CN113909495B - 一种采用KUKA WorkVisual进行曲面多道直线熔覆的路径开发方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种曲面多道直线熔覆的路径开发方法，通过使用KUKA机器人自带的WorkVisual软件进行程序开发，基底为长宽各为50mm，曲面最低点和最高点高度各为137mm和150mm，基体材料为低碳钢，生产中主要用作某型模具镶件。由于只需要获得其每道次的横向及纵向位移值，参考附图3，只需要通过AutoCAD软件重构该曲面的二维轮廓即可，本发明提供的一种曲面多道直线熔覆的路径开发方法，可以在没有专用增材制造切片与轨迹规划软件的前提下，通过KUKA机器人自带的WorkVisual软件快速的进行人工编程而获得复杂的多道直线熔覆的轨迹程序。

Description

一种采用KUKA WorkVisual进行曲面多道直线熔覆的路径开 发方法

【技术领域】

本发明涉及激光制造增材相关技术领域，具体地说是一种采用KUKA WorkVisual进行曲面多道直线熔覆的路径开发方法。

【背景技术】

金属构件是工业生产中主要的结构件，其中曲面是最常见的构件结构之一。而对于工作中承力较大，磨损严重的曲面，服役过程中极易失效。因而对曲面构件表面进行表面修复或表面强化，是提高构件承命的必要途径。

因为人工熔覆的加工精度和生产效率低等因素的考虑，所以基于数字化的自动化增材技术已越来越多地替代了传统的人工焊接修复。其中，由于工作的灵活度高，基于机器人的自动化增材修复技术，如激光熔覆、电弧增材等技术，是其中应用最典型的技术，当前在企业生产中应用广泛。

而采用机器人进行自动化加工，首先需要对机器人的行走轨迹进行规划。相比平面，曲面相对更加复杂，这也对机器人的行走加工带来了难度。对于曲面的行走轨迹规划，通常常见的方法是：采用自动化的软件进行切片以及自动化轨迹形成，这种方法自动化程度比较高，轨迹形成比较精确。但缺点也比较明显，一是需要专业化的软件，而这种软件往往价格较高，一般在十几万至几十万，大大增加了设备运行的成本；二是轨迹的形成一般需要在软件中对待加工的零件的三维结构进行重构，技术难度较高。

因此需要一种成本较低并且技术难度较低的方法来解决熔覆轨迹规划的方法。

有一种方法是采用机器人自带的程序进行编程，这种方法比较直观，但对于比较复杂的程序，编写难度较大。为了解决这个问题，KUKA机器人自带了WorkVisual软件，大大提升了机器人程序编写的便捷性。因此，本发明主要采用KUKA自带的WorkVisual进行曲面熔覆轨迹的编写。

对于曲面的熔覆，一般的熔覆轨迹是沿着曲面进行熔覆，即曲线熔覆路径。但是，由于熔覆加工过程中，由于快速的加热与冷却，增材制造的合金层中非常容易形成热应力，特别是多层熔覆过程中，随着熔覆道次与层数的增加，合金层内部的热应力增加迅速，非常容易导致合金开裂，无法使用。而如若上下两层间形成“十字交叉”型的熔覆层，则由于上下两层间应力分布状态的不同，可以很大程度上抵消应力，减少开裂。这就需要编制曲面的多道直线熔覆路径。但是，在多道直线熔覆过程中，由于熔覆道次很多，不可能采用手工定点的方式确定每一道的运点起点。最佳的方案是确定熔覆起点后自动形成多道熔覆的行走轨迹。在熔覆过程中，熔覆头在Y-Z平面上是存在角度变化的，是每熔完一道，熔覆头的角度需要相应进行调整，使加工过程熔覆头与基体之间的角度基本保持一致，从而确保曲面各处熔覆层成形的一致性与稳定性。而正是由于熔覆头角度的变化，在工作过程中，机器人系统的坐标系其实是不断变化的，每一道次的位置信息难以确定，使得手动进行轨迹编程近乎不可能，极大地限制了机器人自动化熔覆工艺的开发以及增材制造合金裂纹的控制。

【发明内容】

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种采用KUKA WorkVisual进行曲面多道直线熔覆的路径开发方法。

为实现上述目的，本发明提供一种采用KUKA WorkVisual进行曲面多道直线熔覆的路径开发方法，其特征在于，通过AutoCAD重构金属构件的曲面轮廓信息，获得每道次熔覆头的位置移动信息，再通过KUKA机器人自带的WorkVisual软件进行自动化程序开发，所述方法包括以下步骤：

S1：获得待加工金属构件的曲面尺寸信息，并用AutoCAD软件重构其二维曲面轮廓信息；

S2：通过确定熔覆道次以及每道次移动的距离，接着在AutoCAD中将曲面均分成相应的份数，该份数与熔覆道次相同；

S3：用AutoCAD测量获得任意相邻两道次间的横向及纵向位移；

S4：根据获得的每相邻两道次间的横向及纵向位移，并且在WorkVisual中编写每道次熔覆头的位置移动值，采用相对运动语句SLIN_REL进行编写，其语句名为SLIN_REL{Y,Z,C}；

其中，Y代表横向位移值；Z代表纵向位移值；C代表每更换一道次，熔覆头在Y、Z方向移动的同时，在Y-Z平面上旋转的角度信息值；

上述中，每道次移动的距离^2＝Y²+Z²；

S5：进行程序试运行，根据运行结果的偏差比例值对每一道次的横向与纵向位移值进行按比例的调节，直至达到所需的行走精度要求。

可优选的，所述步骤S2中，每道次移动的距离计算方式如下：

(1)确定相邻两道次间的搭接率、以及设备的单道熔覆宽度；

(2)设备的单道熔覆宽度*(1-搭接率)，来进行计算每道次移动的距离。

可优选的，所述步骤S2中，熔覆道次的确定方式如下：

(1)测量步骤S1中重构二维曲面轮廓的长度；

(2)熔覆道次＝重构二维曲面轮廓的长度/每道次移动的距离。

可优选的，所开发的程序通过定一个初始点，根据确定的每相邻两道次间的横向与纵向位移值自动完成多道次的熔覆加工。

可优选的，当每道次移动的距离为2.94mm时，第一道次运动至第二道次，则其语名为SLIN_REL{Y 1.79,Z 2.31,C4}，其中C 4指的是每更换一道次，熔覆头在Y、Z方向移动的同时，在Y-Z平面上旋转4°。

可优选的，采用半导体耦合光纤型同轴送粉激光熔覆系统对该曲面进行熔覆加工。

可优选的，所述步骤S3中，横向与纵向的位移值可由AutoCAD软件的测量或标定功能完成。

可优选的，所述步骤S4中，相邻道次间熔覆头的移动可采用KUKA程序运行完成。

可优选的，所述步骤S5中，达到精度要求可由程序运行的起点值与终点值与实际待加工零件的相应点重合进行判定。

本发明优点在于：

1、本发明提供的一种采用KUKA WorkVisual进行曲面多道直线熔覆的路径开发方法，可以在没有专用增材制造切片与轨迹规划软件的前提下，通过KUKA机器人自带的WorkVisual软件快速的进行人工编程而获得复杂的多道直线熔覆的轨迹程序。

2、本发明提供的一种采用KUKA WorkVisual进行曲面多道直线熔覆的路径开发方法，可以只需确定熔覆的起始点P1，即可自动完成复杂曲面的多道直接熔覆加工。

3、本发明提供的一种采用KUKA WorkVisual进行曲面多道直线熔覆的路径开发方法，可以与曲面的曲线熔覆进行上下层的搭配熔覆，从而有效地降低熔覆加工过程中的热应力与残余应力，降低增材制造层开裂的风险。

4、本发明提供的一种采用KUKA WorkVisual进行曲面多道直线熔覆的路径开发方法，相比于其他的熔覆方法比如选择性激光熔化(SLM)，KUKA机器人更灵活，熔覆效果更好，并且操作更简单，技术要求较低，能够使用的人群更多。

【附图说明】

图1是曲面零件表面曲线熔覆轨迹的示意图；

图2是本发明一种采用KUKA WorkVisual进行曲面多道直线熔覆的路径开发方法中涉及的曲面零件表面直线熔覆轨迹的示意图；

图3是本发明一种采用KUKA WorkVisual进行曲面多道直线熔覆的路径开发方法中采用AutoCAD重构的曲面零件的曲面轮廓图

图4是本发明一种采用KUKA WorkVisual进行曲面多道直线熔覆的路径开发方法中采用AutoCAD对曲面的曲线轮廓进行均分后的形貌图；

图5是本发明一种采用KUKA WorkVisual进行曲面多道直线熔覆的路径开发方法中采用AutoCAD中的标注功能进行相邻道次间横向与纵向位移值测量操作的示意图；

图6是采用本发明开发的程序进行熔覆加工的曲面工件的表面形貌。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。

附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：

整地描述，显然，本说明书中所描述的实施例仅是本发明的一部分可行技术方案，本领域普通技术人员基于本发明的实施例，在没有付出任何创造性劳动的基础上得到的其他实施例，应当视为属于本发明保护的范围。

本说明书中所记载的本发明的各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为该技术方案的结合不存在。

本发明的一种采用KUKA WorkVisual进行曲面多道直线熔覆的路径开发方法，通过使用KUKA机器人自带的WorkVisual软件进行程序开发，所述方法包括以下步骤：

参考附图1-附图6，

S1：如附图2所示，本实施例为长宽各为50mm，曲面最低点和最高点高度各为137mm和150mm，基体材料为低碳钢，生产中主要用作某型模具镶件。由于只需要获得其每道次的横向及纵向位移值，参考附图3，只需要通过AutoCAD软件重构该曲面的二维轮廓即可。

S2：本实施例中采用半导体耦合光纤型同轴送粉激光熔覆系统对该曲面进行熔覆加工，设备的单道熔覆宽度为4.2mm，相邻两道次间的搭接率为30％，搭接率为多道熔覆时，相邻熔覆道间的搭接宽度与单道熔覆道宽度之比，即为搭接率，即每道次可移动4.2mm*(1-30％)＝2.94mm。如附图4所示，测量S1中重构的曲面轮廓曲线长度为58.58mm，因此，该曲线需要可均分为20份，即需要熔覆20道次。

S3：如附图5所示，用AutoCAD中的测量或标注功能，测量出相邻道次间的横向位移及纵向们位移。

S4：根据S3中测量所得的位移值，在WorkVisual中编写熔覆头的行走轨迹，采用相对运动语句SLIN_REL进行编写，如附图5中从第一道次运动至第二道次，则其语名为SLIN_REL{Y 1.79,Z 2.31,C4}，其中C 4指的是每更换一道次，熔覆头在Y、Z方向移动的同时，在Y-Z平面上旋转4°。

在上述中，1.79²+2.31²＝2.94²，即每道次移动的距离^2＝Y²+Z²。

S5：试运行S3中所编制的程序，发现程序的最后结束点与工件的实际结束点间在Y方向上还差约10％的距离，而Z距离上相差不大。因此，将S4中每道次运动的Y值在原有基础增加10％，Z值与C值保持不变。再次运行S3中所编制的程序，发现程序的最终点与工件的实际最终点实现较好的重合，程序开发完成。采用本实施例开发的程序进行了熔覆加工，熔覆后的工件形貌如附图6所示，可以看到，各道次熔覆层成形均匀良好，满足实际生产的需求；

从而表明，采用本发明的方法，可以在没有专用切片与轨迹规划软件的前提下，快迅速地实现曲面多道直线熔覆的程序开发，并且熔覆的效果良好。

进一步的，所述步骤S1中曲面二维轮廓信息的重构方法如下：

根据零件加工图给定的尺寸信息，或是实际零件的尺寸测量值，在AutoCAD软件中画出曲面的二维轮廓图。

进一步的，所述步骤S2中曲面的均匀处理方法如下：

根据单道熔覆层的宽度及相邻两道次间的搭接率，确定曲面总共的熔覆道次n。采用AutoCAD中的线段均匀功能，将S1中所重构的曲面轮廓曲线均分为n份，曲面的均分可由AutoCAD的线段均分功能完成。

进一步的，所述步骤S3相邻道次间的横向及纵向位移测定的方法如下：

采用AutoCAD软件的测量或标注功能，将曲线均分后，所确定横向与纵向的每相邻两段曲线的起始点间的横向距离与纵向距离测量出来。

进一步的，所述步骤S4中熔覆行走轨迹的编程方法如下：

根据S3中确定的每道熔覆层移动的横向位移Y值，纵向位移Z值，以能每道熔覆头需偏转的角度值，在KUKA自带的WorkVisual软件中进行编程，熔覆头位移的移动，即行走轨迹的编写，可以由KUKA机器人的运动语句LIN、SLIN、LIN_REL、SLIN_REL等运行语句完成，通过改变初始点P1的位置信息(横向信息Y值、纵向信息Z值、以及角度信息C值)，编写获得所需的自动化熔覆轨迹程序。

进一步的，所述步骤S5中位置移动值的反馈调节方法如下：

如附图2所示，由于每熔完一道，熔覆头的角度需要进行一个旋转。因此，实际KUKA机器人在程序运行过程中，其工具坐标是在不断变化的。因此，S3中根据AutoCAD获得的移动位置信息与实际所需移动的位置间存在一定的误差。因此，需要通过试运行，得出S4中编写的程序的行走精度与实际的位置间的误差范围，进而进行调节。

具体的调节方法为：在曲面上设定熔覆的初始点P1，试运行S4中编写的行走轨迹程序，在终点处停止。测量程序的终止点写实际曲面工作的熔覆终止点间的距离，进而换算成误差比例。根据该误差比例，将S3中所测量获得的每相邻道次间的横向及纵向位移值按该比例进行增加或缩小(每道次间熔覆头的旋转角度一般保持不变，因而不需要调节)。一般如上，进行一次或两次的调节，即可使程序运行的起点值与终点值与实际待加工零件的相应点重合进行判定，从而达到熔覆加工的需求。

进一步的，相比于其他的熔覆方法比如选择性激光熔化(SLM)，KUKA机器人更灵活，熔覆效果更好，并且操作更简单。

如附图1所示的是曲面多道曲线熔覆的轨迹示意图，该路径规划较为容易，只需要曲线的不同位置多定几个位置点，再用多段线包SPLINE(SPLINE表示样条曲线)将其这些点连起来，即可生成如图所示的轨迹。

如附图2所示的是曲面多道直线熔覆的轨迹示意图，图中黑色箭头表示的是熔覆过程中熔覆头的偏转角度，可以看到，每道之间，熔覆头需要进行一定的角度偏转，因而实际上机器人的工具坐标系是不断变化的，因而这种路线轨迹的制定相对比较复杂。

如附图3所示的是本实施例中重构的曲面的二维轮廓图。

如附图5所示本实施例中相邻道次间横向位移与纵向位移的测量，由于曲线左右两边对称，因而只需测一边即可。

如附图6所示的是采用本实施例开发的程序进行熔覆加工的曲面工件的表面形貌，可以看到曲面各处熔覆层成形均匀良好，可以满足生产的需求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种采用KUKA WorkVisual进行曲面多道直线熔覆的路径开发方法，其特征在于，通过AutoCAD重构金属构件的曲面轮廓信息，获得每道次熔覆头的位置移动信息，再通过KUKA机器人自带的WorkVisual软件进行自动化程序开发，所述方法包括以下步骤：

S1：获得待加工金属构件的曲面尺寸信息，并用AutoCAD软件重构其二维曲面轮廓信息，且二维曲面轮廓信息是待加工金属构件的曲面在YZ上投影而得到曲线；

S2：通过确定熔覆道次以及每道次移动的距离，接着在AutoCAD中将S1中所重构的曲面轮廓即曲线均分成相应的份数，该份数与熔覆道次相同；

S3：用AutoCAD测量获得任意相邻两段曲线的起始点间的横向及纵向位移；

S4：根据获得的每相邻两道次间的横向及纵向位移，并且在WorkVisual中编写每道次熔覆头的位置移动值，采用相对运动语句SLIN_REL进行编写，

其语句名为SLIN_REL{Y,Z,C}；

其中，Y代表横向位移值；Z代表纵向位移值；C代表每更换一道次，熔覆头在Y、Z方向移动的同时，在Y-Z平面上旋转的角度信息值；

上述中，每道次移动的距离²=Y²+Z²；

S5：进行程序试运行，根据运行结果的偏差比例值对每一道次的横向与纵向位移值进行按比例的调节，直至达到所需的行走精度要求。

2.根据权利要求1所述的一种采用KUKA WorkVisual进行曲面多道直线熔覆的路径开发方法，其特征在于，所述步骤S2中，每道次移动的距离计算方式如下：

(1)确定相邻两道次间的搭接率、以及设备的单道熔覆宽度；

(2)设备的单道熔覆宽度*(1-搭接率)，来进行计算每道次移动的距离。

3.根据权利要求2所述的一种采用KUKA WorkVisual进行曲面多道直线熔覆的路径开发方法，其特征在于，所述步骤S2中，熔覆道次的确定方式如下：

(1)测量步骤S1中重构二维曲面轮廓的长度；

(2)熔覆道次＝重构二维曲面轮廓的长度/每道次移动的距离。

4.根据权利要求3所述的一种采用KUKA WorkVisual进行曲面多道直线熔覆的路径开发方法，其特征在于，所开发的程序通过定一个初始点，根据确定的每相邻两道次间的横向与纵向位移值自动完成多道次的熔覆加工。

5.根据权利要求4所述的一种采用KUKA WorkVisual进行曲面多道直线熔覆的路径开发方法，其特征在于，当每道次移动的距离为2.94mm时，第一道次运动至第二道次，则其语名为SLIN_REL{Y 1.79,Z 2.31,C4}，其中C 4指的是每更换一道次，熔覆头在Y、Z方向移动的同时，在Y-Z平面上旋转4°。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种采用KUKA WorkVisual进行曲面多道直线熔覆的路径开发方法，其特征在于，采用半导体耦合光纤型同轴送粉激光熔覆系统对该曲面进行熔覆加工。

7.根据权利要求5所述的一种采用KUKA WorkVisual进行曲面多道直线熔覆的路径开发方法，其特征在于，所述步骤S3中，横向与纵向的位移值可由AutoCAD软件的测量或标定功能完成。

8.根据权利要求7所述的一种采用KUKA WorkVisual进行曲面多道直线熔覆的路径开发方法，其特征在于，所述步骤S4中，相邻道次间熔覆头的移动可采用KUKA程序运行完成。

9.据权利要求8所述的一种采用KUKA WorkVisual进行曲面多道直线熔覆的路径开发方法，其特征在于，所述步骤S5中，达到精度要求可由程序运行的起点值与终点值与实际待加工零件的相应点重合进行判定。