CN111890061A - 飞行器过渡端框架高精度电弧熔丝增材制造方法及其产品 - Google Patents

Abstract

本发明属于电弧熔丝增材制造相关领域，并公开了一种飞行器过渡端框架高精度电弧熔丝增材制造方法，包括：(a)对飞行器过渡端框架构件进行三维建模，并将其划分为法兰区、圆筒区和肋板区三个不同独立区域；(b)执行平面切片并采用电弧熔丝逐层堆积的方式来制造构件，其中在成形过程中依次堆积法兰区和圆筒区，最后采用对称堆积的方式来执行肋板区的成形；(c)采用在线三维测量和截面中心偏移量实时修正的方式，对各个待堆积层执行高精度的堆积成形。通过本发明，能够实时解决大型复杂金属构件电弧熔丝增材制造过程中的单道堆积层偏移、倾斜和错位等问题，显著提高了增材制造过渡端框架的成形精度，同时在材料利用率和零件制造周期等方面也具备突出优势。

Description

飞行器过渡端框架高精度电弧熔丝增材制造方法及其产品

技术领域

本发明属于电弧熔丝增材制造相关领域，更具体地，涉及一种飞行器过渡端框架高精度电弧熔丝增材制造方法及其产品。

背景技术

飞行器过渡端框架作为一种重要的构件，在航天领域特别是运载火箭中起到重要的作用，并用于实现火箭助推模块各级火箭之间的连接。该构件的结构上分布多组加强筋，尺寸大且形状复杂，属于大型复杂金属结构件。传统上飞行器过渡端框架制造通常以减材工艺为主，通过锻造方式的生产一定尺寸的圆环，然后经机加工得到零件。该方式制造周期长，材料利用率低，增加了过渡端框架的制造成本与制造周期。

电弧熔丝增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM)，是一种采用电弧作为热源，将金属焊丝熔化逐层堆积从而制造出工件的新型工艺方法。由于其具备加工柔性程度高、制造周期短、无需模具等特点，因而近年来在一部分复杂金属结构件的加工制造场合逐渐获得了应用。例如，CN201610867573.3公开了一种圆盘形支撑件的电弧熔丝增材制造方法，CN201810972135.2公开了一种螺旋桨电弧熔丝增材制造方法，CN201610867592.6公开了一种交叉结构的电弧熔丝增材制造方法，等等。

然而，进一步的研究表明，上述采用WAAM工艺加工制造大型复杂金属结构件的早期专利仍然存在以下的缺陷或不足：首先，在电弧熔丝增材制造堆积过程中，随着堆积热量的输入构件温度会不断上升，导致构件发生热变形，并使得预设用户坐标系不可避免地发生实际偏移；其次，电弧熔丝增材制造工艺是将零件离散化之后，采用分层切片逐层堆积的方式制造构件，这样在实际的增材制造过程中，每一层堆积层之间的中心偏移，会逐渐积累并最终导致降低成形构件的整体精度。换而言之，由于现有技术中未能充分考虑对大型复杂金属结构件的电弧熔丝增材制造整体路径规划执行实时修正，实际成型尺寸将偏离预设值，最终成形精度难以保证。

针对上述技术问题，目前研究人员可采用以下两种思路来提高电弧熔丝增材制造构件的最终成形精度：(1)电弧增材复合铣削，具体也即将增材制造系统与铣削相结合，在每层堆积之后进行铣削，以保证精度要求；该复合铣削方式虽然可以在一定程度可提高构件精度，但是成形零件的结构受到铣削工艺的限制，而且也会显著降低增材制造的效率。(2)电弧增材制造系统中使用测量系统实时监测堆积高度，并通过调整焊接速度和送丝速度等工艺参数，实现成形精度的反馈调节，提高构件的成形精度。这种方法需要使用测量设备检测单道堆积层的几何尺寸，以及通过反馈调节工艺参数对熔积层的尺寸进行控制，无法保证构件的垂直度等关键形状精度；此外，电弧熔丝增材制造大型复杂金属构件的精度偏低主要是由于温度膨胀导致整体坐标偏移，使得局部堆积层存在倾斜和错位，以上检测及调节方式无法实时、准确地去修正整体打印路径。

相应地，如何更为便捷、合理地运用电弧增材制造工艺来加工获得高精度飞行器过渡端框架复杂构件，并有效解决由于温度膨胀导致的整体坐标偏移及实现对整体打印路径的实时修正，正成为本领域中亟待解决的技术难题之一。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或技术需求，本发明的目的在于提供一种飞行器过渡端框架高精度电弧熔丝增材制造方法及其产品，其中一方面通过研究设计在线三维测量与截面中心线偏移校正相结合的新成形策略，相应能够实时解决成形构件整体坐标偏移、堆积层倾斜和错位等技术难题，并显著提高电弧熔丝增材制造大型复杂金属构件的成形精度；另一方面还充分结合过渡端框架的自身构造特征将其划分为法兰区、圆筒区和肋板区三个处理对象，同时针对性采取“对称堆积”及“摆动填充”等配套技术手段，相应可进一步缓解飞行器过渡端框架在电弧熔丝增材制造过程中的热膨胀变形，并在确保最终成形精度的同时提高了材料利用率，大大缩短了零件制造周期。

按照本发明的一个方面，提供了一种飞行器过渡端框架高精度电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)三维建模和分区处理

针对作为制造对象的飞行器过渡端框架构件，对其进行三维建模，然后对所获得的三维模型进行区域划分：其中将过渡端框架的底盘划分为第一独立区域也即法兰区，将过渡端框架的侧壁筒体区域划分为第二独立区域也即圆筒区，同时将过渡端框架的侧壁肋板区域划分为第三独立区域也即肋板区；

(b)平面切片和堆积成形

对所获得的三维模型执行平面切片，并在切片后采用电弧熔丝逐层堆积的方式来制造构件：其中在成形过程中首先堆积所述法兰区，然后堆积所述圆筒区，最后采用对称堆积的方式来执行所述肋板区的成形；

所述对称堆积的方式是指，将所述肋板区的各个肋板从0°至360°进行编号，并且每当对处于k°位置的肋板完全堆积成形之后，随后成形位于(180+k)°对称位置的肋板，其中k可取0到360之间的任意数值；以此类推，直至完成对所述肋板区的完全成形；

(c)三维测量和偏移量实时修正

在整个电弧熔丝增材制造过程中，每当堆积成形一层堆积层之后，实时三维测量当前堆积层的截面中心坐标、该截面中心相对于第一层堆积层沿着X轴方向也即水平横向方向的偏移量，以及该截面中心相对于第一层堆积层沿着Y轴方向也即水平纵向方向的偏移量；接着，依据上述两个偏移量对即将成形的下一堆积层的打印路径执行实时修正，直至最终完成整个飞行器过渡端框架的完全成形。

作为进一步优选地，在步骤(b)中，对于所述法兰区和所述圆筒区而言，它们优选采用摆动填充的方式来进行加工：具体也即针对截面均为圆环状的法兰区和圆筒区，首先堆积成形外轮廓，接着堆积成形内轮廓，最后在内、外轮廓之间采用摆动填充的方式来回执行轮廓填充，直至整个轮廓填充完毕；此外，该摆动填充的摆动距离优选设定为当前堆积层半径的一半。

作为进一步优选地，在步骤(b)中，对于所述肋板区的各个肋板而言，其同样优选采用摆动填充的方式来进行加工：具体也即针对截面为矩形的各个肋板，首先堆积成形外轮廓，接着沿着长度方向或者宽度方向以摆动填充的方式执行轮廓填充，直至整个轮廓填充完毕；此外，该摆动填充的摆动距离优选设定为当前堆积层宽度的一半。

作为进一步优选地，在步骤(c)中，所述三维测量和偏移量实时修正的操作过程具体优选设计如下：

(c1)在成形加工开始之前，对基板进行三维测量，并拟合得到参考平面；

(c2)针对待堆积成形的各个独立区域也即法兰区、圆筒区或肋板区，首先执行第一层堆积层的电弧熔丝增材成形，并在成形结束后，对该当前堆积层进行三维测量，采集其点云数据集合N；

接着，对所获得的点云数据集合N，找出其重心所对应的数据点,将其作为初始截面中心且记录其坐标值P₀；然后计算点云数据集合N中每一个数据点到该初始截面中心的距离平均值，相应拟合计算出第一层堆积层的最优截面中心的坐标值P₁；

(c3)继续执行第二层堆积层的电弧熔丝增材成形，并在打印结束后，采用与子步骤(c2)相同的方式测量及拟合计算出第二层堆积层的最优截面中心的坐标值P₂，同时计算出该坐标值P₂相对于所述坐标值P₁沿着X轴方向和Y轴方向的实际偏移量A_2-1、B_2-1；

(c4)针对第三层堆积层，依据上述两个偏移量对对其打印路径执行实时修正，接着执行该第三层堆积层的电弧熔丝增材打印；

并在打印结束后，采用与子步骤(c2)相同的方式测量及拟合计算出第三层堆积层的最优截面中心的坐标值P₃，同时计算出该坐标值P₃相对于所述坐标值P₁沿着X轴方向和Y轴方向的实际偏移量A_3-1、B_3-1；

以此类推，直至完成所有待堆积层的电弧熔丝增材成形。

作为进一步优选地，在采用电弧熔丝逐层堆积的方式来制造构件的整个过程中，每层切片沿着Z轴方向也即竖直向上方向的提升高度均不变，并且设定为与各个堆积层的高度保持相等。

作为进一步优选地，在采用电弧熔丝逐层堆积的方式来制造构件的整个过程中，根据上述堆积成形和偏移量实时修正处理方式，获得对应的数据点打印文件，并将其转换为对应的机器人运动轨代码以及起熄弧指令，由此形成完整打印指令；接着，将该打印指令导入机器人控制平台，并配套采用与飞行器过渡端框架电弧熔丝增材制造丝材相对应的工艺参数，由此执行构件的实际加工制造。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的高精度飞行器过渡端框架构件产品。

总体而言，按照本发明的飞行器过渡端框架高精度电弧熔丝增材制造方法与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、本发明对适用于飞行器过渡端框架这类大型复杂构件的电弧熔丝增材制造工艺路线重新进行研究设计，并提出了在线三维测量与截面中心偏移量校正相结合的成形策略，相应能够实时解决由于温度膨胀导致的整体坐标偏移、局部堆积层存在倾斜和错位等技术难题，确保了所加工构件的整体垂直度等关键形状指标，同时显著提高了最终的构件成形精度；

2、本发明还充分结合过渡端框架的自身构造特征和具体加工需求，进一步将其划分为法兰区、圆筒区和肋板区三个处理对象，同时针对性采取“对称堆积”及“摆动填充”等配套技术手段，相应可使得局部热量输入位置更为对称，整个已成形构件部分的温度场更加均匀，相应在源头上降低了航天飞行器过渡端框架在电弧熔丝增材制造过程中的实际变形量；

3、本发明还对在线三维测量和截面中心偏移量的具体处理过程和算法、对应的关键工艺参数等方面作出了进一步的优选设计，较多的实际测试表明，其不仅能够实时修正打印路径，显著提高电弧熔丝增材制造构件的成形精度，而且在材料利用率和零件制造周期等方面也具备突出优势，因而尤其适用于飞行器过渡端框架这类大型复杂金属构件的高精度加工制造应用场合。

附图说明

图1是按照本发明优选实施方式所构建的飞行器过渡端框架高精度电弧熔丝增材制造方法的总体工艺流程图；

图2是概括性显示三维测量与电弧熔丝增材制造系统的示意图；

图3a示范性显示了按照本发明所获得的飞行器过渡端框架的三维模型；

图3b是用于示范性显示按照本发明所获得的飞行器过渡端框架的三维模型分区示意图；

图4是按照本发明一个优选实施例、用于显示飞行器过渡端框架打印路径调整过程的示意图。

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。

图1是按照本发明优选实施方式所构建的飞行器过渡端框架高精度电弧熔丝增材制造方法的总体工艺流程图。下面将参照图1来具体解释说明本发明的各个工艺步骤。

首先，是三维建模和分区处理步骤。

在此步骤中，针对作为制造对象的飞行器过渡端框架构件，对其进行三维建模，然后对所获得的三维模型进行区域划分：其中将过渡端框架的底盘划分为第一独立区域也即法兰区，将过渡端框架的侧壁筒体区域划分为第二独立区域也即圆筒区，同时将过渡端框架的侧壁肋板区域划分为第三独立区域也即肋板区。

更具体而言，如图3a和3b所示，首先譬如可以按照飞行器过渡端框架设计图纸，在计算机辅助软件进行待打印过渡端框架的三维建模；然后，对所述的过渡端框架三维模型进行区域划分，其中过渡端框架底盘为一个独立的区域—法兰区；过渡段框架侧壁筒体区域为一个独立区域—圆筒区；过渡端框架侧壁肋板区域为一个独立区域—肋板区。

接着，是平面切片和堆积成形步骤。

在此步骤中，对所获得的三维模型执行平面切片，并在切片后采用电弧熔丝逐层堆积的方式来制造构件：其中在成形过程中首先堆积所述法兰区，然后堆积所述圆筒区，最后采用对称堆积的方式来执行所述肋板区的成形。

作为本发明的关键改进之一，所述对称堆积的方式具体是指，将所述肋板区的各个肋板从0°至360°进行编号，并且每当对处于k°位置的肋板完全堆积成形之后，随后成形位于(180+k)°对称位置的肋板，其中k可取0到360之间的任意数值；以此类推，直至完成对所述肋板区的完全成形。

更具体而言，飞行器过渡端框架电弧熔丝增材制造切片方法为平面切片，切片后生产机器人指令进行过渡端框架的制造成形，具体操作场景可参考图2。

在实际制造时，首先堆积过渡端框架的法兰区；然后在法兰区域上进行圆筒区的成形；最后采用“对称堆积”的方式进行肋板区的成形。其中，所述的“对称堆积”方式是将过渡端框架“肋板区”按照角度进行编号。举例而言，譬如首先可成形0°位置的肋板，随后成形180°位置的肋板；然后成形90°位置的肋板，随后成形270°位置的肋板；再然后成形45°位置的肋板，随后成形225°位置的肋板；依此类推，直至“肋板区”完全成形。

以此方式，由于过渡端框架是分区域成形的，后成形的区域在制造过程中的热量输入，会使得先成形的部分发送热变形。“对称堆积”的成形策略使得热量输入位置对称，整个已成形部分的温度场更加均匀，极大地缓解了航天飞行器过渡端框架在电弧熔丝增材制造过程中的变形量。

按照本发明的一个优选实施例，对于所述法兰区、所述圆筒区或者所述肋板区的各个肋板而言，它们优选采用摆动填充的方式来进行加工。

具体而言，针对截面均为圆环状的法兰区和圆筒区，首先堆积成形外轮廓，接着堆积成形内轮廓，最后在内、外轮廓之间采用摆动填充的方式来回执行轮廓填充，直至整个轮廓填充完毕；此外，该摆动填充的摆动距离优选设定为当前堆积层半径的一半。类似地，针对截面为矩形的各个肋板，首先堆积成形外轮廓，接着沿着长度方向或者宽度方向以摆动填充的方式执行轮廓填充，直至整个轮廓填充完毕；此外，该摆动填充的摆动距离优选设定为当前堆积层宽度的一半。例如，偏移距离为7.5mm，切片的提升高度均不变，均与单道堆积层的高度相等，为2.0mm。

以此方式，保证了当前堆积层具有良好的搭接，同时整层堆积层具有较为平整的表面；与此同时，还减少了搭接次数电弧熔丝增材制造过程中的熄弧断点次数，有效提高了构件的成形精度与力学性能。

最后，是三维测量和偏移量实时修正步骤。

作为本发明的另一关键改进所在，在整个电弧熔丝增材制造过程中，每当堆积成形一层堆积层之后，实时三维测量当前堆积层的截面中心坐标、该截面中心相对于第一层堆积层沿着X轴方向也即水平横向方向的偏移量，以及该截面中心相对于第一层堆积层沿着Y轴方向也即水平纵向方向的偏移量；接着，依据上述两个偏移量对即将成形的下一堆积层的打印路径执行实时修正，直至最终完成整个飞行器过渡端框架的完全成形。

以此方式，不仅能够实时解决由于温度膨胀导致整体坐标偏移、局部堆积层存在倾斜和错位等本领域的多个技术难题，而且还确保了构件的垂直度等关键形状精度指标，因而显著提高了大型复杂金属构件的最终成形精度。

更具体而言，可以使用三维测量仪测量每一层堆积层的截面中心偏移量，并根据偏移量实时调整下一层堆积层的打印路径，由此提高过渡端框架的最终成形精度，该具体操作流程可参考图4如下示范性解释说明：

(1)在打印开始前，使用三维扫描仪对基板进行三维测量，并使用最小二乘法拟合得到参考平面。根据路径规划得到机器指令进行过渡端法兰区第一层堆积层的打印。在打印结束后，对当前堆积层进行非接触三维测量，采集其点云数据。对获取的第一层点云数据进行点云预处理，包括点云降噪与点云冗余数据处理，最终获得当前打印层的截面点云数据N；

(2)对上述的集合N中的点云数据，计算所用数据点的重心,以其为初始圆心坐标并记为P₀；然后计算每一个数据点到重心距离的平均值，记为r₀，以其为初始半径。拟合计算出第一层堆积层截面最优的中心坐标P₁。在对第一层堆积层测量拟合完毕后，进行法兰区第二层堆积层的成形。堆积完毕后，按照上述点云处理方法进行拟合，得到第二层截面堆积层的中心坐标P₂。并且计算第二层堆积层截面中心相对于第一层堆积层截面中心沿X轴方向偏移量A_2-1，Y轴方向偏移量B_2-1；

(3)对第三层打印路径依据上述步骤中得到的X轴方向偏移量A_2-1和Y轴方向偏移量B_2-1进行调整，路径实时修正完毕后，将代码导入机器人控制柜，进行法兰区第三层堆积层的成形，保证过渡端法兰区的整体垂直度。堆积结束后进行点云测量以及拟合，得到第三层堆积层截面的中心坐标为P₃，并计算第三层堆积层中心坐标相对于第一层圆心坐标的偏移量A_3-1与B_3-1。后续打印过程依次类推，打印完毕后进行测量拟合，再实时修正打印路径，直至过度端框架法兰区打印完毕。

飞行器过渡段框架圆筒区、肋板区的成形精度调控方法与法兰区相同。首先使用三维测量仪测量圆筒区与肋板区第一层堆积层截面中心坐标值，并以此为参照值逐层计算每一层堆积层的截面中心偏移量。随后根据每一层堆积层的截面中心偏移量对随后即将成形的堆积层的打印路径进行调整，直至飞行器过渡段框架构件完全成形。

按照本发明的另一优选实施例，堆积层截面点云预处理方法优选可设计为：对获取的点云数据进行点云预处理时，由于三维扫描仪对熔覆层进行测量时，存在许多无效背景点云数据，如果直接对采集到的点云数据进行特征拟合，会影响拟合精度。因此需对点云数据降噪处理，将拟合范围缩小到当前熔覆层附近区域内。由于切片提升高度与单道堆积层的层高相同，而单道堆积层的层高普遍为2.0mm，考虑到后续堆积存在累计高度误差，本发明经过对比研究针对性选择当前堆积高度Z₀±1.0mm作为点云筛选区域，其集合M表示结果如公式(1)所示，同时基于过渡端框架模型的几何尺寸范围，将坐标阈值之外的孤立噪点去除。

M＝{(x,y,z)|z₀-1<z<z₀+1}； (1)

此外，由于三维测量仪拍摄的点云数据密度很大，点云降噪后得到的P中存在着大量的冗余数据点。这些冗余书卷会增加不必要的计算量，使程序运行速度降低，因此需要处理掉这些冗余的数据点。相应地，按照本发明的另一优选实施例，计算点云M中预处理后的每个数据点与背景平面的距离d，将数据点采样区间定义为当前堆积高度Z₀±0.1mm，其集合N表示结果如公式(2)所示：

N＝{(x,y,z)|z₀-0.01<d<z₀+0.01}； (2)

上述技术方案中，打印路径调整方法具体如下所述：在过渡端法兰区和圆筒区的路径规划中，打印路径譬如可以通过圆心和半径计算得到的，调整法兰区和圆筒区的打印路径时只需要将圆心坐标按照计算的X轴方向偏移量A_n-1和Y方向偏移量B_n-1进行偏移，即可调整法兰区和圆筒区的打印路径。

在过渡端肋板区的路径规划中，肋板区的打印路径譬如可以通过肋板截面外轮廓四个顶点的坐标来计算得到，相应调整肋板区的打印路径时，只需要将外轮廓四个顶点的坐标按照计算的X方向偏移量A_n-1和Y方向偏移量B_n-1进行偏移，即可调整肋板区的打印路径。

按照本发明的一个优选实施例，对于截面形状为圆环形的法兰区与圆筒区的截面中心坐标，其计算过程优选具体设计如下：譬如可使用MATLAB函数库中用于拟合非线性函数系数的“lsqnonlin()”，该函数基于初始圆心坐标P₀以及半径r₀利用最小二乘法使得函数F的均方误差(MSE)最小，从而求解出最优的圆心坐标以及半径，如公式(3)和公式(4)所示。

F＝@(p)(X-p₁)²+(Y-p₂)²+(Z-p₃)²-p₄ ² (3)

p＝lsqnonlin(F,[p₀,r₀])； (4)

而对于截面形状为矩形的肋板区的截面中心坐标，其过程优选具体设计如下：计算预处理后点云文件中所有数据点的重心,记为Q₀，以其为矩形的中心。譬如可使用MATLAB函数库中的“minboundrect()”，如公式(5)所示。对所有数据点绘制最小边界矩形同时返回该矩形的长和宽。拟合得到的每一层堆积层的中心坐标Q_n。

F[rectx,recty,area]＝minboundrect(x,y,metric) (5)

相应地，打印路径调整方法具体如下所述：在过渡端法兰区和圆筒区的路径规划中，打印路径可以通过下列公式(6)和(7)计算得出：其中：x₁，y₁坐标是打印数据点的坐标；“angle”为每次递增角度，从0°到360°按照间隔2°等间距取值；R为堆积层半径。圆形轨迹采用直线逼近的方式打印：

x₁＝R*(Math.cos(Math.PI*angle/180)) (6)

y₁＝R*(Math.sin(Math.PI*angle/180)) (7)

此外，对第n层打印路径依据计算的X方向偏移量A_n-1和Y方向偏移量B_n-1对x₁，y₁坐标可以按照下列公式(8)和(9)进行实时修正，保证法兰区和圆筒区整体的垂直度：

x₁＝R*(Math.cos(Math.PI*angle/180))-A_n-1 (8)

y₁＝R*(Math.sin(Math.PI*angle/180))-B_n-1 (9)

以一个实际构件的设计参数为例，按照上述方法计算得到第一次堆积层的截面中心坐标P₁为：(4.7356，-35.6350，2.0768)，截面半径r₁为400.563mm。第二层的截面中心坐标P₂为：(4.2625，-35.3451，4.0562)，截面半径r₂为400.234mm。因此，计算得到A_2-1为-0.3731mm，B_2-1为0.2899mm；此时按照上述方法对第三层打印路径进行实时调整，使用调整后的打印路径成形第三层堆积层，随后使用三维测量系统与MATLAB软件计算第三层的截面中心坐标P₃：(4.6928，-35.4784，6.1425)，半径r₃为400.356mm；因此截面中心偏移量A_3-1为：0.0428mm，B_3-1为：0.1566mm。由此可见，第三层堆积层的截面中心偏移量相对于第二层来说有所减小。按照上述步骤，逐层堆积直至整个法兰区和圆筒区完全成形，经过三维测量法兰区和圆筒区的成形精度为±1.46mm。

在制造完成过渡端框架的法兰区和圆筒区后，准备成形过渡端框架的肋板区。按照上述方法计算得到0°位置的“肋板区”第一次堆积层的截面中心坐标Q₁为：(4.7356，-35.6350，2.0768)。第二层的截面中心坐标Q₂为：(4.2625，-35.3451，4.0562)。因此，计算得到A_2-1为-0.3731mm，B_2-1为0.2899mm；此时按照上述方法对第三层打印路径进行实时调整，使用调整后的打印路径成形第三层堆积层，随后使用三维测量系统与MATLAB软件计算第三层的截面中心坐标Q₃：(4.6928，-35.4784，6.1425)；因此截面中心偏移量A_3-1为：0.0428mm，B_3-1为：0.1566mm。由此可见第三层堆积层的截面中心偏移量相对于第二层来说有所减小。按照上述步骤，逐层堆积直至整个0°位置的肋板区，该区域成形精度为±0.98mm。随后按照对称堆积的方式成形整个肋板区，最终完成航天飞行器过渡端框架的电弧熔丝增材制造，整个构件的成形精度为±1.27mm。

最后，采用与航天飞行器过渡端框架电弧熔丝增材制造选用丝材相对应的工艺参数进行加工制造。在本实际构件的加工过程中中，所用工艺参数分别为，焊接电流：135A；焊接电压：18V；送丝速度：60mm/s；焊接速度：8mm/s。

此外，对于三个区域的切片与路径规划，切片的提升高度优选设定为均不变，均与单道堆积层的高度相等。

在上述技术方案，根据上述成形策略和路径规划，使用编写的路径规划软件获得数据点打印文件，然后按机器人语法格式将数据点文件转换为相应的机器人运动轨代码，以及起熄弧指令，形成完整打印指令，将所述的机器人运动堆积指令导入机器人控制平台，采用与飞行器过渡端框架电弧熔丝增材制造丝材相对应的工艺参数进行构件的加工制造。

在上述技术方案中，所选用的工艺参数包括焊接速度、焊接电流、焊接电压和送丝速度等。

综上，本发明通过采用在线三维扫测量，截面中心线偏移以及“对称堆积”等策略，不仅可实时解决成形构件偏移、堆积层倾斜和错位等技术难，显著改善了构件最终的成形精度，而且在材料利用率和零件制造周期等方面也具备突出优势，因而尤其适用于飞行器过渡端框架这类大型复杂金属构件的高精度加工制造应用场合。

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 (7)

1.一种飞行器过渡端框架高精度电弧熔丝增材制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)三维建模和分区处理

针对作为制造对象的飞行器过渡端框架构件，对其进行三维建模，然后对所获得的三维模型进行区域划分：其中将过渡端框架的底盘划分为第一独立区域也即法兰区，将过渡端框架的侧壁筒体区域划分为第二独立区域也即圆筒区，同时将过渡端框架的侧壁肋板区域划分为第三独立区域也即肋板区；

(b)平面切片和堆积成形

对所获得的三维模型执行平面切片，并在切片后采用电弧熔丝逐层堆积的方式来制造构件：其中在成形过程中首先堆积所述法兰区，然后堆积所述圆筒区，最后采用对称堆积的方式来执行所述肋板区的成形；

所述对称堆积的方式是指，将所述肋板区的各个肋板从0°至360°进行编号，并且每当对处于k°位置的肋板完全堆积成形之后，随后成形位于(180+k)°对称位置的肋板，其中k可取0到360之间的任意数值；以此类推，直至完成对所述肋板区的完全成形；

(c)三维测量和偏移量实时修正

在整个电弧熔丝增材制造过程中，每当堆积成形一层堆积层之后，实时三维测量当前堆积层的截面中心坐标、该截面中心相对于第一层堆积层沿着X轴方向也即水平横向方向的偏移量，以及该截面中心相对于第一层堆积层沿着Y轴方向也即水平纵向方向的偏移量；接着，依据上述两个偏移量对即将成形的下一堆积层的打印路径执行实时修正，直至最终完成整个飞行器过渡端框架的完全成形。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，对于所述法兰区和所述圆筒区而言，它们优选采用摆动填充的方式来进行加工：具体也即针对截面均为圆环状的法兰区和圆筒区，首先堆积成形外轮廓，接着堆积成形内轮廓，最后在内、外轮廓之间采用摆动填充的方式来回执行轮廓填充，直至整个轮廓填充完毕；此外，该摆动填充的摆动距离优选设定为当前堆积层宽度的一半。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，对于所述肋板区的各个肋板而言，其同样优选采用摆动填充的方式来进行加工：具体也即针对截面为矩形的各个肋板，首先堆积成形外轮廓，接着沿着长度方向或者宽度方向以摆动填充的方式执行轮廓填充，直至整个轮廓填充完毕；此外，该摆动填充的摆动距离优选设定为当前堆积层宽度的一半。

4.如权利要求1-3任意一项所述的方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述三维测量和偏移量实时修正的操作过程优选设计如下：

(c1)在成形加工开始之前，对基板进行三维测量，并拟合得到参考平面；

(c2)针对待堆积成形的各个独立区域也即法兰区、圆筒区或肋板区，首先执行第一层堆积层的电弧熔丝增材成形，并在成形结束后，对该当前堆积层进行三维测量，采集其点云数据集合N；

接着，对所获得的点云数据集合N，找出其重心所对应的数据点,将其作为初始截面中心且记录其坐标值P₀；然后计算点云数据集合N中每一个数据点到该初始截面中心的距离平均值，相应拟合计算出第一层堆积层的最优截面中心的坐标值P₁；

(c3)继续执行第二层堆积层的电弧熔丝增材成形，并在成形结束后，采用与子步骤(c2)相同的方式测量及拟合计算出第二层堆积层的最优截面中心的坐标值P₂，同时计算出该坐标值P₂相对于所述坐标值P₁沿着X轴方向和Y轴方向的实际偏移量A_2-1、B_2-1；

(c4)针对第三层堆积层，依据上述两个偏移量对对其打印路径执行实时修正，接着执行该第三层堆积层的电弧熔丝增材成形；

并在打印结束后，采用与子步骤(c2)相同的方式测量及拟合计算出第三层堆积层的最优截面中心的坐标值P₃，同时计算出该坐标值P₃相对于所述坐标值P₁沿着X轴方向和Y轴方向的实际偏移量A_3-1、B_3-1；

以此类推，直至完成所有待堆积层的电弧熔丝增材成形。

5.如权利要求1-4任意一项所述的方法，其特征在于，在采用电弧熔丝逐层堆积的方式来制造构件的整个过程中，每层切片沿着Z轴方向也即竖直向上方向的提升高度均不变，并且设定为与各个堆积层的高度保持相等。

6.如权利要求1-5任意一项所述的方法，其特征在于，在采用电弧熔丝逐层堆积的方式来制造构件的整个过程中，根据上述堆积成形和偏移量实时修正处理方式，获得对应的数据点打印文件，并将其转换为对应的机器人运动轨代码以及起熄弧指令，由此形成完整打印指令；接着，将该打印指令导入机器人控制平台，并配套采用与飞行器过渡端框架电弧熔丝增材制造丝材相对应的工艺参数，由此执行构件的实际加工制造。

7.一种高精度飞行器过渡端框架构件产品，其特征在于，其采取如权利要求1-6任意一项所述的方法而制得。

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