CN111390344B - 一种层内无搭接的电弧增材制造路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种层内无搭接的电弧增材制造路径规划方法，适用于电弧增材制造过程，可解决现有电弧增材路径规划方法造成的起弧点、收弧点、多道搭接处过多导致成形质量不稳定，以及程序量大、需要分部上传程序导致效率降低的问题。该方法对电弧增材制造结构件添加加工余量，使其分层截面形状简化为带有余量的、较为规则的形状，在此基础上提取分层截面上的线型特征组合，并进一步形成线型路径，最后依靠摆动填充完成截面内的增材路径规划。该方法大大减少了电弧增材制造程序语句及起弧、收弧点数量，消除了道间搭接，有助于电弧增材制造效率与质量的提升。

Description

一种层内无搭接的电弧增材制造路径规划方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术，特别涉及一种电弧增材制造路径规划方法，适用于电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM)过程。

背景技术

增材制造技术是近年来新兴并快速发展的一种制造技术。电弧增材制造技术基于传统的焊接工艺，以三维模型为基础，依靠电弧为热源，依托机床、机械臂或其他运动装置进行空间轨迹运动，按照分层切片、路径规划程序，通过逐层熔化沉积金属丝成形结构件。

在电弧增材制造过程中，需要对模型进行分层切片，并对每个切片截面进行路径规划，再使用机器人或机床等运动装置实现预设轨迹的运动。对于复杂构件某一截面的增材路径规划，一般有两类路径规划方法，一是基于扫描填充的路径规划方法，二是基于轮廓填充的路径规划方法。前者一般先沉积截面轮廓，再将截面上轮廓内的部分进行全部扫描填充；后者一般依据单道沉积宽度，对一层内的各形状轮廓进行不同比例的相似轮廓扫描，两种轨迹规划的方法示意图如图1。在上述路径规划方法中，当一道成形的宽度有限时，一方面可采用多道搭接的方式填充截面形状(多道搭接示意如图2)，另一方面可使用焊枪摆动的方法提高单道成形宽度(如图3)。

为解决电弧增材制造多道搭接时容易在搭接处产生缺陷的问题，专利《一种基于机械臂摆动的电弧增材制造道间搭接方法》(申请公布号：CN107876938A，申请号：201710959782.5)公开了一种通过焊枪摆动提高电弧增材制造单道沉积的润湿性，从而改善道间搭接处性能的电弧增材道间搭接方法。但是该方法无法完全避免道间搭接，其分层路径规划时仍有大量需要搭接的轨迹。

为解决电弧增材制造多道搭接成形大壁厚铝合金结构件时道间搭接处力学性能不良的问题，专利《一种单道电弧摆动增材成形大壁厚铝合金结构件的方法》(申请公布号：CN107052520A，申请号：201710250370.4)公开了一种通过焊枪摆动增加单道沉积成形宽度制造大壁厚铝合金结构件的方法，在一定的摆动参数下可实现20mm壁厚铝合金结构件的电弧增材。但是，该方法在壁厚大于20mm时仍需使用搭接轨迹，并且未提出如何在路径规划时减少或消除搭接。

对于某一结构件的任意截面，其可能存在多个区域，区域形状可为复杂不规则形状。现有基于多道搭接的路径规划方式会使电弧增材层内存在大量的起弧点、收弧点(起弧点和收弧点为连续轨迹的端点，如图4)，且程序数据量巨大。每层成形的程序数据增加会导致整体程序数据量增加，特别是对于复杂结构件，将使得整体程序数据量过大，由于电弧增材设备无法一次储存足够多的数据，因此会造成程序数据需分多次读取、删除、再读取，降低生产效率。起弧点、收弧点和层内多道搭接处易产生缺陷，起弧、收弧及层内道间搭接情况出现过多会影响产品质量，导致成形结构件废品率提升。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种层内无搭接的电弧增材制造路径规划方法，该方法对电弧增材结构件添加加工余量后进行分层切片，提取其每一分层截面的形状，并将截面形状全部简化为线型特征，从中提取出线型路径，最终以摆动填充的方式实现截面电弧增材路径的全部填充，用于解决现有电弧增材路径规划方法造成的起弧点、收弧点、多道搭接处过多导致成形质量不稳定，以及程序量大、需要分步上传程序导致效率降低的问题。

本发明的目的在于提供以下技术方案：

一种层内无搭接的电弧增材制造路径规划方法，包括以下步骤：

步骤1，加工余量设计：对电弧增材制造结构件添加加工余量，使其分层切片后的截面形状为带有余量的、较为规则的形状；

步骤2，提取截面形状：对电弧增材制造模型进行分层切片，获得结构件每一分层的截面形状数据；

步骤3，提取线型路径：依据添加加工余量后的截面形状特征，将其简化为若干线型特征，并依据线型特征提取一条线型路径或多段线型路径；

步骤4，添加摆动填充：对每条路径都依据选用的摆动方式和所需沉积宽度设定相应的摆动参数，保证摆动后沉积宽度和沉积高度满足要求。

本发明与现有技术相比的带来了以下有益效果：

(1)依据电弧增材制造技术以制造毛坯件为主的技术特点，在保证制造出的结构件尺寸合格、加工余量充裕的前提下，通过提取截面特征和简化线型路径，减少了层内程序中重复起弧、收弧、定点的程序语句，大大减少了程序数据总量，有利于实现制造复杂结构件时程序的一次性读取。

(2)通过提取截面特征和提取线型路径的路径规划方式，极大地减少了层内电弧增材成形中起弧点和收弧点数量(如图6所示)，降低了因起弧点和收弧点过多导致结构件内部产生缺陷的概率，有助于改善结构件的整体质量。

(3)通过提取线型路径，实现单道摆动填充成形结构件分层切片后的任意截面形状，避免了增材时的多道搭接，进而避免了因多道搭接导致的力学性能不足、易产生缺陷等问题。

附图说明

图1为基于截面形状扫描和基于形状轮廓同比例扫描路径规划方法的示意图；

图2为多道搭接示意图，其中，图2a为基于扫描填充的多道搭接示意图，图2b为基于轮廓填充的多道搭接示意图，图2c为多道搭接处结构示意图；

图3为焊枪不摆动/摆动下单道宽度示意图，其中，图3a为焊枪不摆动下单道宽度示意图，图3b为焊枪摆动下单道宽度示意图；

图4为基于截面形状扫描填充和基于形状轮廓填充同比例扫描路径规划时起弧点和收弧点位置示意图，其中，图4a为基于扫描填充的起弧点和收弧点位置示意图，图4b为基于轮廓填充的起弧点和收弧点位置示意图；

图5为本发明中两种带有加工余量的形状设计方法示意图，其中，图5a为完全等壁厚下加工余量设计示意图，图5b为多段等壁厚下加工余量设计示意图；

图6为本发明中路径规划方法的起弧点和收弧点位置示意图，其中，图6a为提取路径示意图，图6b为摆动填充下实际路径示意图，图6c为带有起弧点和收弧点的示意图；

图7为本发明实施例1的具体实施步骤示意图；

图8为三种典型结构件的结构示意图，其中，图8a为结构件1块体结构示意图，图8b为结构件2圆环结构示意图，图8c为结构件3框架结构示意图；

图9为典型结构件1块体的三种路径规划方法示意图，其中，图9a为采用本发明路径规划方法示意图，图9b为基于轮廓填充的路径规划方法示意图，图9c为基于扫描填充的路径规划方法示意图；

图10为典型结构件2圆环的三种路径规划方法示意图，其中，图10a为采用本发明路径规划方法示意图，图10b为基于轮廓填充的路径规划方法示意图，图10c为基于扫描填充的路径规划方法示意图；

图11为典型结构件3框体的三种路径规划方法示意图，其中，图11a为采用本发明路径规划方法示意图，图11b为基于轮廓填充的路径规划方法示意图，图11c为基于扫描填充的路径规划方法示意图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

本发明主要通过加工余量设计、提取截面形状、提取线型路径、添加摆动填充的方式，实现层内无多道搭接的增材路径规划。技术特点是对电弧增材制造结构件添加加工余量，使其分层截面形状简化为带有余量的、较为规则的形状，在此基础上提取分层截面上的线型特征组合，并进一步形成线型路径，最后依靠摆动填充完成截面内的增材路径规划。具体实施步骤为：

(1)加工余量设计。由于电弧增材制造一般成形毛坯件，允许一定的加工余量，为使扫描路径可覆盖到全部截面面积、并能通过后续摆动实现填充，因此将电弧增材制造结构件添加加工余量，使其分层切片后的截面形状为带有余量的、较为规则的形状。其中，较为规则的形状是指组成元素为直线或圆弧的形状，如直线、多边形、圆弧、圆形等。

在进行加工余量设计时，除了将结构件壁厚整体加宽以外，当路径方向上结构件截面形状的宽度变化较小(变化率≤50％)时，可将结构件简化为完全等壁厚结构件，使其截面形状上各处宽度保持一致；当路径方向上结构件截面形状的宽度变化较大(变化率＞50％)时，可将结构件简化为多段等壁厚结构件，使其截面形状上的宽度为多段相等的宽度，以利于后续摆动填充的实现，两种加工余量形状的设计方法示意如图5。其中，变化率＝路径方向上结构件截面形状最窄部/最宽部。

在本发明中，加工余量设计中，整个结构件的三维形状的单边加工余量为1～10mm。该设计原因在于，电弧增材制造尺寸精度不足，需要后续切削加工将加工余量切除，以满足零件精度要求。一方面加工余量需要大于1mm，以保证在电弧增材的精度下加工余量充足，足以进行切削加工；另一方面加工余量需小于10mm，以避免材料浪费。加工余量具体值需视情况而定。

(2)提取截面形状。对电弧增材制造模型进行分层切片，获得结构件每一分层的截面形状数据。该截面形状可能包含多个区域，区域类型可能是单连通区域或复连通区域。其中，某区域内任一封闭曲线所围成的区域只含有该区域上的点的区域称为单连通区域(即没有“洞”的区域)，否则称为复连通区域。

(3)提取线型路径。依据添加加工余量后的截面形状特征，将其简化为若干线型特征，并依据线型特征提取一条线型路径或多段线型路径。若路径方向上的形状存在中心线，则线型特征取路径上形状的中心线；若不存在中心线，也可以根据加工余量设计取其他包含在形状区域内的线。其中，中心线是指路径上距离路径两侧法向距离相等的点所连接成的线。

通过线型特征，提取得到线型路径。提取的线型路径，需要满足结构件分层切片后的任意截面形状的单道摆动填充成形，以避免增材时的多道搭接，进而避免因多道搭接导致的力学性能不足、易产生缺陷等问题。

对于单连通区域，提取的线型路径一般为一条线型路径；对于复连通区域，提取的线型路径一般为多段线型路径。

(4)添加摆动填充。对每条路径都依据选用的摆动方式和所需沉积宽度设定相应的摆动参数，保证摆动后沉积宽度、高度均满足要求。依托机床、机器人或其他运动装置自带的“摆焊”功能，可以便捷地实现摆动填充设置，即电弧增材制造路径实现方式可以为机床、机器人或其他运动装置。

在本发明中，所述的摆动方式包括正弦摆动、“Z”字型摆动、“8”字型摆动、圆形摆动等周期性摆动形式。本发明中摆动填充方式灵活，利于满足各类型产品的电弧增材制造。

在本发明中，摆动频率为0.1～10Hz、摆动幅度为0.5～50mm、摆动两侧停留时间为0～0.4s。在上述摆动参数范围内，沉积宽度最小值可以达到5mm，最大值可以达到100mm，即单道沉积宽度能在5～100mm范围内变化；单道沉积高度可以在0.2～4mm内变化。摆动频率、摆动幅度、摆动两侧停留时间等摆动参数(主要影响因素)，配合送丝速度、电压、电流、焊接速度等电弧增材本身参数(辅助影响因素)，可以实现沉积宽度5～100mm和高度0.2～4mm的单道成形，且成形质量稳定。其中，摆动频率主要影响单道成形表面质量，摆动幅度主要影响单道成形宽度，摆动两侧停留时间主要影响截面形状，电弧增材本身参数主要影响单道成形高度。

在本发明中，电弧增材制造过程原材料为直径在0.8～2.4mm范围内的金属丝材。该范围的金属丝材熔融成形效果好、效率较高。

在本发明中，电弧增材制造所基于的传统焊接工艺类型可以为非熔化极气体保护焊、熔化极气体保护焊。

实施例实施例1

如图7，电弧增材制造路径规划的具体实施步骤为：

步骤1：加工余量设计。由于电弧增材一般成形毛坯件，允许一定的加工余量，为使扫描路径可覆盖到全部截面面积、并能通过后续摆动实现填充，因此将电弧增材制造结构件切片后的截面形状近似成带有余量的、较为规则的形状。在该实施例中，首先将结构件左侧部分的“立方梯形”简化为“立方矩形”，并将结构件右侧的“圆形孔”简化为“三角形孔”，进而将结构件设计为多段等壁厚结构件，以便进行后续提取线型路径和摆动填充。同时所有形状轮廓适当向外偏移，保证了添加加工余量设计后的结构件将原结构件全部形状包括在内。

步骤2：提取截面形状。对电弧增材制造模型进行分层切片，获得结构件每一分层的截面形状数据。如该实施例中某一层截面形状包含两个区域，区域1为单连通区域，区域2为复连通区域。

步骤3：提取线型路径。依据添加加工余量后的截面形状特征，将其简化为若干线型特征，并依据线型特征提取一条线型路径或多段线型路径。在该实施例中，提取区域1形状内的一条中心线，将该区域简化为一个直线特征，并形成一条直线路径；将区域2简化为五条直线特征，并将所有直线连接成一个矩形加上对角线的多段线路径。

步骤4：添加摆动填充。对每条路径都依据选用的摆动方式和所需沉积宽度设定相应的摆动参数，保证摆动后沉积宽度、高度均满足要求。在该实施例中，对区域1选取正弦摆动方式，由于路径上填充宽度不变，故摆动参数不变，始终为参数1；对区域2选取正弦摆动方式，由于对角线路径上的填充宽度比矩形路径上的填充宽度大，故选取两段不同的摆动参数，矩形线路径上使用摆动参数2，对角线路径使用摆动参数3。具体的摆动参数值通过前期工艺实验确定，摆动参数1、2、3成形的单道宽度不同，但是高度一致。依托机床、机器人自带的“摆焊”功能，可以便捷地实现摆动填充设置。

实施例2

采用本发明中路径规划方法实施典型结构件1块体、结构件2圆环、结构件3框架的电弧增材制造，结构件的结构如图8所示。

与之相对比，采用传统的基于轮廓填充方法、基于扫描填充方法的规划方法实施结构件1～3的电弧增材制造，结构件1、2、3的层内路径规划方法示意图分别如图9、10、11所示。电弧增材制造的参数符合本发明要求。

经统计，采用本发明中路径规划方法，相较于传统方法，起弧点和收弧点数量降低，如表1所示，这利于降低因起弧点和收弧点过多导致结构件内部产生缺陷的概率。

表1起弧点和收弧点总数量

采用本发明中路径规划方法，相较于传统方法，在电弧增材制造模型分层切片数量一致的前提下，程序数据总量取决与层内的程序量，而层内程序量直接受起弧点、收弧点数量影响，同时也受路径内包含的线型路径组合数量影响。线型路径组合数量即一段线型路径所包含的最小线单元元素数量。如表2所示。

表2层内程序语句示例

采用本发明的路径规划方法和基于轮廓填充方法、基于扫描填充方法，对电弧增材制造的结构件1～3进行缺陷观察和力学性能测定(以铝合金材料电弧增材的抗拉强度为例)，结果如表3所示。可以看出，采用本发明中路径规划方法，相较于传统方法，缺陷减少、力学性能得到改善。

表3缺陷观察和力学性能测定结果

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种层内无搭接的电弧增材制造路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，加工余量设计：对电弧增材制造结构件添加加工余量，使其分层切片后的截面形状为带有余量的、规则的形状；当路径方向上结构件截面形状的宽度变化较小时，将结构件简化为完全等壁厚结构件，使其截面形状上各处宽度保持一致；当路径方向上结构件截面形状的宽度变化较大时，将结构件简化为多段等壁厚结构件，使其截面形状上的宽度为多段相等的宽度，其中，宽度变化较小满足变化率≤50%，宽度变化较大满足变化率＞50%；变化率=路径方向上结构件截面形状最窄部宽度/路径方向上结构件截面形状最宽部宽度；

步骤2，提取截面形状：对电弧增材制造模型进行分层切片，获得结构件每一分层的截面形状数据；

步骤3，提取线型路径：依据添加加工余量后的截面形状特征，将其简化为若干线型特征，并依据线型特征提取一条线型路径或多段线型路径；若路径方向上的形状存在中心线，则线型特征取路径上形状的中心线；若不存在中心线，根据加工余量设计取其他包含在形状区域内的线；提取的线型路径，需要满足结构件分层切片后的任意截面形状的单道摆动填充成形，以避免增材时的多道搭接；步骤4，添加摆动填充：对每条路径都依据选用的摆动方式和所需沉积宽度设定相应的摆动参数，保证摆动后沉积宽度和沉积高度满足要求。

2.根据权利要求1所述的路径规划方法，其特征在于，步骤1中，加工余量设计中，整个结构件的三维形状的单边加工余量为1~10mm。

3.根据权利要求1所述的路径规划方法，其特征在于，步骤4中，摆动方式包括正弦摆动、“Z”字型摆动、“8”字型摆动、圆形摆动。

4.根据权利要求1所述的路径规划方法，其特征在于，步骤4中，摆动参数包含摆动频率、摆动幅度、摆动两侧停留时间，摆动频率为0.1~10Hz、摆动幅度为0.5~50mm、摆动两侧停留时间为0~0.4s。

5.根据权利要求4所述的路径规划方法，其特征在于，步骤4中，单道沉积宽度最小值达到5mm，最大值达到100mm。

6.根据权利要求1所述的路径规划方法，其特征在于，步骤4中，单道沉积高度达到0.2~ 4mm。

7.根据权利要求1所述的路径规划方法，其特征在于，步骤4中，电弧增材制造过程原材料为直径0.8~2.4mm的金属丝材。

Images