CN112570853A - 自适应机器人电弧增材制造系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应机器人电弧增材制造系统和方法。该系统包括焊接系统，用于携带所述焊接系统中的焊机移动的机器人；用于建立增材制造的目标的三维模型，并根据所述三维模型规划所述运动系统中的机器人增材制造所述目标的运动轨迹的设计系统；用于采集所述焊接系统的各项焊接参数的焊接检测装置；用于接收和分析所述设计系统规划的运动轨迹以及所述焊接检测装置采集的焊接参数，并根据分析结果实时输出相应的控制指令给所述运动系统和焊接系统的控制系统，其中所述控制指令包括用于调整所述运动系统中的机器人运动姿态的姿态控制指令以及用于调节所述焊接系统中的送丝机送丝速度的速度控制指令。

Description

自适应机器人电弧增材制造系统和方法

技术领域

本发明涉及机械加工与制造技术领域，尤其是一种自适应机器人电弧增材制造系统和方法。

背景技术

电弧增材制造技术(Wire+arc additive manufacturing，WAAM)，是一种以电弧为热源，金属丝材为原材料的增材制造技术。其具体工艺过程为：通过计算机软件设计目标构件三维模型，并将该三维模型沿某一方向或多个方向进行二维切片分解，针对每一切片层合理规划沉积路径，由运动系统控制电弧沿设定的沉积路径逐层熔化金属丝材，最终实现三维实体零件的直接制造成型。

在电弧增材制造过程中，受热积累、运动机构移动误差、工件形状复杂多变等因素影响，增材制造过程中熔池凝固速度、铺展面积等参数均随时间不断发生变化，极易导致构件沿沉积路径高度发生起伏，甚至发生沉积层塌陷使构件报废等严重问题，传统的电弧增材制造工艺无法做到增材制造过程的实时闭环反馈控制，常常需要停止增材制造过程以进行手工调节各项焊接电参数及机器人运动参数等工作，造成制造效率低，同时因停止时间不固定，易造成增材试样各层成型时的温度差异较大，造成构件不同位置的性能差异较大，使构件内部易产生气孔、夹杂等缺陷。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种自适应机器人电弧增材制造系统和增材制造方法。

根据本发明的一个方面，一种自适应机器人电弧增材制造系统，包括：

焊接系统，包括焊接电源、送丝机和焊机；

运动系统，包括用于携带所述焊接系统中的焊机移动的机器人；

设计系统，用于建立增材制造的目标的三维模型，并根据所述三维模型规划所述运动系统中的机器人增材制造所述目标的运动轨迹；

监测系统，包括用于采集所述焊接系统的各项焊接参数的焊接检测装置；

控制系统，其与所述设计系统、监测系统、运动系统和焊接系统连接，用于接收和分析所述设计系统规划的运动轨迹以及所述焊接检测装置采集的焊接参数，并根据分析结果实时输出相应的控制指令给所述运动系统和焊接系统，以控制增材制造所述目标的焊接过程；

其中，所述控制指令包括用于调整所述运动系统中的机器人运动姿态的姿态控制指令以及用于调节所述焊接系统中的送丝机送丝速度的速度控制指令。

根据本发明的一个实施例，所述焊接系统还包括氩气气瓶和冷却水箱；所述焊机连接所述焊接电源、送丝机、氩气气瓶和冷却水箱。

根据本发明的一个实施例，所述运动系统还包括用于调节所述目标位置的变位机；所述控制指令还包括用于调整所述运动系统中的变位机位置的位置控制指令。

根据本发明的一个实施例，所述机器人包括六轴关节型机器人，所述变位机包括二轴变位机。

根据本发明的一个实施例，所述设计系统中设置有三维建模软件、分层切片及路径规划软件、G代码文件后置处理软件和机器人离线编程及参数配置软件。

根据本发明的一个实施例，所述焊接检测装置包括焊接电流检测装置和电弧弧压检测装置。

根据本发明的一个实施例，所述控制系统还用于设置所述焊接电源提供给焊机的焊接电流和/或电弧弧压。

根据另一方面，本发明的利用上述的自适应机器人电弧增材制造系统实现的增材制造方法，其特征在于，包括以下弧长调节步骤：

控制系统将焊接检测装置检测到的实际电弧弧压与预设弧压阈值范围进行比较；

当实际电弧弧压大于预设弧压阈值范围时，控制系统输出姿态控制指令至运动系统，控制运动系统中的机器人所携带的焊机的高度降低，从而减小电弧长度，使得实际电弧弧压降低至预设弧压阈值范围内；

当实际电弧弧压小于预设弧压阈值范围时，控制系统输出姿态控制指令至运动系统，控制运动系统中的机器人所携带的焊机的高度升高，从而增大电弧长度，使得实际电弧弧压升高至预设弧压阈值范围内。

根据本发明的一个实施例，上述增材制造方法，其特征在于，还包括以下送丝调节步骤：

控制系统将焊接检测装置检测到的实际电弧弧压与预设弧压阈值范围进行比较；

当实际电弧弧压大于预设弧压阈值范围时，控制系统判定增材制造的目标表面产生塌陷，输出速度控制指令至送丝机，控制送丝机增大送丝速度；

当实际电弧弧压小于预设弧压阈值范围时，控制系统判定增材制造的目标表面产生凸起，输出速度控制指令至送丝机，控制送丝机减小送丝速度。

根据本发明的一个实施例，上述增材制造方法，其特征在于，还包括以下反馈调节步骤：

当送丝速度发生变化时，焊接检测装置检测增材制造过程中焊接电源提供给焊机的焊接电流和电弧弧压；

当实际焊接电流大于预设电流阈值范围时，控制系统控制送丝机降低送丝速度，使与送丝速度一元化匹配的焊接电流降低，直至实际焊接电流值处于预设电流阈值范围内，同时控制系统控制机器人降低运动速度，增大单位长度目标的金属填充量；

当实际焊接电流小于预设电流阈值范围时，控制系统控制送丝机提高送丝速度，使与送丝速度一元化匹配的焊接电流升高，直至实际焊接电流值处于预设电流阈值范围内，同时控制系统控制机器人提高运动速度，减小单位长度目标的金属填充量。

与现有技术相比，本发明的上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明提供一种自适应机器人电弧增材制造系统和方法，能够解决传统电弧增材制造工艺对复杂形状零件的工艺适用性差，增材制造过程中受热积累等因素影响，造成熔池凝固时间和铺展面积等参数变化，使构件形成高度起伏等缺陷，进而导致构件成型质量变差和焊接缺陷增加等一系列问题。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示出了本发明实施例一的自适应机器人电弧增材制造系统的部分组成示意图；

图2示出了本发明实施例一的自适应机器人电弧增材制造系统的部分组成示意图；

图3示出了本发明实施例一的自适应机器人电弧增材制造系统的部分组成示意图；

图4示出了本发明实施例二的自适应机器人电弧增材制造方法的工作流程示意图；

图5示出了采用现有的增材制造方法获得的增材制造构件形貌的示意图；

图6示出了利用本发明实施例一的自适应机器人电弧增材制造系统和本发明实施例二的自适应机器人电弧增材制造方法获得的增材制造构件形貌的示意图。

图中，1为多参数精确控制焊接电源，2为焊接检测装置，3为焊机/焊枪，4为PC机，5为机器人控制柜，6为机器人，7为变位机，8为送丝机，9为气瓶，10为冷却水箱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方法，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一

如图1至图3所示，本实施例提供一种自适应电弧增材制造系统。该系统包括：

焊接系统，包括焊接电源、送丝机和焊机；

运动系统，包括用于携带所述焊接系统中的焊机移动的机器人；

设计系统，用于建立增材制造的目标的三维模型，并根据所述三维模型规划所述运动系统中的机器人增材制造所述目标的运动轨迹；

监测系统，包括用于采集所述焊接系统的各项焊接参数的焊接检测装置；

控制系统，其与所述设计系统、监测系统、运动系统和焊接系统连接，用于接收和分析所述设计系统规划的运动轨迹以及所述焊接检测装置采集的焊接参数，并根据分析结果实时输出相应的控制指令给所述运动系统和焊接系统，以控制增材制造所述目标的焊接过程。

下面详细地介绍各系统的配置和功能。

在本实施例中，焊接系统包括多参数精确控制焊接电源1、焊机(在此为焊枪)3、送丝机8、氩气气瓶9、冷却水箱10，所述焊枪3与多参数精确控制焊接电源1、送丝机8、氩气气瓶9、冷却水箱10通过电气和机械连接。所述多参数精确控制焊接电源1提供给焊枪3的电流和/或电压的大小、极性、占空比、频率等一个参数或多个参数可以进行调节。

在本实施例中，运动系统包括六轴关节型机器人6、二轴变位机7，用于执行控制系统发出的各项运动控制指令。

在本实施例中，设计系统可以为一单独计算机设备，该设备上设置的软件包括三维建模软件SOLIDWORKS，分层切片及路径规划软件Cura，基于C#语言开发的上位机通信控制软件和G代码后置处理软件，机器人离线编程及参数配置软件RobotStudio。其中，所述SOLIDWORKS用于通过创建草图直接生成简单零件机器人增材制造的运动轨迹，以及为较难通过创建草图直接生成运动轨迹的复杂形状零件，创建三维实体构件模型，所述Cura用于对三维实体构件模型进行分层切片及路径规划，生成G代码文件，所述G代码后置处理软件用于从G代码文件中提取出运动坐标点的空间位置信息并转换为基于Rapid语言的，可供机器人直接读取的运动控制代码，所述RobotStudio用于在虚拟环境中对机器人增材制造过程进行仿真，并对机器人及外围设备进行配置。

在本实施例中，监测系统包括用于采集所述焊接系统的各项焊接参数的焊接检测装置，尤其是焊接电流和电弧弧压检测装置2，用以在焊接过程中对焊接电流及焊接电压进行采集并发送给控制系统进行分析处理。

在本实施例中，控制系统包括PC机4和机器人控制柜5，PC机4与机器人控制柜5进行电气连接，通过以太网连接进行机器人运动指令及焊接电参数信号的传输。机器人控制柜5与焊接电流和电弧弧压检测装置2通过电气连接，通过以太网连接进行机器人运动指令及焊接电参数信号的传输。所述控制系统用于接收和分析设计系统处理的数据和监测系统采集的数据，根据分析结果实时控制机器人6的运动姿态以及送丝机8的送丝速度。此外，所述控制系统中的PC机4还与多参数精确控制焊接电源1通过电气连接，通过RS485串行通信进行指令及信号的传输，通过PC机4设定多参数精确控制焊接电源1的电弧工艺参数(包括电弧电流模式、电流值)。

实施例二

如图4所示，本实施例还提供一种自适应机器人电弧增材制造方法，该方法包括如下步骤：

对于薄壁件、等直径圆筒等形状简单的模型，直接在SOLIDWORKS软件中通过草图绘制机器人运动轨迹，对形状较为复杂的构件在SOLIDWORKS软件中绘制出三维实体模型。

利用Cura软件按照工艺要求层高等参数对三维实体模型进行分层切片及路径规划，生成G代码文件。

利用G代码后置处理软件提取出增材制造坐标点的空间位置信息，转换为基于Rapid语言的，可被机器人直接读取的运动控制代码。

对于薄壁件、等直径圆筒等形状简单的模型，将在SOLIDWORKS软件中绘制的，包含机器人运动轨迹信息的草图导入RobotStudio软件中直接生成机器人运动控制代码，对于较难直接绘制机器人运动轨迹的形状复杂构件，将G代码后置处理软件生成的机器人运动控制代码导入RobotStudio软件中，生成或导入机器人运动控制代码后，在RobotStudio软件中对增材制造过程进行仿真，对运动奇异点、机器人和焊枪的位姿错误等进行矫正，同时对机器人及外围设备进行配置及位置回HOME点等初始化设置。

确定每一层的焊接电流的数值、占空比、频率等电参数，送丝机送丝速度，焊接速度，并在控制系统中完成设置。

清理试样表面，除去油污、氧化膜等影响焊接质量的杂质。

打开控制柜开关，焊机开关，气阀、冷却水箱水阀，启动控制器程序，开始按照设计的机器人运动轨迹和焊机焊接参数进行焊接。

在监测系统采集的电参数信息反馈至控制系统后，控制系统处理这些信息并进行信息显示，并执行以下弧长调节及送丝调节的相关步骤。

在本实施例中，弧长调节优先于送丝调节。然而，应当说明的是，实际应用时，可不限于此。

弧长调节的具体过程为：

(1)监测系统不断测量增材制造过程中的电流和电压数值，将弧压U与预设弧压阈值比较，一般弧压阈值Umax＝(1+10％)U₀，Umin＝(1-10％)U₀，U₀为设定弧压值；

(2)若实际弧压值U大于阈值Umax，则由控制系统输出Z轴下降指令至运动系统，控制机器人末端的氩弧焊枪高度降低，从而减小电弧长度，使弧压降低，直至实际弧压值处于弧压阈值Umin～Umax内。

(3)若实际弧压值U小于阈值Umin，则由控制系统输出Z轴上升指令至运动系统，控制机器人末端的氩弧焊枪高度升高，从而增大电弧长度，使弧压升高，直至实际弧压值处于弧压阈值Umin～Umax内。

在弧长调节的基础上，进一步进行送丝调节，送丝调节的具体过程为：

(1)根据控制系统处理后的电参数信息，判断增材试样表面情况；

(2)若弧压值过高，则判定试样表面产生塌陷，由控制系统输出送丝速度增大指令至送丝机，控制送丝速度增大。

(3)若弧压值过低，则判定试样表面产生凸起，由控制系统输出送丝速度减小指令至送丝机，控制送丝速度减小。

此外，当送丝速度变化时，焊接电流与送丝速度一元化匹配变化，系统实时监测焊接电流值并对送丝速度及运动速度进行反馈控制，具体步骤为：

(1)监测系统不断测量增材制造过程中的电流和电压数值，将电流I与预设电流阈值比较，一般电流阈值Imax＝(1+15％)I₀，Imin＝(1-15％)I₀，I₀为设定电流值；

(2)若实际电流值I大于阈值Imax，则由控制系统控制送丝机降低送丝速度，使与送丝速度一元化匹配的焊接电流数值降低，直至实际电流值处于电流阈值Imin～Imax内。同时控制机器人降低运动速度，增大单位长度试样的金属填充量。

(3)若实际电流值I小于阈值Imin，则由控制系统控制送丝机提高送丝速度，使与送丝速度一元化匹配的焊接电流数值增加，直至实际电流值处于电流阈值Imin～Imax内。同时控制机器人增加运动速度，减小单位长度试样的金属填充量。

本发明提供一种自适应机器人电弧增材制造系统。该系统包括设计系统、焊接系统、控制系统、监测系统、运动系统，其中，设计系统包括三维建模软件SOLIDWORKS，分层切片及路径规划软件Cura，基于C#语言开发的G代码文件后置处理软件，机器人离线编程及参数配置软件RobotStudio；控制系统包括安装有C#语言开发的上位机控制软件的PC机，机器人控制柜；运动系统包括六轴关节型机器人、二轴变位机；焊接系统包括多参数精确控制焊接电源、送丝机、氩气气瓶、冷却水箱、焊枪；监测系统包括焊接电流和电弧弧压检测装置；控制系统用于接收处理设计系统处理的数据和焊接过程监测系统采集的数据，根据结果实时控制机器人的运动姿态以及送丝机的送丝速度。

图5示出了采用现有的增材制造方法获得的增材制造构件形貌的示意图；

图6示出了利用本发明实施例一的自适应机器人电弧增材制造系统和本发明实施例二的自适应机器人电弧增材制造方法获得的增材制造构件形貌的示意图。

由图5和图6的比对可以看出，本发明通过设计系统处理获取机器人在构件增材制造过程中的运动轨迹，通过监测系统在增材制造过程中采集数据并发送给控制系统，控制系统处理数据后对机器人的运动轨迹和送丝机的送丝速度进行实时纠正控制，实现了构件增材制造过程的闭环控制。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

需要说明的是，本发明实施例的方法可以由单个设备执行，例如一台计算机或服务器等。本实施例的方法也可以应用于分布式场景下，由多台设备相互配合来完成。在这种分布式场景的情况下，这多台设备中的一台设备可以只执行本发明实施例的方法中的某一个或多个步骤，这多台设备相互之间会进行交互以完成所述的方法。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种自适应机器人电弧增材制造系统，包括：

焊接系统，包括焊接电源、送丝机和焊机；

运动系统，包括用于携带所述焊接系统中的焊机移动的机器人；

设计系统，用于建立增材制造的目标的三维模型，并根据所述三维模型规划所述运动系统中的机器人增材制造所述目标的运动轨迹；

监测系统，包括用于采集所述焊接系统的各项焊接参数的焊接检测装置；

控制系统，其与所述设计系统、监测系统、运动系统和焊接系统连接，用于接收和分析所述设计系统规划的运动轨迹以及所述焊接检测装置采集的焊接参数，并根据分析结果实时输出相应的控制指令给所述运动系统和焊接系统，以控制增材制造所述目标的焊接过程；

其中，所述控制指令包括用于调整所述运动系统中的机器人运动姿态的姿态控制指令以及用于调节所述焊接系统中的送丝机送丝速度的速度控制指令。

2.根据权利要求1所述的自适应机器人电弧增材制造系统，其特征在于，

所述焊接系统还包括氩气气瓶和冷却水箱；所述焊机连接所述焊接电源、送丝机、氩气气瓶和冷却水箱。

3.根据权利要求1所述的自适应机器人电弧增材制造系统，其特征在于，

所述运动系统还包括用于调节所述目标位置的变位机；所述控制指令还包括用于调整所述运动系统中的变位机位置的位置控制指令。

4.根据权利要求3所述的自适应机器人电弧增材制造系统，其特征在于，

所述机器人包括六轴关节型机器人，所述变位机包括二轴变位机。

5.根据权利要求1所述的自适应机器人电弧增材制造系统，其特征在于，

所述设计系统中设置有三维建模软件、分层切片及路径规划软件、G代码文件后置处理软件和机器人离线编程及参数配置软件。

6.根据权利要求1所述的自适应机器人电弧增材制造系统，其特征在于，

所述焊接检测装置包括焊接电流和电弧弧压检测装置。

7.根据权利要求6所述的自适应机器人电弧增材制造系统，其特征在于，

所述控制系统还用于设置所述焊接电源提供给焊机的焊接电流和/或电弧弧压。

8.一种利用如权利要求1所述的自适应机器人电弧增材制造系统实现的增材制造方法，其特征在于，包括：

控制系统将焊接检测装置检测到的实际电弧弧压与预设弧压阈值范围进行比较；

当实际电弧弧压大于预设弧压阈值范围时，控制系统输出姿态控制指令至运动系统，控制运动系统中的机器人所携带的焊机的高度降低，从而减小电弧长度，使得实际电弧弧压降低至预设弧压阈值范围内；

当实际电弧弧压小于预设弧压阈值范围时，控制系统输出姿态控制指令至运动系统，控制运动系统中的机器人所携带的焊机的高度升高，从而增大电弧长度，使得实际电弧弧压升高至预设弧压阈值范围内。

9.根据权利要求8所述的增材制造方法，其特征在于，还包括以下送丝调节步骤：

控制系统将焊接检测装置检测到的实际电弧弧压与预设弧压阈值范围进行比较；

当实际电弧弧压大于预设弧压阈值范围时，控制系统判定增材制造的目标表面产生塌陷，输出速度控制指令至送丝机，控制送丝机增大送丝速度；

当实际电弧弧压小于预设弧压阈值范围时，控制系统判定增材制造的目标表面产生凸起，输出速度控制指令至送丝机，控制送丝机减小送丝速度。

10.根据权利要求9所述的增材制造方法，其特征在于，还包括以下反馈调节步骤：

当送丝速度发生变化时，焊接检测装置检测增材制造过程中焊接电源提供给焊机的焊接电流和电弧弧压；

当实际焊接电流大于预设电流阈值范围时，控制系统控制送丝机降低送丝速度，使与送丝速度一元化匹配的焊接电流降低，直至实际焊接电流值处于预设电流阈值范围内，同时控制系统控制机器人降低运动速度，增大单位长度目标的金属填充量；

当实际焊接电流小于预设电流阈值范围时，控制系统控制送丝机提高送丝速度，使与送丝速度一元化匹配的焊接电流升高，直至实际焊接电流值处于预设电流阈值范围内，同时控制系统控制机器人提高运动速度，减小单位长度目标的金属填充量。

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