CN110695491B - 一种弯管变姿态堆焊打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种弯管变姿态堆焊打印方法，包括：(1)获取待加工的弯管模型，设定打印参数；(2)获取弯管的直径和扫掠路径线；(3)设定分割规则，如果需要分割，则构建至少一个垂直扫掠路径线的分割平面，将弯管模型分割为至少两个部分；(4)对弯管模型或其分割后的每一部分，以下端面的圆形轮廓作为基线进行曲面上连续等距偏置；(5)对所有基线及偏置线等距取点，获取该点的打印方向；(6)根据不同点的位置及打印方向，生成机器人运动代码；(7)将运动代码导入机器人控制器完成弯管变姿态打印。利用本发明，保证每部分弯管弯曲程度在一定范围内，并通过连续生成曲面上偏置线，保证层与层之间处处距离相等，保证成形稳定。

Description

一种弯管变姿态堆焊打印方法
技术领域
本发明属于变姿态增材制造技术领域，尤其是涉及一种弯管变姿态堆焊打印方法。
背景技术
增材制造技术俗称3D打印，是通过材料逐层添加堆积实现构件无模成形的数字化制造技术。近年来针对金属的增材制造技术飞速发展，很多通过铸造、机加工等传统方法难以加工或成本高昂的金属部件，可通过金属增材制造工艺快速实现。
目前，金属增材制造技术已经在诸多领域实现应用。其中，电弧增材制造具有高沉积率、制造周期短、丝材利用率高、低成本的特点。其成形件的致密度高、化学成分均匀，机械性能优良。
如公开号为CN207642290U的中国专利文献公开了一种单金属电弧式3D打印装置，包括X轴联动机构、Y轴联动机构、Z轴联动机构以及用于控制X轴联动机构、Y轴联动机构和Z轴联动机构进行三轴联动的控制系统，所述X轴联动机构上设有一个用于打印工件的焊枪，且该X轴联动机构安装在Z轴联动机构上可带动焊枪实现X方向和Z方向的移动；所述Y轴联动机构上设有可随其进行Y方向移动的工件基板，该工件基板位于焊枪的下方。
但电弧增材制造过程中，丝材变成高温融熔状态，如果采用传统的三自由度打印模式，堆焊成形悬臂结构(如弯管结构)时会发生严重的挂流坍塌现象。因此一般使用多自由度进行金属堆焊成形，如图1所示，工件2固定在变姿态平台3上，采用机械臂辅助打印，以保证焊枪1方向与工件2自支撑方向一致。
现有技术还提出了一种沿弯管的轴向进行多自由度打印弯管的方法，即垂直弯管的轴向进行切片的方法，如图2所示，图中(a)为弯管，(b)为弯管切片结果。该方法虽然可提高的弯管的机械强度，但是打印的层与层之间厚度不再均匀，成形不易稳定。
发明内容
本发明提供了一种弯管变姿态堆焊打印方法，生成非平面分层路径，保证层层之间处处距离相等，并且采用机械臂多自由度堆焊增材，提高了弯管的成形稳定性。
本发明的技术方案如下：
一种弯管变姿态堆焊打印方法，包括以下步骤：
(1)获取待加工的弯管模型，设定打印参数，所述打印参数包括增材过程层高、堆焊增材速度和送丝速度；
(2)获取弯管模型的直径以及扫掠路径线；
(3)设定弯管模型的分割规则，并根据规则，确定弯管模型是否需要分割；如果不需要分割，则直接执行步骤(4)，如果需要分割，则构建至少一个垂直于扫掠路径线的分割平面，将弯管模型分割为至少两个部分，然后执行步骤(4)；
(4)对弯管模型或其分割后的每一部分，以下端面的圆形轮廓作为基线进行曲面上连续等距偏置，偏置距离设定为增材过程层高；
(5)对所有基线及偏置线进行等距取点，并获取该点的打印方向；
(6)根据不同点的位置及打印方向，生成机器人运动代码；
(7)将运动代码导入机器人控制器完成弯管变姿态堆焊打印过程。
本发明的打印方法，对弯管模型分割后，保证每部分弯管弯曲程度在一定范围内，并且通过连续生成曲面上偏置线的方法保证了层与层之间处处层高相等，保证最后打印成形的稳定性。
弯管可以理解成由一个圆形轮廓沿着一条曲线扫掠形成，这个曲线就是本发明所述的扫掠路径线。
步骤(3)中，所述的分割规则为：在扫掠路径线上按0.8～1.2mm进行等距采点，并求出扫掠路径线上所有采点处的切线，以扫掠路径线起点处的切线为参照，依次判断每个采点处切线与起点处切线的夹角与预设角度θ的关系，如果所有采点处切线与起点处切线的夹角小于θ，则不进行分割；如果某个采点处切线与起点处切线的夹角大于或等于θ，则该采点更新为新的起点，并将该采点的前一个点作为分割平面要经过的点；以此类推，直到获得所有分割平面。
进一步的，在扫掠路径线上按1mm进行等距采点。
所述的预设角度θ为20～40度。优选的，所述的预设角度θ为30度。此角度较小可以保证每部分弯管弯曲程度较小，在偏置线作为路径时，机器人运动较为平缓，姿态变化平稳。此角度较大会减少分割平面数量，缩短路径生成时间。因此选择30度较为合适。
步骤(4)中，进行曲面上连续等距偏置的操作可以通过RhinoScript完成。
步骤(5)中，进行等距取点的距离优选为2mm。等距取点距离过小会加大运算量，增加路径生成时间，降低效率。等距取点距离过大，成形弯管表面不够圆滑，路径拐点明显。
步骤(5)中，每点的打印方向D由该点处弯管表面的法向N和该点处基线或偏置线的切向T的叉乘N×T获得。
通过曲面法向和基线或偏置线切向的叉乘获取打印方向的方法，避免了挂流现象的产生，保证了成形的稳定。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的弯管变姿态堆焊打印方法通过进行曲面上的曲线连续等距偏置获得非平面堆焊打印路径，避免了垂直弯管轴向进行平面切片导致相邻层之间不同位置距离不等即层高发生变化的问题，通过曲面法向和基线或偏置线切向的叉乘获取打印方向，保证成形的稳定性。
附图说明
图1为现有技术采用变姿态平台进行堆焊打印示意图；
图2为现有技术提出的垂直于弯管轴向进行切片的方法示意图；
图3为本发明一种弯管变姿态堆焊打印方法流程示意图；
图4为本发明实施例中弯管结构分割示意图；
图5为本发明实施例中弯管分割后偏置得到打印路径示意图；
图6为本发明实施例另一种结构的弯管模型的分割示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图3所示，一种弯管变姿态堆焊打印方法，包括以下步骤：
步骤1，获取待加工的弯管模型，设定增材过程层高为1.2mm，堆焊增材速度为0.011m/s，送丝速度为3.0m/min。
本实施例选用的打印材料为直径1.2mm的ER5356不锈钢焊丝。保护气体为2％的氧气和98％的氩气的混合气体。保护气流设定为20L/min。
步骤2，通过分析待加工的弯管模型，得到弯管直径为15mm及扫掠路径线为半径为75mm的90度圆弧。
步骤3，根据规则，建立了垂直于扫掠路径线的两个平面将弯管模型分为三个部分，三个部分的轴线均为30度圆弧。
具体的，如图4所示，弯管模型分割规则和过程为：在扫掠路径线上1mm等距采点，并求出扫掠路径线在所有采点处的切线。以扫掠路径线起点处的切线为参照，依次判断扫掠路径线的其他采点处的切线与起点处切线的夹角与30度的关系，如果所有采点处切线与起点处切线的夹角小于30度，则不进行分割；如果某采点处的切线与起点处的切线的夹角大于等于30度处，则该采点更新为新的起点，并将该采点的前一个点作为分割平面要经过的点。类似地，获得所有分割平面，完成弯管模型的分割。最终，本实施例的弯管被两个分割平面分成三个部分，如图5所示。
弯管模型也可以由多段圆弧组成，参见图6，图中，(a)表示两段圆弧组成的弯管模型，进行分割时，采用和上述同样的分割规则，首先也是在扫掠路径线上1mm等距采点，并求出扫掠路径线在所有采点处的切线，以扫掠路径线起点处的切线为参照，依次判断扫掠路径线的其他采点处的切线与起点处切线的夹角与30度的关系，以此判断是否需要分割，如图6中(b)所示。
步骤4，对分割后的每一部分，以一端截面圆形轮廓作为基线进行曲面上曲线等距偏置，这个过程可以通过RhinoScript完成。如图5所示，偏置距离为设定的增材过程层高1.2mm，得到一系列处处层高相等的偏置曲线(堆焊路径)。
步骤5，对所有基线及偏置线进行2mm等距取点，并获取该点的打印方向。参见图5所示，每点的打印方向D由该点处弯管表面的法向N和该点处基线或偏置线的切向T的叉乘N×T获得。
步骤6，由步骤S105中获得的不同点的位置及打印姿态，生成机器人运动pdl代码。
步骤7，将运动代码导入Comau机器人控制器完成弯管变姿态打印过程。
本发明对弯管模型分割后，保证每部分弯管弯曲程度在一定范围内，并且通过连续生成曲面上偏置线的方法保证了层与层之间处处层高相等。另外通过曲面法向和基线或偏置线切向的叉乘获取打印方向的方法，避免了挂流现象的产生，保证了成形的稳定。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种弯管变姿态堆焊打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取待加工的弯管模型，设定打印参数，所述打印参数包括增材过程层高、堆焊增材速度和送丝速度；
(2)获取弯管模型的直径以及扫掠路径线；
(3)设定弯管模型的分割规则，并根据规则，确定弯管模型是否需要分割；如果不需要分割，则直接执行步骤(4)，如果需要分割，则构建至少一个垂直于扫掠路径线的分割平面，将弯管模型分割为至少两个部分，然后执行步骤(4)；
所述的分割规则为：在扫掠路径线上按0.8～1.2mm进行等距采点，并求出扫掠路径线上所有采点处的切线，以扫掠路径线起点处的切线为参照，依次判断每个采点处切线与起点处切线的夹角与预设角度θ的关系，如果所有采点处切线与起点处切线的夹角小于θ，则不进行分割；如果某个采点处切线与起点处切线的夹角大于或等于θ，则该采点更新为新的起点，并将该采点的前一个点作为分割平面要经过的点；以此类推，直到获得所有分割平面；
(4)对弯管模型或其分割后的每一部分，以下端面的圆形轮廓作为基线进行曲面上连续等距偏置，偏置距离设定为增材过程层高；
(5)对所有基线及偏置线进行等距取点，并获取该点的打印方向；
(6)根据不同点的位置及打印方向，生成机器人运动代码；
(7)将运动代码导入机器人控制器完成弯管变姿态堆焊打印过程。
2.根据权利要求1所述的弯管变姿态堆焊打印方法，其特征在于，在扫掠路径线上按1mm进行等距采点。
3.根据权利要求1所述的弯管变姿态堆焊打印方法，其特征在于，所述的预设角度θ为20～40度。
4.根据权利要求1所述的弯管变姿态堆焊打印方法，其特征在于，所述的预设角度θ为30度。
5.根据权利要求1所述的弯管变姿态堆焊打印方法，其特征在于，步骤(4)中，进行曲面上连续等距偏置的操作通过RhinoScript完成。
6.根据权利要求1所述的弯管变姿态堆焊打印方法，其特征在于，步骤(5)中，进行等距取点的距离设为2mm。
7.根据权利要求1所述的弯管变姿态堆焊打印方法，其特征在于，步骤(5)中，每点的打印方向D由该点处弯管表面的法向N和该点处基线或偏置线的切向T的叉乘N×T获得。
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