骤(d)中，需要合理编排后处理轨迹的焊接顺序，原则如下：
首先，最先焊接外道轮廓悬臂侧轨迹，外道轮廓尤其是悬臂侧的焊接容易出现流淌。所谓悬臂侧是指熔积点处在已成形焊道外的一侧，熔池没有附着点或只有较少附着点，考虑到焊接热量集中会增强金属液的流动性，最先焊接外道轮廓悬臂侧轨迹。
其次，焊接收弧点选在外道轮廓悬臂侧尖点处。结合五轴联动的特点，即当前焊接点处于曲面局部最高点，若在悬臂侧尖点处没有收弧，停止工件的运动，那么在下一刻，尖点将不再是最高点而向较低处运动。而悬臂侧尖点熔池附着点较少，极容易出现流淌。因此焊接收弧点选在外道轮廓悬臂侧尖点处。
另外，为保证相邻焊道良好的搭接，搭接方向应保持一致。所谓搭接方向一致是指焊道依次向一侧排布，保证焊接每一道时只与一侧有搭接。若搭接方向不一致，可能会出现与两侧焊道有搭接的情况，难以保证两侧搭接率都在设定参数以内，导致较差的焊接质量。
最后，应考虑焊接效率，减少空走行程。在焊接之前，合理安排焊接顺序，使得焊接过程顺畅。
本实施例中，如图8所示，叶片的焊接顺序：依次焊接焊道1～6，其中焊道1由A点起弧，到D点收弧；焊道2由B点起弧，到A点收弧焊道3由B点起弧，到C点收弧；焊道4由C点起弧，到D点收弧；焊道5由C点起弧，到B点收弧；焊道6由A点起弧，D点收弧。
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 (9)

1.一种悬臂结构的定向能量沉积五轴熔积方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)对于基体结构上的待成形悬臂结构，将所述待成形悬臂结构的三维模型沿垂直其特征曲面的方向进行切片，获得多个平行于所述特征曲面的切片层，对每个切片层进行焊接轨迹的填充，以此获得每个所述切片层中的熔积轨迹，其中，所述特征曲面是所述悬臂结构与基体结构的相交面；
(b)对所述熔积轨迹上的每个点进行五轴空间变换，使得每个点均处于焊枪可达到的位置，以此获得所述熔积轨迹上每个点对应的终止变换点,利用所述五轴空间变换中的几何关系计算每个所述终止变换点处焊枪的进给速度，以此获得所有终止变换点处焊枪的进给速度，其中，所述五轴空间变换按照下列步骤进行：
(b1)将所述基体结构放置在五轴联动系统中的二轴转台上，以所述转台底面为水平面，焊枪方向为Z轴方向建立三维坐标系，设定所述熔积轨迹上的点P1，该点的初始向量和该点所在的终止向量，以及五轴变换中心点；
(b2)利用几何关系求解获得点P1与其终止点P′1之间的五轴空间变换的转换关系；
(c)对所述熔积轨迹进行尖角处理，对尖角处理后的轨迹进行焊接顺序的规划,以此确定所述待成形悬臂结构的五轴熔积成形工艺。
2.如权利要求1所述的一种悬臂结构的定向能量沉积五轴熔积方法，其特征在于，在步骤(b1)中，所述初始向量的方向为所述点P1所在切片层的法向方向，所述终止向量的方向沿所述Z轴方向，所述五轴变换中心点为所述二轴转台的中心点。
3.如权利要求1所述的一种悬臂结构的定向能量沉积五轴熔积方法，其特征在于，在步骤(b1)中，对于所述熔积轨迹最外侧的一道轨迹上的轨迹外侧点Q，其初始向量为将Q点所在切片层的法向量n向该点所在熔积轨迹的外侧偏移预设角度λ获得的向量n′，其中，所述轨迹外侧点是：相对于与Q所在切片层相邻的已成型的切片层而言，所述点Q是悬空的。
4.如权利要求1所述的一种悬臂结构的定向能量沉积五轴熔积方法，其特征在于，在步骤(b2)中，所述点P1与其终止点P1end之间的五轴空间变换的转换关系按照下列进行：
Figure FDA0002540066080000021
其中，
Figure FDA0002540066080000022
或者
Figure FDA0002540066080000023
α、β、γ、α′、β′和γ′均为中间变量，XC，YC和ZC分别是所述五轴变换中心点的X、Y和Z轴的坐标，
Figure FDA0002540066080000024
和
Figure FDA0002540066080000025
分别是所述初始向量X、Y和Z轴的坐标,
Figure FDA0002540066080000026
和
Figure FDA0002540066080000027
是所述终止向量X、Y和Z轴的坐标。
5.如权利要求1所述的一种悬臂结构的定向能量沉积五轴熔积方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述计算每个所述终止变换点的进给速度按照下列表达式进行：
Figure FDA0002540066080000028
其中，P1和P2是所述熔积轨迹上两个相邻的点，|P1P2|是在所述熔积轨迹上两点之间的距离，P1end和P2end分别是P1和P2的终止变换点，|P1endP2end|是终止变换点P1end和P2end之间的距离，V1end是点P1end的焊枪进给速度，Vs是点P2end的焊枪进给速度。
6.如权利要求1所述的一种悬臂结构的定向能量沉积五轴熔积方法，其特征在于，在步骤(b)中，获得所述终止变换点对应的进给速度后，预先设定焊枪的最大进给速度，当计算获得的终止变换点的进给速度大于所述最大进给速度时，将所述终止变换点的进给速度设定为最大进给速度。
7.如权利要求1所述的一种悬臂结构的定向能量沉积五轴熔积方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述尖角处理按照下列步骤进行：
(c1)所述熔积轨迹上一条连续的轨迹为一道轨迹，对于每道轨迹，在其尖角处的顶点处将其打断为两条轨迹或者进行平滑处理，该平滑处理是通过采用B样条曲线拟合获得圆弧；
(c2)对于在尖角处被打断的相邻的两道轨迹，当两道轨迹的尖角处顶点的距离大于预设值时，将所述两道轨迹尖角处的顶点相连，形成一条焊接轨迹。
8.如权利要求1所述的一种悬臂结构的定向能量沉积五轴熔积方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述规划焊接顺序按照下列准则进行：1)首先焊接所述熔积轨迹的最外侧轨迹的悬臂轨迹，悬臂轨迹是指该轨迹相对于下方相邻的已成形的切片层而言，该轨迹是悬空的；2)最外侧轨迹两个顶点中曲率大的顶点作为收弧点，另外一个顶点作为起弧点；3)焊道搭接方向一致，搭接方向是指相邻的轨迹之间焊枪的移动方向；4)尽量少的空程。
9.如权利要求1所述的一种悬臂结构的定向能量沉积五轴熔积方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述对每个切片层进行焊接轨迹的填充为等距直线或曲线填充。
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