CN112276296A - 一种提高电弧增材结构件内部质量的路径规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提高电弧增材结构件内部质量的路径规划方法，包括：提取待加工零件截面形状，根据截面形状得到截面路径，并将截面路径按照开放路径、闭合路径和交叉点路径进行分类；分类后，对不同类别的路径分别进行路径规划，将起弧点和收弧点设计在零件本体的外部，在零件外设计出起弧路径和收弧路径，该起弧路径和收弧路径作为加工余量，在后续加工中去除；将所有路径组合，完成起弧和收弧点设置在零件外的路径规划。该路径规划方法将起弧、收弧点设置在零件外的起弧、收弧路径内，并通过后续加工去除，避免了将起弧、收弧点留在零件内造成缺陷，提高了增材成形效率和质量。

Description

一种提高电弧增材结构件内部质量的路径规划方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，特别涉及一种提高电弧增材结构件内部质量的路径规划方法，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。在电弧增材制造中，每一层成形过程都包含起弧和收弧步骤。然而，在起弧点和收弧点处十分容易形成气孔、夹渣、未熔合、裂纹等缺陷，因此电弧增材制造起弧和收弧点位置是影响零件质量的关键因素。
现有增材制造的路径规划方法是直接对零件分层切片后的截面区域进行路径规划的，因此在起弧与收弧点处的内部质量容易出现问题。为实现电弧增材制造质量控制，中国专利《一种电弧增材制造成形质量的主动控制方法》(公开号：CN106180986A)公开了一种通过主动控制工艺参数和外加冷却系统，进行电弧增材质量主动控制，但是该方法引入外加设备较多，且主要作用在电弧增材制造过程中，未实现在前期路径规划上提出高效、有效的避免质量问题的方法。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种提高电弧增材结构件内部质量的路径规划方法，通过合理的路径规划设计，将起弧点和收弧点设计在零件本体的外部，在零件外设计出起弧、收弧路径，并在后续加工中去除，避免将起弧、收弧点留在零件内部造成缺陷，从而完成本发明。
本发明提供了的技术方案如下：
一种提高电弧增材结构件内部质量的路径规划方法，该路径规划方法包括：
提取待加工零件截面形状，根据截面形状得到截面路径，并将截面路径按照开放路径、闭合路径和交叉点路径进行分类；
分类后，对不同类别的路径分别进行路径规划，将起弧点和收弧点设计在零件本体的外部，在零件外设计出起弧路径和收弧路径，该起弧路径和收弧路径作为加工余量，在后续加工中去除；
将所有路径组合，完成起弧和收弧点设置在零件外的路径规划。
进一步地，对开放路径进行路径规划的步骤中：根据路径长度和单道成形宽度向两侧延伸10～30mm长度的直线或曲线作为起弧路径和收弧路径，对应的路径端点为起弧点和收弧点；两端的起弧路径和收弧路径均设计为加工余量，通过后续机械加工切除；规划后的开放路径为：以一端延伸出的起弧点为起点，经开放路径，到另一端延伸出的收弧点为终点。
在工艺参数设置中，从起弧点到收弧点使用相同的工艺参数
本发明人经过大量研究摸索，发现起弧点10mm内，形成气孔、夹渣、未熔合、裂纹等缺陷地概率较大，为避免将上述缺陷引入成形结构件内，起弧路径和收弧路径优选大于10mm，再经过0～20mm的稳定区域后，几乎不会形成气孔、夹渣、未熔合、裂纹等缺陷，考虑后续机械加工切除难度和成本，确定起弧路径和收弧路径的长度为10～30mm。
进一步地，对于闭合路径的路径规划，所述起弧和收弧路径可以设计为同一条路径，也可以设计为两条不同路径。
在设计为同一条路径时，对闭合路径进行路径规划的步骤中：在闭合路径平滑位置处向外延伸10～30mm直线或曲线同时作为起弧路径和收弧路径，该直线或曲线远离闭合路径的端点设置为起弧点和收弧点；起弧路径和收弧路径在零件截面区域外的部分作为加工余量，通过后续机械加工切除；规划后的闭合路径为：以该零件截面区域外的直线或曲线远离闭合路径的起弧点为起点，经过起弧路径、闭合路径后，最终回到收弧路径，以和起弧点为同一点的收弧点为终点。
对于闭合路径，在起弧和收弧路径处会产生一个路径重叠部位。为避免起弧路径和收弧路径在同一层内产生重叠部分两次增材成形而导致局部过高，对起弧路径和收弧路径重叠部分使用另一组电弧增材参数，使其单道成形高度为零件路径内成形高度的一半。即在工艺参数设置中，闭合路径使用相同的工艺参数，起弧路径和收弧路径的重叠部分使用另一组电弧增材参数，使其单道成形高度为零件闭合路径内成形高度的一半，最终成形高度与零件闭合路径内成形高度一致。起弧路径和收弧路径重叠部分的电弧增材参数需经过前期的工艺实验确定，非重叠部分的工艺参数可用与成形闭合路径相同的参数。
在设计为两条不同路径时，路径规划的步骤与起弧和收弧路径为同一条路径时相同，区别仅在于，零件截面区域外的起弧路径和收弧路径为不完全重叠的两条路径，起弧点和收弧点为两个独立的端点。规划后的闭合路径为：以该零件截面区域外的直线或曲线远离闭合路径的两个端点之一为起点，经过起弧路径、闭合路径后，最终回到收弧路径，以远离闭合路径的另外一个端点为终点。
进一步地，对交叉点路径进行路径规划的步骤中：对于任意两条轨迹的交叉点，后成形的路径在和先成形的路径交叉处，沿着先成形路径的平行方向进行一段10～30mm直线或曲线的路径延伸作为起弧路径或收弧路径；将平行于先成形路径的起弧路径或收弧路径设置为加工余量，通过后续机械加工切除；规划后的交叉点路径为：先成形的路径依据开放路径或闭合路径原则进行路径规划，后成形的路径在交叉处包含与先成形路径相平行的起弧路径或收弧路径，后成形路径未交叉处依据开放路径原则进行路径规划。
在工艺参数设置中，对于交叉点路径，从起弧点到收弧点使用相同的工艺参数。
根据本发明提供的一种提高电弧增材结构件内部质量的路径规划方法，具有以下有益效果：
(1)本发明提高电弧增材结构件内部质量的路径规划方法，在路径规划中将电弧增材的起弧点和收弧点全部设置在零件区域外部，避免了电弧增材零件内起弧点和收弧点处容易产生缺陷的问题；
(2)本发明提高电弧增材结构件内部质量的路径规划方法，对于设计的起弧和收弧路径，通过合理的路径规划设计，可使起弧与收弧路径连接在原路径的起始和终止点，保证路径规划的连贯性，无需增加额外的独立路径，提高路径规划和增材成形效率；
(3)本发明提高电弧增材结构件内部质量的路径规划方法，在增加起弧路径和收弧路径的路径规划中，特别是闭合路径的路径规划中，通过对起弧路径和收弧路径合理的工艺参数设计，使其层内各处单道成形高度保持一致，避免了重合路径造成的局部层内高度不平整而导致在增材过程中实时打磨或打印失败的情况。
(4)本发明提高电弧增材结构件内部质量的路径规划方法，在交叉点路径的路径规划中，后成形的路径在和先成形的路径交叉处，沿着先成形路径的平行方向进行一段直线或曲线的路径延伸作为起弧路径或收弧路径，通过起弧路径或收弧路径平行于先成形路径的设置，利于实现后成形路径层内高度一致。
附图说明
图1为本发明一种提高电弧增材结构内部质量路径规划方法的流程图；
图2为某零件结构和截面形状示意图；
图3为零件的路径分类示意图；
图4为零件的开放路径的路径规划示意图；
图5为零件的一种闭合路径的路径规划示意图；
图6为零件的交叉点路径的路径规划示意图；
图7为零件的整体路径规划示意图；
图8为零件路径规划后成形的截面形状和去除起弧路径与收弧路径位置后的形状对比图；
图9为零件的另一种闭合路径的路径规划示意图。
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。
以图1所示零件为例，说明本发明提供的一种提高电弧增材结构件内部质量的路径规划方法。
对于图1中零件，首先提取截面形状，从中得到截面路径，并将其按照开放路径、闭合路径、和交叉点路径进行分类。分类后，对不同类别的路径分别设计起弧/收弧点、起弧/收弧路径、加工余量、工艺参数。最后将规划好的各类路径进行组合，完成将起弧和收弧点设置在零件外的路径规划。
零件结构和截面形状如图2所示，零件材料为铝合金，截面为等截面宽度，电弧增材成形参数为：送丝速度6m/min，成形速度6mm/s，成形电流102A，记为参数组1。依据截面形状，可以得到截面路径，并将其按照开放路径、闭合路径、和交叉点路径进行分类，如图3所示。
(1)开放路径
开放路径是指在该路径中从起点到终点轨迹是单一线的路径。如图4为实施例1中开放路径的路径规划示意图。此时根据路径长度和单道成形宽度可向两侧延伸10～30mm长度的直线作为起弧路径和收弧路径，对应的路径端点位置为起弧点和收弧点。在电弧增材制造零件的加工余量设计中，将两端的起弧路径和收弧路径均设计为加工余量，通过后续机械加工切除，避免留在零件内部。在路径规划中，直接将路径设置为从一端延伸出的起弧点为起点到另一端延伸出的收弧点为终点。在工艺参数设置中，从起弧点到收弧点使用均使用参数组1即可。
(2)闭合路径
闭合路径是指该路径上起点和终点是同一点的路径。如图5为实施例1中闭合路径的路径规划示意图。此时在闭合路径上取合适位置向外延伸10～30mm直线同时作为起弧路径和收弧路径，该直线远离闭合路径的端点同时设置为起弧和收弧点。在电弧增材制造零件的加工余量设计中，将零件区域外的起弧路径和收弧路径设置为加工余量，通过后续机械加工切除，避免起弧点和收弧点留在零件内部。在路径规划中，以该直线或曲线远离闭合路径的端点设置为起点，经过起弧路径、闭合路径后，最终回到收弧路径，以和起点的同一点为终点。在工艺参数设置中，为避免起弧路径和收弧路径在同一层内两次增材成形造成局部过高，对起弧路径和收弧路径重叠处使用电弧增材成形参数为：送丝速度4m/min，成形速度8mm/s，成形电流68A，记为参数组2，在参数组2下单道成形高度为参数组1成形高度的一半。
(3)交叉点路径
交叉点路径是指在路径间相互交叉、存在交叉点的路径。如图6为实施例1中交叉点路径的路径规划示意图。此时轨迹中存在两条后成形的交叉点路径，一条在路径两端都存在交叉，一条仅在路径其中一端存在交叉。对于在路径两端都存在交叉的路径，在两端交叉处分别延伸出一段10～30mm的平行于先成形路径的直线路径，作为起弧路径和收弧路径；对于在其中一端存在交叉的路径，将交叉处延伸出一段10～30mm的平行于先成形路径的直线路径，作为起弧路径，收弧路径依据(1)中开放路径的收弧点设计原则，直接延伸出一段直线路径作为收弧路径。在电弧增材制造零件的加工余量设计中，将平行于先成形路径的起弧或收弧路径、以及延伸出的直线路径设置为加工余量，通过后续机械加工切除，避免留在零件内部。在路径规划中，后成形的路径在交叉处分成2段，其中一段两端包含平行于先成形路径的起弧路径和收弧路径，另一段的一端为平行于先成形路径的起弧路径，另一端为开放路径上直接向外延伸出的一段收弧路径。在工艺参数设置中，对于交叉点路径，从起弧点到收弧点均使用参数组1即可。
如图7为对上述开放路径、闭合路径和交叉点路径分别完成路径规划后，将全部路径组合得到的实施例1的路径规划。如图8为使用本发明路径规划后成形的截面形状和去除起弧与收弧路径位置后的形状对比。可以看出，该路径规划实现将起弧点和收弧点全部置于零件结构外，避免了零件内起弧位置和收弧位置容易产生缺陷的问题。经X光无损检测，该零件在使用本发明的路径规划方法成形，并去除起弧路径与收弧路径后，零件内部各处无明显气孔、裂纹缺陷，符合HB5480高强度铝合金优质铸件I级标准。
此外，对于本实施例中的闭合路径部分，其起弧路径和收弧路径也可设计为不同的路径，如图9所示。此时起弧路径和收弧路径分别为两段不同的路径，路径重叠部分更少，重叠部分使用另一组电弧增材参数，使其单道成形高度为零件路径内成形高度的一半。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
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 (8)

1.一种提高电弧增材结构件内部质量的路径规划方法，其特征在于，该路径规划方法包括：
提取待加工零件截面形状，根据截面形状得到截面路径，并将截面路径按照开放路径、闭合路径和交叉点路径进行分类；
分类后，对不同类别的路径分别进行路径规划，将起弧点和收弧点设计在零件本体的外部，在零件外设计出起弧路径和收弧路径，该起弧路径和收弧路径作为加工余量，在后续加工中去除；
将所有路径组合，完成起弧和收弧点设置在零件外的路径规划。
2.根据权利要求1所述的路径规划方法，其特征在于，对开放路径进行路径规划的步骤中：根据路径长度和单道成形宽度向两侧延伸10～30mm长度的直线或曲线作为起弧路径和收弧路径，对应的路径端点为起弧点和收弧点；
两端的起弧路径和收弧路径均设计为加工余量，通过后续机械加工切除；
规划后的开放路径为：以一端延伸出的起弧点为起点，经开放路径，到另一端延伸出的收弧点为终点。
3.根据权利要求2所述的路径规划方法，其特征在于，在工艺参数设置中，从起弧点到收弧点使用相同的工艺参数。
4.根据权利要求1所述的路径规划方法，其特征在于，对闭合路径进行路径规划的步骤中：在闭合路径平滑位置处向外延伸10～30mm直线或曲线同时作为起弧路径和收弧路径，该直线或曲线远离闭合路径的端点设置为起弧点和收弧点；
起弧路径和收弧路径在零件截面区域外的部分作为加工余量，通过后续机械加工切除；
规划后的闭合路径为：以该零件截面区域外的直线或曲线远离闭合路径的起弧点为起点，经过起弧路径、闭合路径后，最终回到收弧路径，以和起弧点为同一点的收弧点为终点。
5.根据权利要求4所述的路径规划方法，其特征在于，在工艺参数设置中，闭合路径使用相同的工艺参数，起弧路径和收弧路径的重叠部分使用另一组电弧增材参数，使其单道成形高度为零件闭合路径内成形高度的一半，最终成形高度与零件闭合路径内成形高度一致。
6.根据权利要求4所述的路径规划方法，其特征在于，所述起弧和收弧路径可以设计为同一条路径，也可以设计为两条不同路径；
在设计为两条不同路径时，规划后的闭合路径为：以该零件截面区域外的直线或曲线远离闭合路径的两个端点之一为起点，经过起弧路径、闭合路径后，最终回到收弧路径，以远离闭合路径的另外一个端点为终点。
7.根据权利要求1所述的路径规划方法，其特征在于，对交叉点路径进行路径规划的步骤中：对于任意两条轨迹的交叉点，后成形的路径在和先成形的路径交叉处，沿着先成形路径的平行方向进行一段10～30mm直线或曲线的路径延伸作为起弧路径或收弧路径；
将平行于先成形路径的起弧路径或收弧路径设置为加工余量，通过后续机械加工切除；
规划后的交叉点路径为：先成形的路径依据开放路径或闭合路径原则进行路径规划，后成形的路径在交叉处包含与先成形路径相平行的起弧路径或收弧路径，后成形路径未交叉处依据开放路径原则进行路径规划。
8.根据权利要求1所述的路径规划方法，其特征在于，在工艺参数设置中，对于交叉点路径，从起弧点到收弧点使用相同的工艺参数。
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