CN111421203B - 一种金属薄壁零件的堆焊成形方法 - Google Patents

一种金属薄壁零件的堆焊成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属薄壁零件的堆焊成形方法，通过建立测地标量场获取等值线的方法保证了层与层之间处处层高相等，同时通过曲面法向和等值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，另外通过对路径进行平滑检查和干涉检查判定是否对金属薄壁零件模型分割，保证每部分模型的打印路径相邻等距点的打印方向不存在变化剧烈情况和不存在干涉情况，从而可完成整个模型的堆焊过程。

Description

一种金属薄壁零件的堆焊成形方法
技术领域
本发明属于变姿态增材制造技术领域，尤其是涉及一种金属薄壁零件的堆焊成形方法。
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。其中，金属增材技术中，金属3D打印过程已经成为了主流的工业技术，其可实现产品定制化，完成小批量生产及针对免组装设计及复杂结构零件的生产。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。
公开号为CN110480011A的中国专利文献公开了一种金属3D打印方法，包括如下步骤：S1，向3D打印机的送料仓室中加装金属片，向成型系统中填充惰性气体排氧，并预热加热板；S2，利用三维软件构造工件模型，规划出每层数据特征并导入工控机就绪；S3，将成型组件下降一个层厚高度，同时送料组件上升一个层厚高度就绪，转运组件将所述金属片从所述送料仓室移送至所述成型仓室后返回就绪；S4，工控机控制激光系统按照预先规划的数据特征进行扫描打印；S5，重复步骤S3-S4，直至完成工件加工，冷却至室温后取出工件。
现有公开的电弧增材制造方法，在制造过程中，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，堆焊成形自由曲面金属薄壁结构时会发生严重的挂流坍塌现象，因此要使用多自由度机械臂进行金属薄壁结构堆焊成形，保证焊枪方向与工件自支撑方向一致。但是目前还没有堆焊成形自由曲面金属薄壁结构的方法。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种金属薄壁零件的堆焊成形方法，可以保证堆焊时层与层之间处处距离相等，成形稳定。
一种金属薄壁零件的堆焊成形方法，包括以下步骤：
(1)获取待加工金属薄壁零件STL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)将零件STL模型进行三角网格密化；
(3)将当前零件模型底边界上的三角网格顶点作为源点集，分别计算其他三角网格顶点在零件表面上到源点集的最短距离，并建立零件表面的测地距离标量场；
(4)根据测地距离标量场在当前零件模型表面建立等值线，等值线差值为堆焊过程的设定层高值δ；
(5)将所有当前零件模型表面等值线进行等分获取等距点，间距为Δd，计算等值线上每个等距点的堆焊方向；
(6)将当前零件模型表面等值线作为当前模型堆焊路径，并进行路径平滑检查和干涉检查；
(7)根据检查结果，判断当前模型路径是否可以全部进行堆焊；如果不可以全部进行，则执行步骤(8)，否则，执行步骤(9)；
(8)对当前零件模型按设定的分割规则进行分割，分割后的子模型作为当前零件模型，并执行步骤(3)；
(9)生成机器人执行代码，并进行金属薄壁零件堆焊过程。
本发明的方法，利用测地距离标量场生成非平面分层路径，保证层层之间处处距离相等，同时，通过对路径进行平滑检查和干涉检查对模型进行分割保证整个薄壁结构可完全堆焊成形，并且采用机械臂多自由度堆焊增材，保证了金属薄壁零件的成形稳定性。
步骤(5)中，所述的间距Δd设为1mm。每点的堆焊方向D由该点所在三角面片法向N和该点所在等值线段方向T的叉乘N×T获得。
步骤(6)中，路径平滑检查的具体步骤为：检查每层路径上相邻焊枪姿态方向向量夹角是否小于等于预设角θmax；如果某层上某处相邻焊枪姿态方向向量夹角大于θmax，则记录该层前一层层数为N1，否则不记录。
优选地，所述的预设角θmax为50度。
干涉检查的具体步骤为：将焊枪头简化为圆锥模型，焊枪方向与圆锥轴线重合，判断每层路径上各处的圆锥模型是否与该层及已堆焊部分相交；如果某层上某处的圆锥模型与该层及已堆焊部分相交，则记录该层前一层层数为N2，否则不记录。
步骤(7)中，判断当前模型路径是否可以全部进行堆焊的具体方法为：若不存在N1和N2，则当前模型路径全部可以进行堆焊；若存在N1或N2，则当前模型路径不可全部进行堆焊。
步骤(8)中，所述的分割规则为：
选取N1和N2中的较小值赋值给Nmin；计算第Nmin层的参考方向Dr，建立垂直于参考方向Dr的参考平面П，沿参考方向移动参考平面，使其仅与第Nmin层和最少数量为t的前面的层相交，计算被相交的前面的各层的参考方向，采用主成分分析法计算新的参考方向Drnew，建立垂直于Drnew的参考平面Пnew，并使之与第Nmin层和最少数量的前面的层相交，此时参考平面Пnew将模型分为两部分；上半部分模型将作为新的当前模型。
参考方向Dr的计算公式为：
Figure BDA0002393350040000041
Dr＝eigvec(:,i),where eigval(i,i)＝min({eigval(j,j)|j＝1,2,3})
其中，Li、Ni分别为某等值线段长度、所在面片法向，eigvec、eigval为特征向量和特征值；Dr为最小的特征值对应的特征向量；
新的参考方向Drnew的计算公式为：
Drnew＝PCA([Lp(Nmin)Dr(Nmin) T；Lp(Nmin-1)Dr(Nmin-1) T；…；Lp(Nmin-t)Dr(Nmin-t) T])
其中，Lp(Nmin)为第Nmin层等值线的总长度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出建立测地距离标量场获取等值线作为堆焊路径的方法，保证了层与层之间处处层高相等，更利于成形的稳定。
2、本发明通过对路径进行平滑检查和干涉检查判定是否对金属薄壁零件模型分割，保证每部分模型的打印路径相邻等距点的打印方向不存在变化剧烈情况，同时也不存在干涉情况。
附图说明
图1为本发明一种金属薄壁零件的堆焊成形方法的流程示意图；
图2为堆焊路径平滑检查示意图；
图3为堆焊路径干涉检查示意图；
图4为获取每层路径的参考方向和参考平面示意图；
图5为本发明实施例中薄壁结构模型分割及打印路径示意图。
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1所示，一种金属薄壁零件的堆焊成形方法，包括以下步骤：
步骤1，获取待加工金属薄壁零件STL模型，模型如图5中(a)所示，设定增材过程层高为1.3mm，堆焊增材速度为0.010m/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22L/min。
步骤2，将零件模型三角网格密化。
分别连接每个三角面片三条边的中点，从而使每个三角面片被分割为四个更小的三角面片，按照此分割方法，细分三次即可获得密化后的三角网格模型。
步骤3，将当前零件模型底边界上的三角网格顶点作为源点集，分别计算其他三角网格顶点在零件表面上到源点集的最短距离，并建立零件表面的测地距离标量场。
步骤4，根据测地距离标量场在当前零件模型表面建立等值线，等值线差值为1.3mm。
步骤5，将所有当前零件模型表面等值线进行1mm等分获取等距点。计算等值线上每个等距点的堆焊方向。
步骤6，将当前零件模型表面等值线作为当前模型堆焊路径，并进行路径平滑检查和干涉检查。
具体的，路径平滑检查为：检查每层路径上相邻焊枪姿态方向向量夹角是否小于等于预设角θmax，如图2所示。本实施例中，θmax为50度。如果某层上某处相邻焊枪姿态方向向量夹角大于50度，则记录该层前一层层数为N1，否则不记录。
干涉检查为：如图3所示，图中，打印层4下面有已堆焊部分2和已堆焊部分3。将焊枪头简化为圆锥模型1，焊枪方向与圆锥模型1的轴线重合，判断每层路径上各处的圆锥模型1是否与该层及已堆焊部分相交。如果某层上某处的圆锥模型与该层及已堆焊部分相交，则记录该层前一层层数为N2，否则不记录。
步骤7，根据检查结果，判断当前模型路径是否可以全部进行堆焊；如果存在N1或N2，则不可以全部进行堆焊，执行步骤8，否则，执行步骤9；
步骤8，对当前零件模型按规则进行分割，分割后的子模型作为当前零件模型，并执行步骤3；
具体的分割规则为：选取N1和N2中的较小值赋值给Nmin。如图4所示，计算第Nmin层的参考方向Dr，建立垂直于参考方向Dr的参考平面П，沿参考方向移动参考平面，使其仅与第Nmin层和最少数量为t的前面的层相交，计算被相交的前面的各层的参考方向，采用主成分分析法计算新的参考方向Drnew，建立垂直于Drnew的参考平面Пnew，并使之与第Nmin层和最少数量的前面的层相交，此时参考平面Пnew将模型分为两部分。上半部分模型将作为新的当前模型。参考方向Dr的计算公式为：
Figure BDA0002393350040000061
Dr＝eigvec(:,i),where eigval(i,i)＝min({eigval(j,j)|j＝1,2,3})
其中，Li、Ni分别为某等值线段长度、所在面片法向，eigvec、eigval为特征向量和特征值。Dr为最小的特征值对应的特征向量。
参考方向Drnew的计算公式为：
Drnew＝PCA([Lp(Nmin)Dr(Nmin) T；Lp(Nmin-1)Dr(Nmin-1) T；…；Lp(Nmin-t)Dr(Nmin-t) T])其中，Lp(Nmin)为第Nmin层等值线的总长度。
最终该模型被分为3部分，如图5中(b)所示，各部分生成的堆焊路径如图5中(c)所示。
步骤9，生成机器人执行代码，并进行机器人薄壁堆焊过程。
本发明通过建立测地标量场获取等值线的方法保证了层与层之间处处层高相等。同时通过曲面法向和等值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，另外通过对路径进行平滑检查和干涉检查判定是否对金属薄壁零件模型分割，保证每部分模型的打印路径相邻等距点的打印方向不存在变化剧烈情况和不存在干涉情况。
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 (9)

1.一种金属薄壁零件的堆焊成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取待加工金属薄壁零件STL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)将待加工金属薄壁零件STL模型进行三角网格密化；
(3)将当前零件模型底边界上的三角网格顶点作为源点集，分别计算其他三角网格顶点在零件表面上到源点集的最短距离，并建立零件表面的测地距离标量场；
(4)根据测地距离标量场在当前零件模型表面建立等值线，等值线差值为堆焊过程的设定层高值δ；
(5)将所有当前零件模型表面等值线进行等分获取等距点，间距为△d，计算等值线上每个等距点的堆焊方向；
(6)将当前零件模型表面等值线作为当前模型堆焊路径，并进行路径平滑检查和干涉检查；
(7)根据检查结果，判断当前模型堆焊路径是否可以全部进行堆焊；如果不可以全部进行，则执行步骤(8)，否则，执行步骤(9)；
(8)对当前零件模型按设定的分割规则进行分割，分割后的子模型作为当前零件模型，并执行步骤(3)；
(9)生成机器人执行代码，并进行金属薄壁零件堆焊过程。
2.根据权利要求1所述的金属薄壁零件的堆焊成形方法，其特征在于，步骤(5)中，所述的间距△d设为1mm。
3.根据权利要求1所述的金属薄壁零件的堆焊成形方法，其特征在于，步骤(5)中，每点的堆焊方向D由该点所在三角面片法向N和该点所在等值线段方向T的叉乘N×T获得。
4.根据权利要求1所述的金属薄壁零件的堆焊成形方法，其特征在于，步骤(6)中，路径平滑检查的具体步骤为：检查每层路径上相邻焊枪姿态方向向量夹角是否小于等于预设角θmax；如果某层上某处相邻焊枪姿态方向向量夹角大于θmax，则记录该层前一层层数为N1，否则不记录。
5.根据权利要求4所述的金属薄壁零件的堆焊成形方法，其特征在于，所述的预设角θmax为50度。
6.根据权利要求4所述的金属薄壁零件的堆焊成形方法，其特征在于，步骤(6)中，干涉检查的具体步骤为：将焊枪头简化为圆锥模型，焊枪方向与圆锥轴线重合，判断每层路径上各处的圆锥模型是否与该层及已堆焊部分相交；如果某层上某处的圆锥模型与该层及已堆焊部分相交，则记录该层前一层层数为N2，否则不记录。
7.根据权利要求6所述的金属薄壁零件的堆焊成形方法，其特征在于，步骤(7)中，判断当前模型堆焊路径是否可以全部进行堆焊的具体方法为：若不存在N1和N2，则当前模型堆焊路径全部可以进行堆焊；若存在N1或N2，则当前模型堆焊路径不可全部进行堆焊。
8.根据权利要求7所述的金属薄壁零件的堆焊成形方法，其特征在于，步骤(8)中，所述的分割规则为：
选取N1和N2中的较小值赋值给Nmin；计算第Nmin层的参考方向Dr，建立垂直于参考方向Dr的参考平面П，沿参考方向Dr移动参考平面П，使其仅与第Nmin层和最少数量为t的前面的层相交，计算被相交的前面的各层的参考方向，采用主成分分析法计算新的参考方向Drnew，建立垂直于Drnew的参考平面Пnew，并使之与第Nmin层和最少数量的前面的层相交，此时参考平面Пnew将当前零件模型分为两部分；上半部分模型将作为新的当前零件模型。
9.根据权利要求8所述的金属薄壁零件的堆焊成形方法，其特征在于，参考方向Dr的计算公式为：
Figure FDA0002810066580000031
Dr＝eigvec(:,i),where eigval(i,i)＝min({eigval(j,j)|j＝1,2,3})
其中，Li、Ni分别为某等值线段长度、所在面片法向，eigvec、eigval为特征向量和特征值；Dr为最小的特征值对应的特征向量；
新的参考方向Drnew的计算公式为：
Drnew＝PCA([Lp(Nmin)Dr(Nmin) T；Lp(Nmin-1)Dr(Nmin-1) T；…；Lp(Nmin-t)Dr(Nmin-t) T])
其中，Lp(Nmin)为第Nmin层等值线的总长度。
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