CN112846232A - 一种金属结构多层多道电弧增材自动轨迹规划方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种金属结构多层多道电弧增材自动轨迹规划方法及系统，包括以下步骤：步骤1、对打印工件的模型进行分层切片处理；步骤2、获得分层关系矩阵后，根据矩阵中记录的三角形借助拓扑关系计算轮廓线；步骤3、计算填充线段；步骤4、将步骤3所得全部交点整按照X坐标大小进行排序；步骤5、连接各填充线段；步骤6、分层变向扫描。按照外壁+短直线填充+分层变向填充的复合打印路径进行金属结构件多层多道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。按照外壁+短直线填充+分层变向填充的复合打印路径进行金属结构件多层多道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。

Description

一种金属结构多层多道电弧增材自动轨迹规划方法及系统

技术领域

本发明涉及一种金属结构多层多道电弧增材自动轨迹规划方法及系统，涉及增材制造领域。

背景技术

电弧增材制造技术(Wire Arc Additive Manufacture，WAAM)是一种采用电弧或等离子弧作为热源将金属焊丝熔化，在程序或软件控制下采用逐层熔覆原理，根据三维数字模型由线-面-体制造出接近产品形状和尺寸要求的三维金属坯件的先进数字化制造技术。电弧增材制造技术具有制造成本低、材料利用率高、生产效率高等优点。近年来，采用电弧增材制造技术进行多层多道打印获得成形尺寸精度高、表面质量良好和力学性能优良的复杂金属零件受到广泛关注。

电弧增材制造的成形零件由全焊缝金属组成，现有的多层多道电弧增材技术存在以下问题：电弧增材制造过程起收弧位置高度不一致，会造成弧坑塌陷；复杂金属零件结构特征较多，打印过程会出现高度不一致现象；电弧增材制造过程热输入量较大，液态熔池在没有约束的情况下极易向熔道两侧流动，会造成零件侧壁成形精度低。

发明内容

发明目的：一个目的是提出一种金属结构多层多道电弧增材自动轨迹规划方法，以解决现有技术存在的上述问题。进一步目的是提出一种实现上述方法的系统。

技术方案：一种金属结构多层多道电弧增材自动轨迹规划方法，包括以下步骤：

步骤1、对打印工件的模型进行分层切片处理；

步骤2、获得分层关系矩阵后，根据矩阵中记录的三角形借助拓扑关系计算轮廓线；

步骤3、计算填充线段；

步骤4、将步骤3所得全部交点整按照X坐标大小进行排序；

步骤5、连接各填充线段；

步骤6、分层变向扫描。

在进一步的实施例中，步骤1进一步包括：设分层方向为Z轴正方向，层高为h，初始分层高度为Z₀,三角形的三个顶点按Z坐标大小分别为Z_Max,Z_Mid,Z_Min；那么与三角形相交的分层面序号区间[m,n]由下式计算：

式中，h表示层高；

若三角形满足Z_Min＝Z_Max,那么跳过此三角形；若三角形满足Z_Max≤Z₀,那么不考虑该三角形；若三角形满足Z_Min＜Z₀,那么此三角形对应区间为[0,n)；若三角形满足Z_Min＝Z₀且Z_Minn！＝Z_Mid,那么此三角形对应区间为[m+1,n)；

根据以上规则，计算分层区间并将索引添加到区间对应的每一分组，完成分层关系矩阵建立。

在进一步的实施例中，步骤2中对于每一分层面，取出对应的三角形分组，通过拓扑关系连续追踪临接三角形并逐一求解交点；当分组中所有三角形都被访问过，该层的切面轮廓提取完毕；将提取的轮廓线点连接，则生成工件轮廓路径。

在进一步的实施例中，步骤3中首先计算扫描线与填充轮廓的交点；设扫描间距为d，扫描方向为X方向，根据轮廓线的包围盒可得轮廓线在垂直扫描方向上的极值Y_Max、Y_Min，那么扫描线数量N为：

计算出扫描线数量后，建立交点矩阵的二维数组，数组的每一行对应一条扫描线，每一列存放对应的一组交点；设轮廓线段直线方程为：

扫描线方程为：Y＝c

联立二式，得交点坐标：

对于间隔为d的连续扫描线，交点坐标增量为：

根据上述原理，得到一条轮廓线与扫描线的全部交点；遍历所有轮廓线，分别计算交点，得到完整的交点矩阵。

在进一步的实施例中，步骤4中将步骤3所得全部交点整按照X坐标大小进行排序，排序后的交点包含了交点之间的对应关系，相邻交点两两一组，构成短填充线段；

步骤6中设置相邻两层的扫描方向夹角为90°，同方向扫描层交替进行，实现分层变向填充。

在进一步的实施例中，步骤5进一步包括定义填充线走向为奇数行从左向右，偶数行从右向左，具体方法如下：

步骤5-1、每一条填充线段只能使用一次；只有在竖直方向上相邻的线段可连；

步骤5-2、在每条扫描线上，沿填充线走向连接与当前线段共分区且未被使用的线段；

步骤5-3、填充线自下向上连接，若无法连接则折回向下连接；每一条填充线的连接均进行到不能继续为止；

步骤5-4、按照上述规则，在全部填充线段都连接完毕后，对填充线加以整理去除冗余，完成短直线填充路径。

一种金属结构多层多道电弧增材自动轨迹规划方法，包括用于对打印工件的模型进行分层切片处理的第一模块；用于在获得分层关系矩阵后，根据矩阵中记录的三角形借助拓扑关系计算轮廓线的第二模块；用于计算填充线段的第三模块；用于将第三模块中所得全部交点整按照X坐标大小进行排序的第四模块；用于连接各填充线段的第五模块；用于进行分层变向扫描的第六模块；以及用于接收并解码所述第一模块、第二模块、第三模块、第四模块、第五模块、第六模块的控制信号、以预定轨迹驱动的焊枪机器人。

在进一步的实施例中，所述第一模块进一步用于设定分层方向为Z轴正方向，层高为h，初始分层高度为Z₀,三角形的三个顶点按Z坐标大小分别为Z_Max,Z_Mid,Z_Min；那么与三角形相交的分层面序号区间[m,n]由下式计算：

式中，h表示层高；

若三角形满足Z_Min＝Z_Max,那么跳过此三角形；若三角形满足Z_Max≤Z₀,那么不考虑该三角形；若三角形满足Z_Min＜Z₀,那么此三角形对应区间为[0,n)；若三角形满足Z_Min＝Z₀且Z_Minn！＝Z_Mid,那么此三角形对应区间为[m+1,n)；

根据以上规则，计算分层区间并将索引添加到区间对应的每一分组，完成分层关系矩阵建立；

所述第二模块进一步用于对于每一分层面，取出对应的三角形分组，通过拓扑关系连续追踪临接三角形并逐一求解交点；当分组中所有三角形都被访问过，该层的切面轮廓提取完毕；将提取的轮廓线点连接，则生成工件轮廓路径；

所述第三模块进一步用于计算扫描线与填充轮廓的交点；设扫描间距为d，扫描方向为X方向，根据轮廓线的包围盒可得轮廓线在垂直扫描方向上的极值Y_Max、Y_Min，那么扫描线数量N为：

计算出扫描线数量后，建立交点矩阵的二维数组，数组的每一行对应一条扫描线，每一列存放对应的一组交点；设轮廓线段直线方程为：

扫描线方程为：Y＝c

联立二式，得交点坐标：

对于间隔为d的连续扫描线，交点坐标增量为：

根据上述原理，得到一条轮廓线与扫描线的全部交点；遍历所有轮廓线，分别计算交点，得到完整的交点矩阵；

所述第四模块进一步用于将第三模块所得全部交点整按照X坐标大小进行排序，排序后的交点包含了交点之间的对应关系，相邻交点两两一组，构成短填充线段；

所述第六模块进一步用于设置相邻两层的扫描方向夹角为90°，同方向扫描层交替进行，实现分层变向填充。

在进一步的实施例中，所述第五模块进一步用于定义填充线走向为奇数行从左向右，偶数行从右向左每一条填充线段只能使用一次；只有在竖直方向上相邻的线段可连；在每条扫描线上，沿填充线走向连接与当前线段共分区且未被使用的线段；填充线自下向上连接，若无法连接则折回向下连接；每一条填充线的连接均进行到不能继续为止；按照上述规则，在全部填充线段都连接完毕后，对填充线加以整理去除冗余，完成短直线填充路径；

在进一步的实施例中，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外壁+短直线填充+分层变向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，焊枪根据外壁+短直线填充+分层变向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。

有益效果：本发明涉及一种金属结构多层多道电弧增材自动轨迹规划方法及系统，焊枪在机器人驱动下按生成的外壁+短直线填充+分层变向填充复合路径进行3D打印，外壁路径提高了成形工件的尺寸精度，短直线填充路径解决了打印过程复杂结构件高度不一致的情况且不容易形成明显的宏观翘曲变形，分层变向填充极大程度减少了层间缺陷，提升了工件力学性能。实现了零件制造的数字化、智能化和并行化。按照外壁+短直线填充+分层变向填充的复合打印路径进行金属结构件多层多道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。按照外壁+短直线填充+分层变向填充的复合打印路径进行金属结构件多层多道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。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是本发明的工作流程图。

图2是熔滴轮廓截面模型示意图。

图3是相邻焊缝理想搭接状态模型示意图。

图4是多层单道焊缝理想状态重熔计算模型示意图。

图5是实施例1连接架的外壁+短直线填充+分层变向填充路径。

图6是实施例2正方形箱体外壁+短直线填充+分层变向填充路径。

图7是实施例3加强筋圆环外壁+短直线填充+分层变向填充路径。

图8是对比例1圆环的单一方向直线填充路径。

图9是对比例2正方形箱体偏置填充路径。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

申请人认为，现有的多层多道电弧增材技术存在以下问题：电弧增材制造过程起收弧位置高度不一致，会造成弧坑塌陷；复杂金属零件结构特征较多，打印过程会出现高度不一致现象；电弧增材制造过程热输入量较大，液态熔池在没有约束的情况下极易向熔道两侧流动，会造成零件侧壁成形精度低。

为此，申请人提出一种金属结构多层多道复合电弧增材制造方法，并进一步提出一种实现上述方法的系统。采用外壁+短直线填充+分层变向填充的复合打印路径，解决了打印过程复杂结构件高度不一致的情况且不容易形成明显的宏观翘曲变形，分层变向填充极大程度减少了层间缺陷，提升了工件力学性能。实现了零件制造的数字化、智能化和并行化。

该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；用于生成外壁+短直线填充+分层变向填充路径的路径生成模块；用于根据路径生成模块生成的外壁+短直线填充+分层变向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。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，对模型沿Z方向进行分层切片处理，建立分层关系矩阵；获得分层关系矩阵后，根据矩阵中记录的三角形借助拓扑关系计算轮廓线，将提取的轮廓线点连接，则生成工件外壁路径；计算扫描线与填充轮廓的交点，得到完整的交点矩阵；将所得全部交点整按照X坐标大小进行排序，排序后的交点包含了交点之间的对应关系，相邻交点两两一组，构成短填充线段；按照一定规则，连接短直线填充线段，生成短直线填充路径；设置相邻两层的扫描方向夹角为90°，同方向扫描层交替进行，实现分层变向填充。

基于上述电弧增材制造系统，本实施例提出一种增材制造方法，主要包括三个步骤：

步骤1、选择成形特定金属结构件所需要的焊丝和基板，确定工艺参数。

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、将工件单道焊缝截面轮廓拟合成余弦函数模型，此时满足如下关系式：

f(x)＝a cos(bx)

其中：

a＝H

则单道焊缝截面积预测值A为：

式中，W表示焊缝宽度，H表示焊缝高度；

步骤1-3、根据步骤1-1和步骤1-2的两式得到式送丝速度与焊缝宽度与焊缝高度之间的关系式：

式中，V表示焊接速度，W表示焊缝宽度，H表示焊缝高度，f表示焊丝截面积；

步骤1-4、根据多层多道电弧增材路径，设计单层多道焊缝搭接模型，相邻焊缝搭接时，搭接处表面收缩形成曲面，S₁和S₂分别为焊缝搭接重熔部分面积和补充至搭接处凹陷区域的重熔部分面积，在理想搭接状态下，S₁＝S₂；

其中，

式中，各符号含义同上；

因此，得到相邻焊缝中心距为：

式中，L表示相邻焊缝中心间距(即填充间距)，W表示焊缝宽度；

步骤1-5、根据多层多道电弧增材制造路径，设计多层单道焊缝搭接模型，在堆积过程中，重熔区金属向两侧流淌，理想状态下，层间截面重熔区面积与两侧堆积面积相等，即：

S_ΔABC＝S_ΔCDE+S_ΔBFG

因此：

得到层高

式中，h表示层高，H表示焊缝高度；

步骤1-6、根据步骤1-3、步骤1-4和步骤1-5的式得到送丝速度与层高和填充间距之间的关系式:

式中，V表示焊接速度，L表示填充间距，H表示层高，f表示焊丝截面积；

步骤1-7、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1-8、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。

步骤2、生成外壁+短直线填充+分层变向填充的多层多道电弧增材路径。

步骤2-1、对打印工件的模型进行分层切片处理，设分层方向为Z轴正方向，层高为h，初始分层高度为Z₀,三角形的三个顶点按Z坐标大小分别为Z_Max,Z_Mid,Z_Min；那么与三角形相交的分层面序号区间[m,n]由下式计算：

式中，h表示层高；

若三角形满足Z_Min＝Z_Max,那么跳过此三角形；若三角形满足Z_Max≤Z₀,那么不考虑该三角形；若三角形满足Z_Min＜Z₀,那么此三角形对应区间为[0,n)；若三角形满足Z_Min＝Z₀且Z_Minn！＝Z_Mid,那么此三角形对应区间为[m+1,n)；

根据以上规则，计算分层区间并将索引添加到区间对应的每一分组，完成分层关系矩阵建立；

步骤2-2、获得分层关系矩阵后，根据矩阵中记录的三角形借助拓扑关系计算轮廓线；对于每一分层面，取出对应的三角形分组，通过拓扑关系连续追踪临接三角形并逐一求解交点；当分组中所有三角形都被访问过，该层的切面轮廓提取完毕；将提取的轮廓线点连接，则生成工件轮廓路径；

步骤2-3、计算填充线段，首先计算扫描线与填充轮廓的交点；设扫描间距为d，扫描方向为X方向，根据轮廓线的包围盒可得轮廓线在垂直扫描方向上的极值Y_Max、Y_Min，那么扫描线数量N为：

计算出扫描线数量后，建立交点矩阵的二维数组，数组的每一行对应一条扫描线，每一列存放对应的一组交点；设轮廓线段直线方程为：

扫描线方程为：Y＝c

联立二式，得交点坐标：

对于间隔为d的连续扫描线，交点坐标增量为：

根据上述原理，得到一条轮廓线与扫描线的全部交点；遍历所有轮廓线，分别计算交点，得到完整的交点矩阵；

步骤2-4、将步骤2-3所得全部交点整按照X坐标大小进行排序，排序后的交点包含了交点之间的对应关系，相邻交点两两一组，构成短填充线段；

步骤2-5、连接各填充线段；定义填充线走向为奇数行从左向右，偶数行从右向左，具体方法如下：

步骤2-5a、每一条填充线段只能使用一次；只有在竖直方向上相邻的线段可连；

步骤2-5b、在每条扫描线上，沿填充线走向连接与当前线段共分区且未被使用的线段；

步骤2-5c、填充线自下向上连接，若无法连接则折回向下连接；每一条填充线的连接均进行到不能继续为止。

步骤2-5d、按照上述规则，在全部填充线段都连接完毕后，对填充线加以整理去除冗余，完成短直线填充路径。

步骤2-6、分层变向扫描：设置相邻两层的扫描方向夹角为90°，同方向扫描层交替进行，实现分层变向填充。

步骤3、焊枪在机器人驱动下按生成的多层多道电弧增材路径运动。

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多道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：连接架多层多道电弧增材制造

如图5所示，将连接架按照本发明所述方法生成外壁+短直线填充+分层变向填充的多层多道电弧增材路径，并通过计算得出所需工艺参数。采用本发明所述的一种金属结构件多层多道电弧增材方法制造。具体为：

打印所选基板厚度为20mm的6061铝合金板材，采用的焊丝为直径1.2mm 4043铝合金焊丝，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，进而计算外壁+短填充+分层变向打印路径，如图5所示。

通过工件各个区域成形所需最佳温度计算热输入量，从而计算得到各个区域最佳成形工艺参数：故选择焊接工艺为CMT+P，焊接电流105A、送丝速度5m/min，焊接速为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，填充间距4mm，层高2mm，能够保证焊枪在机器人驱动下按生成的外壁+短填充+分层变向路径运动，打印过程保证每层高度一致，每层中间会跟换激光清洗设备清洗。整个打印过程保证缺陷最少，也可以保证道间熔合和工件整体成形精度良好，最终得到尺寸精度高、性能优异的复杂金属结构件。

实施例2：正方形箱体多层多道电弧增材制造

如图6所示，将正方形箱体按照本发明所述方法生成外壁+短直线填充+分层变向填充的多层多道电弧增材路径，并通过计算得出所需工艺参数。采用本发明所述的一种金属结构件多层多道电弧增材方法制造。具体为：

打印所选基板厚度为16mm的Q235碳钢铝板材，采用的焊丝为直径1.2mm 308不锈钢焊丝，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，进而计算外壁+短填充+分层变向打印路径，如图6所示。

通过工件各个区域成形所需最佳温度计算热输入量，从而计算得到各个区域最佳成形工艺参数：故选择焊接工艺为CMT+P，焊接电流198A、送丝速度7.5m/min，焊接速为10mm/s，保护气体为Ar+18％CO₂，气体流量为18L/min。此组工艺参数下，填充间距3mm，层高1.5mm，能够保证焊枪在机器人驱动下按生成的外壁+短填充+分层变向路径运动，打印过程保证每层高度一致，每层中间会跟换激光清洗设备清洗。整个打印过程保证缺陷最少，也可以保证道间熔合和工件整体成形精度良好，最终得到尺寸精度高、性能优异的复杂金属结构件。

实施例3：加强筋筒体多层多道电弧增材制造

如图7所示，将加强筋圆环按照本发明所述方法生成外壁+短直线填充+分层变向填充的多层多道电弧增材路径，并通过计算得出所需工艺参数。采用本发明所述的一种金属结构件多层多道电弧增材方法制造。具体为：

打印所选基板厚度为16mm6061铝合金板材，采用的焊丝为直径1.2mm 4043铝合金焊丝，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，进而计算外壁+短填充+分层变向打印路径，如图7所示。

通过工件各个区域成形所需最佳温度计算热输入量，从而计算得到各个区域最佳成形工艺参数：故选择焊接工艺为CMT+P，焊接电流120A、送丝速度5.9m/min，焊接速为11mm/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，填充间距3mm，层高1.5mm，能够保证焊枪在机器人驱动下按生成的外壁+短填充+分层变向路径运动，打印过程保证每层高度一致，每层中间会跟换激光清洗设备清洗。整个打印过程保证缺陷最少，也可以保证道间熔合和工件整体成形精度良好，最终得到尺寸精度高、性能优异的复杂金属结构件。

对比例1：圆环多层多道电弧增材制造

如图8所示，将圆环体按照传统的单一方向直线填充的多层多道电弧增材路径进行电弧增材制造，并通过计算得出所需工艺参数。具体为：

打印所选基板厚度为16mm6061铝合金板材，采用的焊丝为直径1.2mm 4043铝合金焊丝，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，进而计算直线填充的打印路径，如图8所示。

通过工件各个区域成形所需最佳温度计算热输入量，从而计算得到各个区域最佳成形工艺参数：故选择焊接工艺为CMT+P，焊接电流120A、送丝速度5.9m/min，焊接速为11mm/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，填充间距3mm，层高1.5mm，能够保证焊枪在机器人驱动下按生成的单一方向直线填充路径运动，打印过程圆环边界和填充线之间容易出现未熔合等缺陷，并且成形工件表面粗糙度较大。

对比例2：正方体箱体多层多道电弧增材制造

如图9所示，将正方形箱体按照传统的偏置填充的多层多道电弧增材路径进行电弧增材制造，并通过计算得出所需工艺参数。具体为：

打印所选基板厚度为16mm的Q235碳钢板材，采用的焊丝为直径1.2mm 308不锈钢焊丝，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，进而计算偏置填充打印路径，如图9所示。

通过工件各个区域成形所需最佳温度计算热输入量，从而计算得到各个区域最佳成形工艺参数：故选择焊接工艺为CMT+P，焊接电流188A、送丝速度7.0m/min，焊接速为10mm/s，保护气体为Ar+18％CO₂，气体流量为18L/min。此组工艺参数下，填充间距3mm，层高1.5mm，能够保证焊枪在机器人驱动下按生成的偏置填充路径运动，打印过程沿着偏置填充线螺旋成形时，越靠近中间的位置，热输入量越大，焊缝搭接越多，表面越高，因此，按偏置填充路径打印，成形工件表面凹凸不齐。

见表1，表1表示不同填充方式优缺点对比。

表1 不同填充方式优缺点对比表

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。

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)

1.一种金属结构多层多道电弧增材自动轨迹规划方法，其特征是包括以下步骤：

步骤1、对打印工件的模型进行分层切片处理；

步骤2、获得分层关系矩阵后，根据矩阵中记录的三角形借助拓扑关系计算轮廓线；

步骤3、计算填充线段；

步骤4、将步骤3所得全部交点整按照X坐标大小进行排序；

步骤5、连接各填充线段；

步骤6、分层变向扫描。

2.根据权利要求1所述的一种金属结构多层多道电弧增材自动轨迹规划方法，其特征在于，步骤1进一步包括：

设分层方向为Z轴正方向，层高为h，初始分层高度为Z₀,三角形的三个顶点按Z坐标大小分别为Z_Max,Z_Mid,Z_Min；那么与三角形相交的分层面序号区间[m,n]由下式计算：

式中，h表示层高；

若三角形满足Z_Min＝Z_Max,那么跳过此三角形；若三角形满足Z_Max≤Z₀,那么不考虑该三角形；若三角形满足Z_Min＜Z₀,那么此三角形对应区间为[0,n)；若三角形满足Z_Min＝Z₀且Z_Minn！＝Z_Mid,那么此三角形对应区间为[m+1,n)；

根据以上规则，计算分层区间并将索引添加到区间对应的每一分组，完成分层关系矩阵建立。

3.根据权利要求2所述的一种金属结构多层多道电弧增材自动轨迹规划方法，其特征在于，步骤2中对于每一分层面，取出对应的三角形分组，通过拓扑关系连续追踪临接三角形并逐一求解交点；当分组中所有三角形都被访问过，该层的切面轮廓提取完毕；将提取的轮廓线点连接，则生成工件轮廓路径。

4.根据权利要求1所述的一种金属结构多层多道电弧增材自动轨迹规划方法，其特征在于，步骤3中首先计算扫描线与填充轮廓的交点；设扫描间距为d，扫描方向为X方向，根据轮廓线的包围盒可得轮廓线在垂直扫描方向上的极值Y_Max、Y_Min，那么扫描线数量N为：

计算出扫描线数量后，建立交点矩阵的二维数组，数组的每一行对应一条扫描线，每一列存放对应的一组交点；设轮廓线段直线方程为：

扫描线方程为：Y＝c

联立二式，得交点坐标：

对于间隔为d的连续扫描线，交点坐标增量为：

根据上述原理，得到一条轮廓线与扫描线的全部交点；遍历所有轮廓线，分别计算交点，得到完整的交点矩阵。

5.根据权利要求4所述的一种金属结构多层多道电弧增材自动轨迹规划方法，其特征在于，步骤4中将步骤3所得全部交点整按照X坐标大小进行排序，排序后的交点包含了交点之间的对应关系，相邻交点两两一组，构成短填充线段；

步骤6中设置相邻两层的扫描方向夹角为90°，同方向扫描层交替进行，实现分层变向填充。

6.根据权利要求1所述的一种金属结构多层多道电弧增材自动轨迹规划方法，其特征在于，步骤5进一步包括定义填充线走向为奇数行从左向右，偶数行从右向左，具体方法如下：

步骤5-1、每一条填充线段只能使用一次；只有在竖直方向上相邻的线段可连；

步骤5-2、在每条扫描线上，沿填充线走向连接与当前线段共分区且未被使用的线段；

步骤5-3、填充线自下向上连接，若无法连接则折回向下连接；每一条填充线的连接均进行到不能继续为止；

步骤5-4、按照上述规则，在全部填充线段都连接完毕后，对填充线加以整理去除冗余，完成短直线填充路径。

7.一种金属结构多层多道电弧增材自动轨迹规划方法，其特征是包括如下模块：

用于对打印工件的模型进行分层切片处理的第一模块；

用于在获得分层关系矩阵后，根据矩阵中记录的三角形借助拓扑关系计算轮廓线的第二模块；

用于计算填充线段的第三模块；

用于将第三模块中所得全部交点整按照X坐标大小进行排序的第四模块；

用于连接各填充线段的第五模块；

用于进行分层变向扫描的第六模块；

用于接收并解码所述第一模块、第二模块、第三模块、第四模块、第五模块、第六模块的控制信号、以预定轨迹驱动的焊枪机器人。

8.根据权利要求7所述的一种金属结构多层多道电弧增材自动轨迹规划方法，其特征在于：所述第一模块进一步用于设定分层方向为Z轴正方向，层高为h，初始分层高度为Z₀,三角形的三个顶点按Z坐标大小分别为Z_Max,Z_Mid,Z_Min；那么与三角形相交的分层面序号区间[m,n]由下式计算：

式中，h表示层高；

若三角形满足Z_Min＝Z_Max,那么跳过此三角形；若三角形满足Z_Max≤Z₀,那么不考虑该三角形；若三角形满足Z_Min＜Z₀,那么此三角形对应区间为[0,n)；若三角形满足Z_Min＝Z₀且Z_Minn！＝Z_Mid,那么此三角形对应区间为[m+1,n)；

根据以上规则，计算分层区间并将索引添加到区间对应的每一分组，完成分层关系矩阵建立；

所述第二模块进一步用于对于每一分层面，取出对应的三角形分组，通过拓扑关系连续追踪临接三角形并逐一求解交点；当分组中所有三角形都被访问过，该层的切面轮廓提取完毕；将提取的轮廓线点连接，则生成工件轮廓路径；

所述第三模块进一步用于计算扫描线与填充轮廓的交点；设扫描间距为d，扫描方向为X方向，根据轮廓线的包围盒可得轮廓线在垂直扫描方向上的极值Y_Max、Y_Min，那么扫描线数量N为：

计算出扫描线数量后，建立交点矩阵的二维数组，数组的每一行对应一条扫描线，每一列存放对应的一组交点；设轮廓线段直线方程为：

扫描线方程为：Y＝c

联立二式，得交点坐标：

对于间隔为d的连续扫描线，交点坐标增量为：

根据上述原理，得到一条轮廓线与扫描线的全部交点；遍历所有轮廓线，分别计算交点，得到完整的交点矩阵；

所述第四模块进一步用于将第三模块所得全部交点整按照X坐标大小进行排序，排序后的交点包含了交点之间的对应关系，相邻交点两两一组，构成短填充线段；

所述第六模块进一步用于设置相邻两层的扫描方向夹角为90°，同方向扫描层交替进行，实现分层变向填充。

9.根据权利要求7所述的一种金属结构多层多道电弧增材自动轨迹规划方法，其特征在于：所述第五模块进一步用于定义填充线走向为奇数行从左向右，偶数行从右向左每一条填充线段只能使用一次；只有在竖直方向上相邻的线段可连；在每条扫描线上，沿填充线走向连接与当前线段共分区且未被使用的线段；填充线自下向上连接，若无法连接则折回向下连接；每一条填充线的连接均进行到不能继续为止；按照上述规则，在全部填充线段都连接完毕后，对填充线加以整理去除冗余，完成短直线填充路径。

10.根据权利要求7所述的一种金属结构多层多道电弧增材自动轨迹规划方法，其特征在于：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外壁+短直线填充+分层变向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，焊枪根据外壁+短直线填充+分层变向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。

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