CN111702292A - 一种金属结构件多层单道连续电弧增材制造方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种金属结构件多层单道连续电弧增材制造方法及系统，该方法采用焊机作为热源，金属丝材作为成形材料，焊接装置在机器人驱动下按照规划的连续螺旋上升的切片路径运动在基板上进行电弧增材制造。首先选择成形特定金属结构件所需要的焊丝和基板；接着生成连续螺旋上升切片路径；最后焊枪在机器人驱动下按生成的连续螺旋路径运动，由伺服系统根据计算出来的螺旋路径驱动焊枪机械臂，由焊枪机械臂驱动焊枪沿着预定轨迹打印单道焊缝，焊枪根据螺旋路径在打印过程中距离基板的高度逐渐升高。连续螺旋上升的路径使得整个3D打印过程焊枪距离基板的高度逐渐升高，但保持干伸长不变，整个打印过程不会熄弧，最终成形得到性能优良的金属结构件。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属结构件多层单道连续电弧增材制造方法及系统，属于增材制造领域。
背景技术
增材制造技术(Additive Manufacturing,AM)也被称为“实体自由制造”、“3D打印技术”等，相对于传统的减材制造(切削加工)技术，它是一种“自下而上”材料累加的制造方法，是以数学建模为基础，基于离散-堆积原理，将材料逐层堆积制造出实体零件的新兴制造技术。经过近一个世纪的发展，增材制造技术实现了有机材料、无机非金属材料、金属材料产品的快速制造。针对金属材料，将增材制造技术按热源分类，可分为：激光增材制造、电弧增材制造、电子束增材制造等技术，原材料一般有焊丝和金属粉末两种形式。
现有的多层单道电弧增材制造技术增材过程是不连续的，每层均存在起弧和熄弧位置，起弧熄弧位置的增多进一步会引起化学成分不均匀、强度不够、未熔合等问题。
发明内容
发明目的：一个目的是提出一种金属结构件多层单道连续电弧增材制造方法。进一步目的是提出一种实现上述方法的系统。
技术方案：一种金属结构件多层单道连续电弧增材制造方法，以焊机作为热源、金属丝材作为成形材料，规划出连续螺旋上升切片路径进行熔覆打印。
在进一步的实施例中，该电弧增材制造方法包括如下步骤：
步骤1、选择成形特定金属结构件所需要的焊丝和基板；
步骤2、生成连续螺旋上升切片路径；
步骤3、焊枪在机器人驱动下按生成的连续螺旋路径运动。
在进一步的实施例中，步骤1进一步包括：
步骤1-1、确定成形特定金属结构件所需要的工艺参数，包括焊接程序、送丝速度、打印速度、切片层高、保护气种类与流量，各参数之间关系如下：
V×F＝v×f
式中，V表示焊接速度，F表示焊缝截面积，v表示送丝速度，f表示焊丝截面积；
步骤1-2、将工件焊缝截面等效为长方形，此时满足如下关系式：
F＝ld
式中，l表示等效长方形焊缝宽度，d表示焊缝高度即层高；
步骤1-3、根据步骤1-2和步骤1-3的两式得到式送丝速度与层高之间的关系式：
式中，V表示焊接速度，l表示等效长方形焊缝宽度，d表示焊缝高度即层高，f表示焊丝截面积；
步骤1-4、通过送丝速度读出电流和电压值，进而计算该送丝速度下每消耗1mm焊丝的热输入量：
式中，U表示电弧电压、I表示焊接电流，V表示焊接速度，k表示相对热传导率；
步骤1-5、将打磨平整的基板用无水乙醇或丙酮擦拭干净后通过固定夹具固定在工作台上，保证其水平。
在进一步的实施例中，步骤2进一步包括：
步骤2-1、对打印工件的模型进行切片处理，将模型沿Z轴方向分成若干平面；
步骤2-2、寻找相邻层，利用相对位置高的层减去相对位置低的层，得到层高；然后在首层切片上随机取一点作为起始点(即焊接起弧点)，然后利用下式，求出相邻两点之间Z方向的偏移高度：
其中，d是同一层中起始点与末端点之间的竖直高度；X是每层切片的点数；z是各点之间Z方向的偏移高度；
步骤2-3、寻找下一层的起始点，要求该点与上一层末端点的距离最近，将上一层末端点与该层起始点连接起来；
步骤2-4、依次重复步骤2-1至步骤2-3，直至连接整个工件的所有路径点，生成连续的螺旋上升路径。
在进一步的实施例中，步骤3进一步包括：伺服系统根据步骤2中计算出来的螺旋路径驱动焊枪机械臂，由焊枪机械臂驱动焊枪沿着预定轨迹打印单道焊缝，焊枪根据螺旋路径在打印过程中距离基板的高度逐渐升高。
在进一步的实施例中，步骤2-1进一步包括：
步骤2-1a、将模型沿Z轴方向分成若干三角面片，得到三维模型在Z轴方向上的最大值和最小值，考虑预留加工余量，计算出总层数：
式中，Zmax表示三维模型在Z轴方向上的最大值，Zmin表示三维模型在Z轴方向上的最小值，Δz表示分层高度，k为调节系数，Δz+k为在预设的分层高度的基础之上加上调节系数以保证加工余量；
步骤2-1b、将n层中每一层的每一块三角面片存储在动态数组中，查询每一块三角面片的
值，若
则将当前的三角面片存储在动态数组的第j个分组中；若
则将当前的三角面片存储在动态数组的第j-1个分组中；若
则将当前的三角面片存储在动态数组的第j+1个分组中；
其中，hj表示第j个分组的高度，hj+1表示第j+1个分组高度，该高度由三维模型在Z轴方向上的最小值和最大值取中间值之后加上分层高度与分组数的乘积得出：
hj＝(Zmin+Zmax)/2+Δz×j
式中，Zmin表示三维模型在Z轴方向上的最小值，Zmax表示三维模型在Z轴方向上的最大值，Δz表示分层高度，j表示分组数。
在进一步的实施例中，步骤2-4进一步包括对螺旋上升路径的轨迹优化：
步骤2-4a、设定螺旋上升路径的线速度vc：
vc＝w(L-v0t)
式中，w表示焊枪旋转的角速度，L表示插补起点距原点的距离，v0表示径向速度，L-v0t得出的是工件的实时半径，t表示焊接时间；
其中，焊枪旋转的角速度w满足如下关系式：
式中，D表示热源配合平台完成一条焊缝成形的过程中焊枪所径向移动的焊道间距，
表示对焊枪的径向速度取均值；
步骤2-4b、计算焊枪的熔敷速度vr：
式中，vc表示螺旋上升路径的线速度，v0表示径向速度；
步骤2-4c、计算焊道间距，焊枪径向移动一个焊道间距，热源配合平台完成一条焊缝成形，其中焊道间距D的表达式如下：
式中，n表示焊枪数量，v0表示径向速度，t表示焊接时间，w表示焊枪旋转的角速度，d表示补偿高度；
其中补偿高度d由插补精度决定，满足如下关系式：
式中，
表示对焊枪的径向速度取均值，t′表示在插补区间内的运动时间；
步骤2-4d、计算出修正后的熔敷速度vr修：
式中，n表示焊枪数量，v0表示径向速度，w表示焊枪旋转的角速度，d表示补偿高度，
表示对焊枪的径向速度取均值，D表示热源配合平台完成一条焊缝成形的过程中焊枪所径向移动的焊道间距。
一种金属结构件多层单道连续电弧增材制造系统，包括用于放置特定金属结构件的基础组件；用于生成连续螺旋上升切片路径的路径生成模块；用于根据路径生成模块生成的连续螺旋上升切片路径进行跟踪焊接的焊枪机器人；以及用于实时监控已打印工件的视觉感应模块。
在进一步的实施例中，所述基础组件包括用于放置成形工件的工作台，以及通过固定夹具固定在所述工作台上的基板；
所述路径生成模块进一步用于对打印工件的模型进行切片处理，将模型沿Z轴方向分成若干平面；寻找相邻层，利用相对位置高的层减去相对位置低的层，得到层高；然后在首层切片上随机取一点作为起始点(即焊接起弧点)，然后利用下式，求出相邻两点之间Z方向的偏移高度；寻找下一层的起始点，要求该点与上一层末端点的距离最近，将上一层末端点与该层起始点连接起来；重复寻找相邻层和下一层的起始点，直至连接整个工件的所有路径点，生成连续的螺旋上升路径；
所述焊枪机器人包括伺服系统，与所述伺服系统电性连接的焊枪机械臂，以及安装在所述焊枪机械臂上的焊枪；由伺服系统根据路径生成模块生成的螺旋路径驱动焊枪机械臂，由焊枪机械臂驱动焊枪沿着预定轨迹打印单道焊缝，焊枪根据螺旋路径在打印过程中距离基板的高度逐渐升高；
所述视觉感应模块包括安装在所述焊枪一侧的点阵投射器和工业相机；所述点阵投射器用于投射出预定数量的光线到识别物体上，并由内建的中央处理器根据投射的潜望结构光线扫描采集物体信息，由工业相机拍摄识别物体表面得到结构光图像，并进行三维建模。
在进一步的实施例中，所述焊枪进一步包括焊枪喷嘴，以及安装在所述焊枪喷嘴上的气体保护罩；所述气体保护罩通过快换夹具卡接在焊枪喷嘴处，气体保护罩为四方壳体，其一面为完全开口，一面设有用于穿过焊枪喷嘴的通孔，气体保护罩的四个侧壁设有多个通气孔，每个通气孔分别连接一根输气软管，多个输气软管汇总为一根总气管连接至保护气瓶，所述气体保护罩内部设有过滤网。
相比于现有技术，本发明技术方案显著优点如下：
(1)本发明提出金属结构件多层单道连续电弧增材制造方法，自主开发连续的螺旋上升打印路径。
(2)焊枪在机器人驱动下按生成的连续螺旋上升路径进行3D打印，整个打印过程保证干伸长一致且不会熄弧，实现了零件制造的数字化、智能化和并行化。
(3)按照连续螺旋上升路径进行金属结构件多层单道3D打印，成形工件的化学成分均匀，纯度高，而且组织几乎无各向异性。
(4)按照连续螺旋上升路径进行金属结构件多层单道3D打印，成形工件的晶粒尺寸细小均匀，机械性能好，能够超过同成分铸件的水平。
(5)相比于传统的加工技术工序显著减少，同时省去了设计、加工模具的时间和费用，大大缩短了产品研制周期、提高了效率。
附图说明
图1为本发明的整体工作流程图。
图2为本发明实施例1中铝合金结构件(葫芦)连续螺旋上升路径示意图。
图3为本发明的实施例2中铝合金结构件(扭折大花瓶)连续螺旋上升路径示意图。
图4为本发明的实施例3中不锈钢结构件(扭折凳子)连续螺旋上升路径示意图。
图5为本发明对打印工件的模型进行切片处理的分组排序示意图。
图6为本发明中生成连续螺旋上升切片路径的示意图。
具体实施方式
申请人认为，现有的多层单道电弧增材制造技术增材过程是不连续的，每层均存在起弧和熄弧位置，起弧熄弧位置会存在化学成分不均匀、强度不够、未熔合等问题。
为此，申请人提出一种金属结构件多层单道连续电弧增材制造方法，采用本方法可实现薄壁环状、舱段类金属产品的连续增材(打印过程不熄弧)。可有效降低生产成本、缩短生产周期，获得化学成分均匀、尺寸精度高、冶金性能良好的金属结构件。
该电弧增材制造技术采用焊机作为热源，金属丝材作为成形材料，根据自主规划的连续螺旋上升切片路径进行熔覆打印，具体步骤如下：
1)选择成形特定金属结构件所需要的焊丝和基板，确定成形特定金属结构件所需要的工艺参数，包括焊接程序、送丝速度、打印速度、切片层高、保护气种类与流量，各参数之间关系如下：
焊接速度与送丝速度成正比，可以用关系式(1)表示
V×F＝v×f………………………………(1)
V：焊接速度；
F：焊缝截面积
v：送丝速度
f：焊丝截面积
将工件焊缝截面等效为长方形，那么
F＝ld……………………………(2)
其中，l：等效长方形焊缝宽度；
d：焊缝高度(即层高)
由式(1)与(2)得到式送丝速度与层高之间的关系，如式(3)所示：
通过送丝速度，可在控制面板上读出电流和电压值，进而计算该送丝速度下每消耗1mm焊丝的热输入量：
其中，U：电弧电压；
I：焊接电流；
V：焊接速度；
K：相对热传导率；
电弧增材制造过程，热输入量的控制极其重要，热量太低会导致焊缝不成形，工件存在未熔合，热量过高会导致工件塌陷，因此，结合各种丝材性能与打印过程层间温度的关系，可以推断适合该丝材的热量输入，进而确定工艺参数，如送丝速度、焊接速度与层高等。
2)将打磨平整的基板用无水乙醇或丙酮擦拭干净后固定在工作台上，保证其水平；
3)连续螺旋上升切片路径的生成，具体如下：
首先对待打印工件的STL模型进行切片处理，现有的STL模型切片算法有很多，我们采用基于三角面片几何特征的STL切片算法来处理STL模型，将模型沿Z轴方向分成若干平面；
其次，寻找相邻层，利用相对位置高的层减去相对位置低的层，得到层高；
然后在首层切片上随机取一点作为起始点(即焊接起弧点)，然后利用下式，求出相邻两点之间Z方向的偏移高度：
其中，d是同一层中起始点与末端点之间的竖直高度；
X是每层切片的点数；
z是各点之间Z方向的偏移高度。
然后寻找下一层的起始点，要求该点与上一层末端点的距离最近，将上一层末端点与该层起始点连接起来，即实现了两层之间轨迹的连续，打印过程不会熄弧。
依次利用该方法连接整个工件的所有路径点，生成连续的螺旋上升路径，实现工件的连续电弧增材制造。
4)焊枪在机器人驱动下按生成的连续螺旋路径运动，同时根据步骤1)的方法确定工艺参数，在基板上开始打印单道焊缝，焊枪根据连续螺旋路径在打印过程中距离基板的高度逐渐升高。连续的螺旋路径与1)中根据热输入量计算的工艺参数相结合，可以保证打印过程焊丝干伸长不变，整个打印过程不会熄弧，最终成形结构性能良好的金属结构件。
进一步地，所述基板选用厚度为10-50mm的金属及其合金板材；
进一步地，所述焊丝采用直径为0.8mm或1.0mm或1.2mm或1.6mm的金属及其合金焊丝；所述成形工艺参数送丝速度为2.3m/min～10m/min；焊接电流为53～161A；焊接速度为5～20mm/s；单道焊缝宽度3～9mm；切片层高0.6～3.5mm。
进一步地，所述金属结构件多层单道连续电弧增材制造的方法中，采用Arcal1、Arcal4、Arcal5、Arcl12、Arcal15、Arcal33等气体对金属结构件进行正面保护，气体流量为15-20L/min，保护气种类分类如表1所示。
表1液化空气焊接保护气对照表
| 产品名称 | 产品规格 | 气瓶类型 | 气瓶水溶积/充装压力 |
| ARCAL1 | 99.995％Ar | 钢瓶 | 50L/195±5bar@20℃ |
| ARCAL4 | 99.999％He | 钢瓶 | 50L/195±5bar@20℃ |
| ARCAL5 | 82％Ar+18％CO<sub>2</sub> | 钢瓶 | 50L/195±5bar@20℃ |
| ARCAL12 | 98％Ar+2％CO<sub>2</sub> | 钢瓶 | 50L/195±5bar@20℃ |
| ARCAL15 | 95％Ar+5％H<sub>2</sub> | 钢瓶 | 50L/195±5bar@20℃ |
| ARCAL33 | 70％Ar+30％He | 钢瓶 | 50L/195±5bar@20℃ |
| ARCAL35 | 50％Ar+50％He | 钢瓶 | 50L/195±5bar@20℃ |
进一步地，所述步骤4)中工件底部两层打印过程工艺采用CMT+P模式，即冷金属过渡+脉冲模式，工件上部打印过程工艺采用交流冷金属过渡模式。
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种金属结构件多层单道连续电弧增材制造的方法。根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1：4mm厚4043铝合金环形规则结构件多层单道电弧增材制造
如图2所示，铝合金结构件高度为200mm，壁厚6mm，由181层连续螺旋上升的焊缝电弧增材制造形成，每层焊缝高度为1.1mm。其采用本发明所述的一种金属结构件多层单道电弧增材方法制造。具体为：
打印所选基板厚度为15mm的6061铝合金板材，采用的焊丝为直径1.2mm 4043铝合金焊丝，先通过工件成形所需最佳温度计算热输入量，从而得到一组合适的成形工艺参数：选择焊接工艺为CMT+P与CMT Advance，焊接电流59A、送丝速度2.8m/min、焊接速度12mm/s，保护气体为99.9995％纯氩气，气体流量为18L/min。此组工艺参数下，单道焊缝宽度4mm，层高1.1mm，能够保证焊枪在机器人驱动下按生成的连续螺旋上升路径运动，打印过程干伸长不变，整个过程不熄弧。也可以保证道间熔合和工件整体成形精度良好。
将经过酸洗的基板打磨平整并用无水乙醇或丙酮擦拭干净后固定在焊接工作台上，保证基板水平。
通过基于三角面片几何特征的STL切片算法来处理STL模型，进而计算生成连续螺旋上升的打印路径。
打印首层采用CMT+P工艺，焊接电流168A、送丝速度为8.1m/min、焊接速度为12mm/s，打印首层结束后，第二层及以上打印选用CMT Advance工艺，成形工艺参数为焊接电流59A、送丝速度2.8m/min、焊接速度12mm/s，整个打印路径如图2所示，焊枪在机器人驱动下按生成的连续螺旋路径运动，焊枪在打印过程中距离基板的高度逐渐升高，但保持干伸长不变，整个打印过程不会熄弧，最终成形得到性能优异的金属结构件。
实施例2：8mm厚4043铝合金扭曲多边形环形结构件多层单道电弧增材制造
与实施例1不同之处在于：
如图3所示，铝合金结构件高度为500mm，壁厚8mm，由556层连续螺旋上升的焊缝电弧增材制造形成，每层焊缝高度为0.9mm。其采用本发明所述的一种金属结构件多层单道连续电弧增材方法制造。具体为：
打印所选基板厚度为16mm的6061铝合金板材，采用的焊丝为直径1.2mm 4043铝合金焊丝，先通过工件成形所需最佳温度计算热输入量，从而一组合适的成形工艺参数：选择焊接工艺为CMT+P，焊接电流90A、送丝速度4.5m/min、焊接速度12mm/s，保护气体为99.9995％纯氩气，气体流量为17L/min。此组工艺参数下，单道焊缝宽度8mm，层高0.9mm，能够保证焊枪在机器人驱动下按生成的连续螺旋路径运动，打印过程干伸长不变，整个过程不熄弧。也可以保证道间熔合和工件整体成形精度良好。
将经过酸洗的基板打磨平整并用无水乙醇或丙酮擦拭干净后固定在焊接工作台上，保证基板水平。
通过基于三角面片几何特征的STL切片算法来处理STL模型，进而计算生成连续螺旋上升的打印路径。
打印首层采用CMT+P工艺，焊接电流176A、送丝速度为8.2m/min、焊接速度为12mm/s，打印首层结束后，第二层及以上打印选用CMT+P工艺，成形工艺参数为焊接电流90A、送丝速度4.5m/min、焊接速度12mm/s，整个打印路径如图3所示，焊枪在机器人驱动下按生成的连续螺旋路径运动，焊枪在打印过程中距离基板的高度逐渐升高，但保持干伸长不变，整个打印过程不会熄弧，最终成形得到金属结构件。
实施例3：6mm厚不锈钢规则结构件多层单道电弧增材制造
如图4所示，不锈钢结构件高度为420mm，壁厚6mm，由323层连续螺旋上升的焊缝电弧增材制造形成，每层焊缝高度为1.3mm。其采用本发明所述的一种金属结构件多层单道连续电弧增材方法制造。具体为：
打印所选基板厚度为16mm的Q235碳钢基板，采用的焊丝为直径0.8mm 308L不锈钢焊丝，先通过工件成形所需最佳温度计算热输入量，从而得到一组合适的成形工艺参数：选择焊接工艺为CMT，焊接电流90A、送丝速度8.5m/min、焊接速度10mm/s，保护气体为Arcal12(98％Ar+2％CO2)，气体流量为18L/min。此组工艺参数下，单道焊缝宽度6mm，层高1.3mm。能够保证焊枪在机器人驱动下按生成的连续螺旋路径运动，打印过程干伸长不变，整个过程不熄弧。也可以保证道间熔合和工件整体成形精度良好。
将经过酸洗的基板打磨平整并用无水乙醇或丙酮擦拭干净后固定在焊接工作台上，保证基板水平。
通过基于三角面片几何特征的STL切片算法来处理STL模型，进而计算生成连续螺旋上升的打印路径。
打印首层采用CMT+P工艺，焊接电流158A、送丝速度为17.1m/min、焊接速度为10mm/s，打印首层结束后，第二层及以上打印选用CMT工艺，成形工艺参数为焊接电流90A、送丝速度8.5m/min、焊接速度10mm/s，整个打印路径如图4所示，焊枪在机器人驱动下按生成的连续螺旋路径运动，焊枪在打印过程中距离基板的高度逐渐升高，但保持干伸长不变，整个打印过程不会熄弧，最终成形得到金属结构件。
采用连续上升的螺旋路径电弧增材制造，为保证工件成形质量，对保护气氛的要求很高。
焊枪自带的喷嘴气氛保护不足以满足连续上升螺旋路径增材工艺的要求。因此设计气体保护罩式焊枪，保护罩上四个通气孔连接四根输气软管汇总为一根较粗气管连接至保护气瓶，且保护罩内部有过滤网，使得保护气吹出时更加均匀。气体保护罩扩大了保护气氛区域，减少了工件中气孔的产生，提升了材料的力学性能。在电弧增材制造过程，保护罩中的保护气与喷嘴处的保护气对熔池形成双重保护，保证打印过程电弧的稳定性，提高了打印效率。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。
Claims (10)
1.一种金属结构件多层单道连续电弧增材制造方法，其特征是以焊机作为热源、金属丝材作为成形材料，规划出连续螺旋上升切片路径进行熔覆打印。
2.根据权利要求1所述的一种金属结构件多层单道连续电弧增材制造方法，其特征在于，进一步包括如下步骤：
步骤1、选择成形特定金属结构件所需要的焊丝和基板；
步骤2、生成连续螺旋上升切片路径；
步骤3、焊枪在机器人驱动下按生成的连续螺旋路径运动。
3.根据权利要求2所述的一种金属结构件多层单道连续电弧增材制造方法，其特征在于，步骤1进一步包括：
步骤1-1、确定成形特定金属结构件所需要的工艺参数，包括焊接程序、送丝速度、打印速度、切片层高、保护气种类与流量，各参数之间关系如下：
V×F＝v×f
式中，V表示焊接速度，F表示焊缝截面积，v表示送丝速度，f表示焊丝截面积；
步骤1-2、将工件焊缝截面等效为长方形，此时满足如下关系式：
F＝ld
式中，l表示等效长方形焊缝宽度，d表示焊缝高度即层高；
步骤1-3、根据步骤1-2和步骤1-3的两式得到式送丝速度与层高之间的关系式：
式中，V表示焊接速度，l表示等效长方形焊缝宽度，d表示焊缝高度即层高，f表示焊丝截面积；
步骤1-4、通过送丝速度读出电流和电压值，进而计算该送丝速度下每消耗1mm焊丝的热输入量：
式中，U表示电弧电压、I表示焊接电流，V表示焊接速度，k表示相对热传导率；
步骤1-5、将打磨平整的基板用无水乙醇或丙酮擦拭干净后通过固定夹具固定在工作台上，保证其水平。
4.根据权利要求2所述的一种金属结构件多层单道连续电弧增材制造方法，其特征在于，步骤2进一步包括：
步骤2-1、对打印工件的模型进行切片处理，将模型沿Z轴方向分成若干平面；
步骤2-2、寻找相邻层，利用相对位置高的层减去相对位置低的层，得到层高；然后在首层切片上随机取一点作为起始点(即焊接起弧点)，然后利用下式，求出相邻两点之间Z方向的偏移高度：
其中，d是同一层中起始点与末端点之间的竖直高度；X是每层切片的点数；z是各点之间Z方向的偏移高度；
步骤2-3、寻找下一层的起始点，要求该点与上一层末端点的距离最近，将上一层末端点与该层起始点连接起来；
步骤2-4、依次重复步骤2-1至步骤2-3，直至连接整个工件的所有路径点，生成连续的螺旋上升路径。
5.根据权利要求2所述的一种金属结构件多层单道连续电弧增材制造方法，其特征在于，步骤3进一步包括：伺服系统根据步骤2中计算出来的连续螺旋上升路径驱动焊枪机械臂，由焊枪机械臂驱动焊枪沿着预定轨迹打印单道焊缝，焊枪根据螺旋路径在打印过程中距离基板的高度逐渐升高。
6.根据权利要求4所述的一种金属结构件多层单道连续电弧增材制造方法，其特征在于，步骤2-1进一步包括：
步骤2-1a、将模型沿Z轴方向分成若干三角面片，得到三维模型在Z轴方向上的最大值和最小值，考虑预留加工余量，计算出总层数：
式中，Zmax表示三维模型在Z轴方向上的最大值，Zmin表示三维模型在Z轴方向上的最小值，Δz表示分层高度，k为调节系数，Δz+k为在预设的分层高度的基础之上加上调节系数以保证加工余量；
步骤2-1b、将n层中每一层的每一块三角面片存储在动态数组中，查询每一块三角面片的
值，若
则将当前的三角面片存储在动态数组的第j个分组中；若
则将当前的三角面片存储在动态数组的第j-1个分组中；若
则将当前的三角面片存储在动态数组的第j+1个分组中；
其中，hj表示第j个分组的高度，hj+1表示第j+1个分组高度，该高度由三维模型在Z轴方向上的最小值和最大值取中间值之后加上分层高度与分组数的乘积得出：
hj＝(Zmin+Zmax)/2+Δz×j
式中，Zmin表示三维模型在Z轴方向上的最小值，Zmax表示三维模型在Z轴方向上的最大值，Δz表示分层高度，j表示分组数。
7.根据权利要求4所述的一种金属结构件多层单道连续电弧增材制造方法，其特征在于，步骤2-4进一步包括对连续螺旋上升路径的轨迹优化：
步骤2-4a、设定螺旋上升路径的线速度vc：
vc＝ω(L-v0t)
式中，ω表示焊枪旋转的角速度，L表示插补起点距原点的距离，v0表示径向速度，L-v0t得出的是工件的实时半径，t表示焊接时间；
其中，焊枪旋转的角速度ω满足如下关系式：
式中，D表示热源配合平台完成一条焊缝成形的过程中焊枪所径向移动的焊道间距，
表示对焊枪的径向速度取均值；
步骤2-4b、计算焊枪的熔敷速度vr：
式中，vc表示螺旋上升路径的线速度，v0表示径向速度；
步骤2-4c、计算焊道间距，焊枪径向移动一个焊道间距，热源配合平台完成一条焊缝成形，其中焊道间距D的表达式如下：
式中，n表示焊枪数量，v0表示径向速度，t表示焊接时间，ω表示焊枪旋转的角速度，d表示补偿高度；
其中补偿高度d由插补精度决定，满足如下关系式：
式中，
表示对焊枪的径向速度取均值，t′表示在插补区间内的运动时间；
步骤2-4d、计算出修正后的熔敷速度vr修：
式中，n表示焊枪数量，v0表示径向速度，ω表示焊枪旋转的角速度，d表示补偿高度，
表示对焊枪的径向速度取均值，D表示热源配合平台完成一条焊缝成形的过程中焊枪所径向移动的焊道间距。
8.一种金属结构件多层单道连续电弧增材制造系统，其特征在于，包括如下模块：
用于放置特定金属结构件的基础组件；
用于生成连续螺旋上升切片路径的路径生成模块；
用于根据路径生成模块生成的连续螺旋上升切片路径进行跟踪焊接的焊枪机器人；
用于实时监控已打印工件的视觉感应模块。
9.根据权利要求8所述的一种金属结构件多层单道连续电弧增材制造系统，其特征在于，所述基础组件包括用于放置成形工件的工作台，以及通过固定夹具固定在所述工作台上的基板；
所述路径生成模块进一步用于对打印工件的模型进行切片处理，将模型沿Z轴方向分成若干平面；寻找相邻层，利用相对位置高的层减去相对位置低的层，得到层高；然后在首层切片上随机取一点作为起始点，求出相邻两点之间Z方向的偏移高度；寻找下一层的起始点，要求该点与上一层末端点的距离最近，将上一层末端点与该层起始点连接起来；重复寻找相邻层和下一层的起始点，直至连接整个工件的所有路径点，生成连续的螺旋上升路径；
所述焊枪机器人包括伺服系统，与所述伺服系统电性连接的焊枪机械臂，以及安装在所述焊枪机械臂上的焊枪；由伺服系统根据路径生成模块生成的螺旋路径驱动焊枪机械臂，由焊枪机械臂驱动焊枪沿着预定轨迹打印单道焊缝，焊枪根据连续螺旋路径在打印过程中距离基板的高度逐渐升高；
所述视觉感应模块包括安装在所述焊枪一侧的点阵投射器和工业相机；所述点阵投射器用于投射出预定数量的光线到识别物体上，并由内建的中央处理器根据投射的潜望结构光线扫描采集物体信息，由工业相机拍摄识别物体表面得到结构光图像，并进行三维建模。
10.根据权利要求9所述的一种金属结构件多层单道连续电弧增材制造系统，其特征在于，所述焊枪进一步包括焊枪喷嘴，以及安装在所述焊枪喷嘴上的气体保护罩；所述气体保护罩通过快换夹具卡接在焊枪喷嘴处，气体保护罩为四方壳体，其一面为完全开口，一面设有用于穿过焊枪喷嘴的通孔，气体保护罩的四个侧壁设有多个通气孔，每个通气孔分别连接一根输气软管，多个输气软管汇总为一根总气管连接至保护气瓶，所述气体保护罩内部设有过滤网。
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Denomination of invention: A multi-layer single pass continuous arc additive manufacturing method and system for metal structural components Granted publication date: 20210528 Pledgee: Bank of China Limited by Share Ltd. Nanjing Jiangning branch Pledgor: NANJING YINGNIGEMA INDUSTRIAL AUTOMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2024980027645 |