CN113953758B - 原位增材修复设备的控制方法、装置、系统以及修复方法 - Google Patents

原位增材修复设备的控制方法、装置、系统以及修复方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了原位增材修复设备的控制方法、装置、系统以及修复方法,其控制方法包括:确定与待使用的焊接材料对应的焊接参数;获取待修复区域模型;对待修复区域模型进行分层曲面切片;根据焊接参数和各曲面切片的特性,确定各曲面切片的修复工艺参数;根据修复工艺参数控制原位增材修复设备对受损母材基体的待修复区域进行修复。本申请实现了对受损工件的自动化修复,极大程度上节省了人力和时间成本,延长了受损工件的使用寿命;另外,本申请突破了现有技术中,自动电弧增材修复方法局限于平面的现状,极大程度的增加了机器人自动修复受损工件的场景,且显著提升了修复效果。

Description

原位增材修复设备的控制方法、装置、系统以及修复方法
技术领域
本申请涉及工件修复技术领域,具体涉及一种原位增材修复设备的控制方法、装置、系统以及修复方法。
背景技术
对于日常工业使用过程中,一些复杂金属结构件的磨损往往是难以避免的,严重时可能导致部分关键结构断裂。对于此类结构件而言,其一般为非标准件,并且往往需要承受不同方向的载荷,服役情况较为复杂,对于此类工件的损坏情况,现有技术中通常采用原位修复方法,主要有两种:纯手工堆焊修复和机器人电弧增材修复。
传统的纯手工堆焊修复方法即先对原位修复区域进行机加工处理,之后采用手工电弧焊的方法在焊接端面以横焊的方式进行堆焊,在结构件上进行多层多道的堆焊,直到大致满足修复尺寸后,进行机加工去除多余部分,从而完成对整个工件的修复工作。但是整个修复过程往往随结构件的尺寸大小和复杂程度存在诸多困难,如加工时间长,每次加工需要重新预热,过程中需保持稳定焊接姿势,人力消耗大;一些复杂曲面对操作技能要求较高等,从而导致加工精度不足,整体性能较差以及大量机加工导致焊丝和时间浪费等问题。
机器人电弧增材修复即利用电弧热融化金属焊丝,配合工作站的协调运动将熔化的金属焊丝层层堆积至原位修复区域。但该方法整体的熔敷过程局限于平面,而复杂金属结构件的修复过程大多为复杂曲面轮廓,且随修复过程存在路径曲线变化,难以通过直接平移得到完整的修复过程,这对机器人电弧增材修复造成了极大的使用限制;且提高了修复精度和效率,降低了机加工等后续处理的工作量,有效降低了总修复成本。
发明内容
本申请实施例提供了为了满足受损工件能够继续服役需求,且尽量减少修复成本,提出了一种原位增材修复设备的控制方法、装置、系统以及修复方法,该方法通过控制工作站机器人和变位机,实现全自动的在原有工件上进行原位增材修复,尤其适用于复杂结构的工件,以克服或部分克服现有技术的不足。
第一方面,提供了一种原位增材修复设备的控制方法,所述方法包括:
确定与待使用的焊接材料对应的焊接参数;
获取待修复区域模型;
对待修复区域模型进行分层曲面切片;
根据焊接参数和各曲面切片的特性,确定各曲面切片的修复工艺参数;
根据修复工艺参数控制原位增材修复设备对受损母材基体的待修复区域进行修复。
可选的,在上述方法中,获取与待使用的焊接材料对应的焊接参数包括:
提供包含焊接材料配置项的配置界面;
响应于对焊接配置项的配置指令,确定待使用的焊接材料;
从焊接工艺库中,确定与焊接材料对应的焊接参数。
可选的,在上述方法中,对待修复区域模型进行分层曲面切片包括:
将待修复区域模型中的待修复区域分为过渡层和表层,
根据待修复区域模型中待修复区域形状,将过渡层和表层分别分割为多个曲面切片。
可选的,在上述方法中,修复工艺参数包括焊接路径;
根据焊接参数和各曲面切片的特性,确定各曲面切片的修复工艺参数包括:
获取接触寻位信息;
根据接触寻位信息和各曲面切片的空间特性,从预设的路径规划模式选取目标路径规划模式生成焊接路径;其中,路径规划模式包括以下的至少一种:平行条状模式、螺旋状模式和多层圆环状模式;
根据焊接参数,确定焊接路径的曲面切片厚度、焊缝层高、焊缝宽度、中心堆叠尺寸、运动轨迹、运动轨迹曲率和焊道方向中的至少一项。
可选的,在上述方法中,曲面切片厚度小于焊缝层高;
中心堆叠尺寸的等效直径为焊缝层高的1/4~1/3。
可选的,在上述方法中,根据修复操作指令控制原位增材修复设备对受损母材基体的待修复区域进行修复包括:
对待修复区域进行分阶段修复,获取各阶段的修复反馈信息;
根据一个阶段的修复反馈信息,确定该阶段所使用的修复工艺参数中至少一个参数的偏置量;
根据偏置量对修复工艺参数进行更新,以根据更新后的修复工艺参数进行下一个阶段的修复。
可选的,在上述方法中,原位增材修复设备包括执行焊接操作的工作站机器人和承载受损母材基体的变位机;
根据修复工艺参数控制原位增材修复设备对受损母材基体的待修复区域进行修复包括:
根据修复工艺参数生成工作站机器人的焊接指令和变位机的移动指令;
根据移动指令,使变位机将受损母材基体置于目标姿态;
受损母材基体的待修复区域到达指定位置;
根据焊接指令,使工作站机器人对受损母材基体的待修复区域进行增材焊接修复。
第二方面,提供了一种原位增材修复设备的控制装置,所述装置用于执行如上所述任一的原位增材修复设备的控制方法。
第三方面,提供了一种原位增材修复系统,所述系统包括原位增材修复设备,以及上述的原位增材修复设备的控制装置,其中原位增材修复设备包括执行焊接操作的工作站机器人和承载所述受损母材基体的变位机,原位增材修复装置预先加载工作站机器人和变位机;
原位增材修复设备的控制装置,用于确定与待使用的焊接材料对应的焊接参数;获取待修复区域模型;对待修复区域模型进行分层曲面切片;根据焊接参数和各曲面切片的特性,确定各曲面切片的修复工艺参数;以及用于根据修复工艺参数生成工作站机器人的焊接指令和变位机的移动指令;
变位机,用于根据移动指令,将受损母材基体置于目标姿态;以及使受损母材基体的待修复区域到达指定位置;
工作站机器人,用于根据焊接指令,使工作站机器人对受损母材基体的待修复区域进行增材焊接修复。
第四方面,提供了一种原位增材修复方法,该方法包括:
构建受损母材基体的基体模型;
根据基体模型,构建受损母材基体的待修复区域模型;
对受损母材基体的表面进行清理;
基于待修复区域模型,根据如上所述任一的原位增材修复设备的控制方法,控制原位增材修复设备,对清理后的所述受损母材基体的待修复区域进行修复。
第五方面,本申请实施例还提供了一种电子设备,包括:处理器;以及被安排成存储计算机可执行指令的存储器,所述可执行指令在被执行时使所述处理器执行上述任一的原位增材修复设备的控制方法。
第六方面,本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储一个或多个程序,所述一个或多个程序当被包括多个应用程序的电子设备执行时,使得所述电子设备执行上述任一的原位增材修复设备的控制方法。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果:
本申请通过调用与待使用的焊接材料对应的焊接参数,并根据获取的待修复区域模型的特点,对其进行分层曲面切片,依据焊接参数以及各曲面切片的特性,为各个曲面切片规划修复工艺参数,并控制原位增材修复设备,依据规划出的修复工艺参数对受损母材基体的待修复区域进行修复。本申请对于工件的特征,针对性的进行分层曲面切片,并根据待使用的焊接材料以及各曲面切片的特性,个性化为对各个曲面切片规划修复工艺参数,并控制原位增材修复设备进行修复工作,实现了对受损工件的自动化修复,极大程度上节省了人力和时间成本,延长了受损工件的使用寿命;另外,本申请能够根据待修复区域中各个曲面切片的特性,结合欲使用的焊接材料的特性,为各曲面切片规划出针对性强的修复工艺参数,特别适用于曲面轮廓的复杂结构的受损工件的修复,突破了现有技术中,自动电弧增材修复方法局限于平面的现状,极大程度的增加了机器人自动修复受损工件的场景,且显著提升了修复效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解,构成本申请的一部分,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。在附图中:
图1示出根据本申请的一个实施例的原位增材修复设备的控制方法的流程示意图;
图2示出根据本申请的另一个实施例的原位增材修复设备的控制方法的流程示意图;
图3示出了本申请一个实施例的受损母材基体模型和待修复区域模型的示意图;
图4示出了根据本申请一个实施例的原位增材修复方法;
图5示出了根据本申请的一个实施例的原位增材修复设备的控制装置的结构示意图;
图6示出了根据本申请的一个实施例的原位增材修复系统的结构示意图;
图7为本申请实施例中一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
以下结合附图,详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1示出根据本申请的一个实施例的原位增材修复设备的控制方法的流程示意图,从图1可以看出,本申请至少包括步骤S110~步骤S150:
步骤S110:确定与待使用的焊接材料对应的焊接参数。
针对不同的受损母材基体,需要使用不同的焊接材料进行修复,而不同的焊接材料由于软硬程度、熔点高低、屈服值大小、运行工况、修复层特性和修复要求等因素的影响,焊接参数也不尽相同。因此,在本申请中,首先,针对待使用的焊接材料的种类,确定与待使用的焊接材料对应的焊接参数,焊接参数包括但不限于温度、压力、增压时间、电流大小等等。
步骤S120:获取待修复区域模型。
待修复区域模型的建立可以采用现有技术中的任意的建模软件实现,如CAD、BIM等,对于建模过程可以人为实现,如对受损母材基体进行测量和设计,在建模软件中,建立受损母材基体模型,并在受损母材基体模型的基础上,建立待修复区域模型,具体可参考图3,图3示出了本申请一个实施例的受损母材基体模型和待修复区域模型的示意图,从图3可以看出,待修复区域为受损母材基体的两个小部分(白色部分)。对待修复区域模型建立完毕后,可以将其保存为目标格式的文件,以确保兼容性。
工作人员可以在本申请提供的终端界面中,选择目标文件,从而使执行本申请的电子设备通过加载的方式,获取到待修复区域模型。
步骤S130:对待修复区域模型进行分层曲面切片。
在对工件进行焊接修复的实际操作过程中,并不是一下将所有的焊接材料堆叠到受损母材基体的待修复区域,而是将待修复区域分成一层一层的,逐层堆叠焊接,为了实现逐层堆叠焊接的目的,在本申请的一些实施例中,将待修复区域模型进行分层曲面切片,得到若干曲面切片,在焊接修复的过程中,从底层向上层,逐层焊接修复。
在对待修复区域模型进行分层曲面切片,不同于现有技术中,简单的将待修复区域分为多个水平的切片,在本申请中,能够针对性的根据待修复区域模型的特性,进行分层切片,得到贴合修复需求与对待修复区域模型特性的曲面切片。如待修复区域为波浪形曲面,可沿着波浪形曲面一侧的母线,将待修复区域分为多个波浪形的曲面切片,在焊接的过程中,每一次堆叠的量是大致相同的,采用这样的方式,得到的曲面切片,使得焊接材料更加均匀,效果好。
步骤S140:根据焊接参数和各曲面切片的特性,确定各曲面切片的修复工艺参数。
对于各层曲面切片而言,其修复工艺参数可以相同,也可以不同,需要说明的是,在实际操作过程中,通常会将待修复区域分为过渡层和表层,过渡层的各层曲面切片以及表层的各层曲面切片的修复工艺参数在具有一定的概率是一致或相近的,而过渡层与表层的修复工艺参数,由于焊接材料和修复需求等因素的差异,通常是不同的。
在本申请中,对各曲面切片的修复工艺参数的确定,同时考虑到焊接材料和曲面切片的结构特点,规划出各曲面切片的修复工艺参数,其中修复工艺参数可以包括但不限于:焊接路径、焊接温度、焊接电流大小、焊接压力等等。
步骤S150:根据修复工艺参数控制原位增材修复设备对受损母材基体的待修复区域进行修复。
在生成修复工艺参数后,通过控制原位增材修复设备中进行修复操作,例如,原位增材修复设备可以包含多个可协同操作的设备,则控制这些设备分别进行相应部分的修复操作,依据修复工艺参数,对受损母材基体的待修复区域进行焊接修复。
在一些实施例中,需要人工提前将受损母材基体装置在原位增材修复设备上,例如将受损母材基体通过夹持件固定。在一些实施例中,原位增材修复设备是独立于执行本申请的原位增材修复设备的控制方法的电子设备的,例如,通过服务器执行本申请的原位增材修复设备的控制方法,利于远程控制。
在本申请的一些实施例中,原位增材修复设备包括但不限于工作站机器人和变位机,其中工作站机器人用于执行焊接操作,变位机用于承载受损母材基体,在对受损母材基体修复时,需要人工将受损母材基体提前装置在变位机上。
在控制原位增材修复设备对受损母材基体进行修复时,首先根据修复工艺参数生成工作站机器人的焊接指令和变位机的移动指令,根据移动指令,控制变位机将受损母材基体的待修复区域到达指定位置且使受损母材基体置于目标姿态,进一步的,根据焊接指令,使工作站机器人对受损母材基体的待修复区域进行增材焊接修复。在修复过程中,焊接修复工作不是一蹴而就的,在焊接过程中,变位机可能多次调整受损母材基体的位置和姿态,以满足焊接修复的需要。
由图1所示的方法可以看出,本申请通过调用与待使用的焊接材料对应的焊接参数,并根据获取的待修复区域模型的特点,对其进行分层曲面切片,依据焊接参数以及各曲面切片的特性,为各个曲面切片规划修复工艺参数,并控制原位增材修复设备,依据规划出的修复工艺参数对受损母材基体的待修复区域进行修复。本申请对于工件的特征,针对性的进行分层曲面切片,并根据待使用的焊接材料以及各曲面切片的特性,个性化为对各个曲面切片规划修复工艺参数,并控制原位增材修复设备进行修复工作,实现了对受损工件的完全自动化修复,极大程度上节省了人力和时间成本,延长了受损工件的使用寿命;另外,本申请能够根据待修复区域中各个曲面切片的特性,结合欲使用的焊接材料的特性,为各曲面切片规划出针对性强的修复工艺参数,特别适用于曲面轮廓的复杂结构的受损工件的修复,突破了现有技术中,自动电弧增材修复方法局限于平面的现状,极大程度的增加了机器人自动修复受损工件的场景,且显著提升了修复效果;且提高了修复精度和效率,降低了机加工等后续处理的工作量,有效降低了总修复成本。
在本申请的一些实施例中,获取与待使用的焊接材料对应的焊接参数包括:提供包含焊接材料配置项的配置界面;响应于对焊接配置项的配置指令,确定待使用的焊接材料;从焊接工艺库中,确定与焊接材料对应的焊接参数。
为了方便工作人员的操作,在本申请的一些实施例中,提供了前端操作界面,其中包含配置界面,在配置界面,工作人员可以通过填写或选择,实现指定待使用的焊接材料,具体的焊接材料种类,工作人员可以根据工作经验确定;焊接材料的具体表现形式可以为但不限于焊丝等。
在工作人员通过点击等操作发出配置指令后,执行本申请的电子设备能够响应于对焊接配置项的配置指令,获取或确定待使用的焊接材料。然后根据待使用的焊接材料从焊接工艺库中进行检索,确定出与焊接材料对应的焊接参数。在本申请的一些实施例中,焊接工艺库可以是根据经验预先设置的,对于不同焊接材料的焊接参数可以提前存储在焊接工艺库中,在需要使用时,可以通过访问焊接工艺库,进而在焊接工艺库中检索到与待使用的焊接材料对应的焊接参数。
在本申请的一些实施例,对待修复区域模型进行分层曲面切片包括:将待修复区域模型中的待修复区域分为过渡层和表层,根据待修复区域模型中待修复区域形状,将过渡层和表层分别分割为多个曲面切片。
在对受损母材基体修复的过程中,内层焊接材料与外层焊接材料通常是不同的,因此,在对待修复区域模型进行分层曲面切片时,可以将待修复区域分为过渡层和表层,进一步的,根据待修复区域模型中待修复区域形状,将过渡层分割为多个曲面切片,且将表层也分割为多个曲面切片。在对待修复区域进行修复时,可以从过渡层的底层切片开始,逐层修复。
在本申请的一些实施例中,修复工艺参数包括焊接路径;根据焊接参数和各曲面切片的特性,确定各曲面切片的修复工艺参数包括:获取接触寻位信息;根据接触寻位信息和各曲面切片的空间特性,从预设的路径规划模式选取目标路径规划模式生成焊接路径;其中,路径规划模式包括以下的至少一种:平行条状模式、螺旋状模式和多层圆环状模式;根据焊接参数,确定焊接路径的曲面切片厚度、焊缝层高、焊缝宽度、中心堆叠尺寸、运动轨迹曲率和焊道方向中的至少一项。
在本申请的一些实施例中,在对焊接路径进行规划时,首先获取到接触寻位信息,即与工作站机器人的焊枪与待修复区域接触的起始点位置信息,根据该起始点位置信息,结合各曲面切片的空间特性,从平行条状模式、螺旋状模式和多层圆环状模式中选取一种生成焊接路径,如曲面切片为圆形,可选取多层圆环状模式,生成焊接路径,此时获得的焊接路径可以认为是一个初始焊接路径,其主要包括工作站机器人的焊枪在待修复区域的运行轨迹。
在确定焊接路径后,根据焊接参数,确定出焊接路径的一个或多个参数值,如曲面切片厚度、焊缝层高、焊缝宽度、中心堆叠尺寸、运动轨迹、运动轨迹曲率和焊道方向等等。
在本申请的一些实施例中,为了达到更好的修复效果,分层曲面切片厚度可略小于焊缝层高,针对不同的焊接材料及焊接参数,分层曲面切片厚度通常为1.5mm~3.0mm。
在本申请的一些实施例中,对每层最内侧轨迹,即每层的中心处应保证一最小中心堆叠尺寸,若该中心堆叠尺寸过大,会导致中心区域出现凹孔,需要手动补焊;若该中心堆叠尺寸过小,会导致中心实际焊接平均层高过高,一般满足曲面切片的内圈自身搭接量即可,在本申请的另一些实施例中,中心堆叠尺寸(可以理解为其等效直接)达到焊缝宽度的1/4~1/3即可。
在本申请的一些实施例中,根据修复操作指令控制原位增材修复设备对所述受损母材基体的待修复区域进行修复包括:对待修复区域进行分阶段修复,获取各阶段的修复反馈信息;根据一个阶段的修复反馈信息,确定该阶段所使用的修复工艺参数中至少一个参数的偏置量;根据偏置量对修复工艺参数进行更新,以根据更新后的修复工艺参数进行下一个阶段的修复。
在本申请的一些实施例中,分阶段修复可以理解为分层修复,在对一层曲面切片进行修复后,获取该层曲面切片的修复反馈信息,修复反馈信息表征的是对该层曲面切片的实际修复效果,根据该修复反馈信息确定出在本层曲面切片的修复过程中所使用的修复工艺参数中至少一个参数的偏置量,根据偏置量对修复工艺参数进行更新,以根据更新后的修复工艺参数进行下一个层曲面切片的修复。
如在本申请的一些实施例中,为避免修复结构内存在疏松和孔洞,相较本层的曲面切片的修复,在对下一层曲面切片进行修复时,通常会对焊缝宽度进行偏置,以满足焊道之间的搭接量,一般该偏置量近似为原始焊缝宽度的1/4~1/2。
又如在本申请的一些实施例中,为避免边缘结构塌陷或破坏,保证修复精度,对于采用,螺旋状焊接路径模式或是,多层圆环状焊接模式时,会对切片边界采取偏置;采用平行条状路径时,会沿着焊接方向法相根据焊缝宽度进行偏置,形成紧密的搭接结构。
在本申请的一些实施例中,考虑到焊接修复过程中,工作站机器人的焊枪的实际运动过程中,存在熔池受重力影响发生变形和运动的情况,因此,在满足焊道搭接量的基础上,还可以对曲面切片的运动轨迹逐道进行偏置,其偏置量一般随着运动速度减小、拟合曲线曲率增加以及熔池凝固速度减缓而增加,具体的偏置量范围可根据实际修复效果和修复工艺参数确定。
在本申请的一些实施例中,对焊接路径进行规划时,应尽量避免与对应相邻或相近的运动轨迹节点重叠,同时可随修复轨迹曲线的曲率变化,适当调节节点密度以保证修复精度。
此外,对与修复工艺参数的确定过程中,为了提高修复效果,可以对下述情况进行调整,如在本申请的一些实施例中,相邻焊道之间最好往返焊接方式,同时使各焊道起弧及收弧位置适当分散,以此减小焊接轨迹堆叠导致的焊接精度下降问题。又如在本申请的一些实施例中,调节同层曲面切片的焊道的焊接速度随焊接路径偏离轮廓距离增加而逐渐提高,相邻焊道偏置量由外向内逐渐增加,同时随电弧增材修复层数提高,最外层焊道的偏置量需要逐渐增加,以此降低焊接过程中的金属流体运动导致的精度下降问题。
在本申请的一些实施例中,还可以基于既有的修复方法,结合实际情况对待修复区域在必要时增添预热、保温以及冷却措施。对修复后的工件依据使用要求进行后续加工处理,以满足不同的服役条件和工作需要。
图2示出根据本申请的一个实施例的原位增材修复设备的控制方法的流程示意图,从图2可以看出,本实施例包括下述步骤:
响应于对焊接配置项的配置指令,确定待使用的焊接材料;从焊接工艺库中,确定与焊接材料对应的焊接参数。
获取待修复区域模型。
将修复区域模型中的待修复区域分为过渡层和表层,根据待修复区域模型中待修复区域形状,将过渡层和表层分别分割为多个曲面切片。
根据焊接参数和各曲面切片的特性,确定各曲面切片的修复工艺参数。
从最底层曲面切片开始,向上层逐层修复,根据当前层曲面切片的修复工艺参数,控制原位增材修复设备对该层曲面切片进行焊接修复。
并获取该层修复反馈信息;根据当前层曲面切片的修复反馈信息,确定该层所使用的修复工艺参数中至少一个参数的偏置量;根据偏置量对修复工艺参数进行更新。
根据更新后的修复工艺参数,控制原位增材修复设备对上一层曲面切片进行的修复;循环进行直至完成整体修复工作,修复流程结束。
下面从工作人员的角度出发,阐述原位增材修复方法,请参考图4,图4示出了根据本申请一个实施例的原位增材修复方法,该方法包括:
步骤S410:构建受损母材基体的基体模型。
以及步骤S420:根据基体模型,构建受损母材基体的待修复区域模型。
模型的建立可以使用现有技术中的任意一种工程建模软件实现,对受损母材基体进行测量,根据测量得到的数据先建立受损母材基体的基体模型,在损母材基体的基体模型的基础上,构建受损母材基体的待修复区域模型。
步骤S430:对受损母材基体的表面进行清理。
在对待修复区域进行修复之前,为了取得比较好的修复效果,可以对待修复区域进行机加工和预处理,清理表面多余结构。
步骤S440:基于待修复区域模型,根据前述的原位增材修复设备的控制方法,控制原位增材修复设备,对清理后的受损母材基体的待修复区域进行修复。
然后将原位增材修复设备加载在执行本申请的方法的电子设备上,将受损母材基体装置在原位增材修复设备上,基于待修复区域模型,根据前述的原位增材修复设备的控制方法,控制原位增材修复设备,对清理后的受损母材基体的待修复区域进行修复。
在本申请的一些实施例中,还可以对修复后的受损母材基体进行后处理,使得其能够更加符合运行工况的实际需求。
以修复图3中所示的煤机链轮磨损结构为例,根据下述增材修复流程进行修复:
第一步:对煤机链轮轮齿的磨损区域(图中白色部分)进行机加工处理,去除表层氧化层、磨损区域和冗余结构,得到满足一定对称性的待修复结构件。
第二步:对煤机链轮轮齿工件整体及待修复区域建立三维模型,加载变位机和工作站机器人同步,将煤机链轮轮齿安装变位机并校准工件位置。
第三步:根据工件服役情况选用满足焊接修复需求的过渡层焊丝材料及表层焊丝材质,访问焊接工艺库,从焊接工艺库中检索得到过渡层焊丝材料及表层焊丝材质相应的焊接参数,确定焊接参数符合焊丝焊接标准,并记录焊接层高H及焊缝宽度L。对上述过渡层和表层耐磨层成分增材修复过程中采用的保护气体类型为CO2,气体流量为15L/min。
第四步:对待修复区域进行分层曲面切片。
以该单个结构齿上的机加工曲面为基准,沿曲面上各点法向向外偏置曲面,抬升高度大致接近于对应材料在既定参数下的焊缝层高,在本实施例中对过渡层采用2.5mm,对表层采用2.0mm的抬升参数。结合待修复区域厚度,得到过渡层层数为5层,耐磨层为2层。同时根据该复杂金属工件的几何特点,选用自外向里的同心环状焊接轨迹,最外层焊道额外自边缘向内偏置4.0mm,逐层增加0.5mm,其余焊道间隔5.0mm,并随焊接轨迹向内侧偏置逐道增加0.2mm,同时保证最内侧焊道自搭接合理,各焊道逐层逐道采用曲线过渡方式得到具体轨迹。
第五步:焊接路径规划,在导入的待修复区域模型上设定接触寻位工序,进行工件曲面切片焊接路径规划,根据导入的待修复区域模型,以多边形拟合降低运行复杂度,设置一定的拟合点位密度以保证拟合精度,调整相邻修复层和相邻焊道之间的焊接方向相反,并调整相邻焊道起弧点位置适当分散以保证修复精度。
对焊接方向进行修正,使焊枪倾角为0°,即全程垂直于焊接曲面,同时设置变位机和机器人协调工作,调整变位机设置与焊接方向同步,从而保证焊枪全程处于直立状态仅保持平移及轴向旋转运动,以双轴变位机运动调节分层切片的曲面位置与之适配。可以采用FANUC后处理程序进行处理,将规划得到的焊接路径转化为增材修复指令文件。
第六步:将上述增材修复指令文件导入机器人离线编程软件,根据具体焊接环境对焊接参数进行微调整,设置焊接速度自外向内侧逐道提高3cm/min,调整上述相关焊接参数。考虑到原位焊接修复过程中的热输入和散热情况,除焊接前需预热外,在完成一定量的分层曲面切片的修复工作后需要等待工件进行冷却。在本实施例中,在过渡层的每层曲面切片修复完毕后等待200s,并逐层增加20s,在每层耐摩层修复完毕后等待300s。
第七步:对煤机链轮轮齿完成过渡层修复并冷却后,拆除固定工装,卸载工件并进行机加工处理,去除表面杂质和多余结构,使之与待修复过渡层修复模型的尺寸相匹配。重复上述修复流程和机加工流程完成表层加工工作,再根据工件服役环境进行后续机加工及热处理完成对该工件的原位增材修复工作。
图5示出了根据本申请的一个实施例的原位增材修复设备的控制装置的结构示意图,从图5可以看出,该装置500包括:
确定单元510,用于确定与待使用的焊接材料对应的焊接参数。
针对不同的受损母材基体,需要使用不同的焊接材料进行修复,而不同的焊接材料由于软硬程度、熔点高低、屈服值大小、运行工况、修复层特性和修复要求等因素的影响,焊接参数也不尽相同。因此,在本申请中,首先,针对待使用的焊接材料的种类,确定与待使用的焊接材料对应的焊接参数,焊接参数包括但不限于温度、压力、增压时间、电流大小等等。
模型获取单元520,用于获取待修复区域模型。
待修复区域模型的建立可以采用现有技术中的任意的建模软件实现,如CAD、BIM等,对于建模过程可以人为实现,如对受损母材基体进行测量和设计,在建模软件中,建立受损母材基体模型,并在受损母材基体模型的基础上,建立待修复区域模型,具体可参考图3,图3示出了本申请一个实施例的受损母材基体模型和待修复区域模型的示意图,从图3可以看出,待修复区域为受损母材基体的两个小部分(白色部分)。对待修复区域模型建立完毕后,可以将其保存为目标格式的文件,以确保兼容性。
工作人员可以在本申请提供的终端界面中,选择目标文件,从而使执行本申请的电子设备通过加载的方式,获取到待修复区域模型。
切片单元530,用于对待修复区域模型进行分层曲面切片。
在对工件进行焊接修复的实际操作过程中,并不是一下将所有的焊接材料堆叠到受损母材基体的待修复区域,而是将待修复区域分成一层一层的,逐层堆叠焊接,为了实现逐层堆叠焊接的目的,在本申请的一些实施例中,将待修复区域模型进行分层曲面切片,得到若干曲面切片,在焊接修复的过程中,从底层向上层,逐层焊接修复。
在对待修复区域模型进行分层曲面切片,不同于现有技术中,简单的将待修复区域分为多个水平的切片,在本申请中,能够针对性的根据待修复区域模型的特性,进行分层切片,得到贴合修复需求与对待修复区域模型特性的曲面切片。如待修复区域为波浪形曲面,可沿着波浪形曲面一侧的母线,将待修复区域分为多个波浪形的曲面切片,在焊接的过程中,每一次堆叠的量是大致相同的,采用这样的方式,得到的曲面切片,使得焊接材料更加均匀,效果好。
规划单元540,用于根据焊接参数和各曲面切片的特性,确定各曲面切片的修复工艺参数。
对于各层曲面切片而言,其修复工艺参数可以相同,也可以不同,需要说明的是,在实际操作过程中,通常会将待修复区域分为过渡层和表层,过渡层的各层曲面切片以及表层的各层曲面切片的修复工艺参数在具有一定的概率是一致或相近的,而过渡层与表层的修复工艺参数,由于焊接材料和修复需求等因素的差异,通常是不同的。
在本申请中,对各曲面切片的修复工艺参数的确定,同时考虑到焊接材料和曲面切片的结构特点,规划出各曲面切片的修复工艺参数,其中修复工艺参数可以包括但不限于:焊接路径、焊接温度、焊接电流大小、焊接压力等等。
控制单元550,用于根据修复工艺参数控制原位增材修复设备对受损母材基体的待修复区域进行修复。
在生成修复工艺参数后,通过控制原位增材修复设备中进行修复操作,例如,原位增材修复设备可以包含多个可协同操作的设备,则控制这些设备分别进行相应部分的修复操作,依据修复工艺参数,对受损母材基体的待修复区域进行焊接修复。
在一些实施例中,需要人工提前将受损母材基体装置在原位增材修复设备上,例如将受损母材基体通过夹持件固定。在一些实施例中,原位增材修复设备是独立于执行本申请的原位增材修复设备的控制方法的电子设备的,例如,通过服务器执行本申请的原位增材修复设备的控制方法,利于远程控制。
在控制原位增材修复设备对受损母材基体进行修复时,首先根据修复工艺参数生成工作站机器人的焊接指令和变位机的移动指令,根据移动指令,控制变位机将受损母材基体的待修复区域到达指定位置且使受损母材基体置于目标姿态,进一步的,根据焊接指令,使工作站机器人对受损母材基体的待修复区域进行增材焊接修复。在修复过程中,焊接修复工作不是一蹴而就的,在焊接过程中,变位机可能多次调整受损母材基体的位置和姿态,以满足焊接修复的需要。
在本申请的一些实施例中,在上述装置中,模型获取单元520,用于提供包含焊接材料配置项的配置界面;响应于对焊接配置项的配置指令,确定待使用的焊接材料;从焊接工艺库中,确定与焊接材料对应的焊接参数。
在本申请的一些实施例中,在上述装置中,切片单元530,用于将待修复区域模型中的待修复区域分为过渡层和表层,根据待修复区域模型中待修复区域形状,将过渡层和表层分别分割为多个曲面切片。
在本申请的一些实施例中,在上述装置中,修复工艺参数包括焊接路径;规划单元540,用于获取接触寻位信息;根据接触寻位信息和各曲面切片的空间特性,从预设的路径规划模式选取目标路径规划模式生成焊接路径;其中,路径规划模式包括以下的至少一种:平行条状模式、螺旋状模式和多层圆环状模式;根据焊接参数,确定焊接路径的曲面切片厚度、焊缝层高、焊缝宽度、中心堆叠尺寸、运动轨迹、运动轨迹曲率和焊道方向中的至少一项。
在本申请的一些实施例中,在上述装置中,曲面切片厚度小于焊缝层高;中心堆叠尺寸的等效直径为焊缝层高的1/4~1/3。
在本申请的一些实施例中,在上述装置中,控制单元550,用于对待修复区域进行分阶段修复,获取各阶段的修复反馈信息;根据一个阶段的修复反馈信息,确定该阶段所使用的修复工艺参数中至少一个参数的偏置量;根据偏置量对修复工艺参数进行更新,以根据更新后的修复工艺参数进行下一个阶段的修复。
在本申请的一些实施例中,在上述装置中,原位增材修复设备包括执行焊接操作的工作站机器人和承载受损母材基体的变位机;控制单元550,用于根据修复工艺参数生成工作站机器人的焊接指令和变位机的移动指令;根据移动指令,使变位机将受损母材基体置于目标姿态;受损母材基体的待修复区域到达指定位置;根据焊接指令,使工作站机器人对受损母材基体的待修复区域进行增材焊接修复。
能够理解,上述对原位增材修复设备的控制装置,能够实现前述实施例中原位增材修复设备的控制方法的各个步骤,关于原位增材修复设备的控制方法的相关阐释均适用于原位增材修复设备的控制装置,此处不再赘述。
图6示出了根据本申请的一个实施例的原位增材修复系统的结构示意图,从图6可以看出,该原位增材修复系统600包括原位增材修复设备610,以及上述的原位增材修复设备的控制装置500,其中原位增材修复设备610包括执行焊接操作的工作站机器人611和承载受损母材基体的变位机612,原位增材修复装置500预先加载工作站机器人611和所述变位机612。
原位增材修复设备的控制装置500,用于确定与待使用的焊接材料对应的焊接参数;获取待修复区域模型;对待修复区域模型进行分层曲面切片;根据焊接参数和各曲面切片的特性,确定各曲面切片的修复工艺参数;以及用于根据修复工艺参数生成工作站机器人的焊接指令和变位机的移动指令。
变位机612,用于根据移动指令,将受损母材基体置于目标姿态;以及使受损母材基体的待修复区域到达指定位置。
工作站机器人611,用于根据焊接指令,使工作站机器人对受损母材基体的待修复区域进行增材焊接修复。
图7是本申请的一个实施例电子设备的结构示意图。请参考图7,在硬件层面,该电子设备包括处理器,可选地还包括内部总线、网络接口、存储器。其中,存储器可能包含内存,例如高速随机存取存储器(Random-Access Memory,RAM),也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory),例如至少1个磁盘存储器等。当然,该电子设备还可能包括其他业务所需要的硬件。
处理器、网络接口和存储器可以通过内部总线相互连接,该内部总线可以是ISA(Industry Standard Architecture,工业标准体系结构)总线、PCI(PeripheralComponent Interconnect,外设部件互连标准)总线或EISA(Extended Industry StandardArchitecture,扩展工业标准结构)总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示,图7中仅用一个双向箭头表示,但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
存储器,用于存放程序。具体地,程序可以包括程序代码,所述程序代码包括计算机操作指令。存储器可以包括内存和非易失性存储器,并向处理器提供指令和数据。
处理器从非易失性存储器中读取对应的计算机程序到内存中然后运行,在逻辑层面上形成原位增材修复设备的控制装置。处理器,执行存储器所存放的程序,并具体用于执行以下操作:
确定与待使用的焊接材料对应的焊接参数;
获取待修复区域模型;
对所述待修复区域模型进行分层曲面切片;
根据所述焊接参数和各曲面切片的特性,确定各曲面切片的修复工艺参数;
根据所述修复工艺参数控制原位增材修复设备对所述受损母材基体的待修复区域进行修复。
上述如本申请图5所示实施例揭示的原位增材修复设备的控制装置执行的方法可以应用于处理器中,或者由处理器实现。处理器可能是一种集成电路芯片,具有信号的处理能力。在实现过程中,上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器,包括中央处理器(CentralProcessing Unit,CPU)、网络处理器(Network Processor,NP)等;还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit,ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成,或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器,闪存、只读存储器,可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器,处理器读取存储器中的信息,结合其硬件完成上述方法的步骤。
该电子设备还可执行图5中原位增材修复设备的控制装置执行的方法,并实现原位增材修复设备的控制装置在图5所示实施例的功能,本申请实施例在此不再赘述。
本申请实施例还提出了一种计算机可读存储介质,该计算机可读存储介质存储一个或多个程序,该一个或多个程序包括指令,该指令当被包括多个应用程序的电子设备执行时,能够使该电子设备执行图5所示实施例中原位增材修复设备的控制装置执行的方法,并具体用于执行:
确定与待使用的焊接材料对应的焊接参数;
获取待修复区域模型;
对所述待修复区域模型进行分层曲面切片;
根据所述焊接参数和各曲面切片的特性,确定各曲面切片的修复工艺参数;
根据所述修复工艺参数控制原位增材修复设备对所述受损母材基体的待修复区域进行修复。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中,电子设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器,随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式,如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括,但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带,磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质,可用于存储可以被电子设备访问的信息。按照本文中的界定,计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media),如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上所述仅为本申请的实施例而已,并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种原位增材修复设备的控制方法,其特征在于,应用于原位增材修复设备,所述原位增材修复设备包括执行焊接操作的工作站机器人和承载受损母材基体的变位机,所述方法包括:
确定与待使用的焊接材料对应的焊接参数;
获取待修复区域模型;
将所述待修复区域模型中的待修复区域分为过渡层和表层,根据所述待修复区域模型中待修复区域形状,将所述过渡层和所述表层分别分割为多个曲面切片;
根据所述焊接参数和各曲面切片的特性,确定各曲面切片的修复工艺参数;
根据所述修复工艺参数控制原位增材修复设备对所述受损母材基体的待修复区域进行修复。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述确定与待使用的焊接材料对应的焊接参数包括:
提供包含焊接材料配置项的配置界面;
响应于对焊接配置项的配置指令,确定待使用的焊接材料;
从焊接工艺库中,确定与所述焊接材料对应的焊接参数。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述修复工艺参数包括焊接路径;
所述根据所述焊接参数和各曲面切片的特性,确定各曲面切片的修复工艺参数包括:
获取接触寻位信息;
根据所述接触寻位信息和各曲面切片的空间特性,从预设的路径规划模式选取目标路径规划模式生成焊接路径;其中,所述路径规划模式包括以下的至少一种:平行条状模式、螺旋状模式和多层圆环状模式;
根据所述焊接参数,确定焊接路径的曲面切片厚度、焊缝层高、焊缝宽度、中心堆叠尺寸、运动轨迹、运动轨迹曲率和焊道方向中的至少一项。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述曲面切片厚度小于焊缝层高;
所述中心堆叠尺寸的等效直径为所述焊缝层高的1/4~1/3。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述根据所述修复工艺参数控制原位增材修复设备对所述受损母材基体的待修复区域进行修复包括:
对所述待修复区域进行分阶段修复,获取各阶段的修复反馈信息;
根据一个阶段的修复反馈信息,确定该阶段所使用的修复工艺参数中至少一个参数的偏置量;
根据所述偏置量对所述修复工艺参数进行更新,以根据更新后的修复工艺参数进行下一个阶段的修复。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述原位增材修复设备包括执行焊接操作的工作站机器人和承载所述受损母材基体的变位机;
所述根据所述修复工艺参数控制原位增材修复设备对所述受损母材基体的待修复区域进行修复包括:
根据所述修复工艺参数生成工作站机器人的焊接指令和变位机的移动指令;
根据所述移动指令,使所述变位机将所述受损母材基体置于目标姿态;
受损母材基体的待修复区域到达指定位置;
根据所述焊接指令,使所述工作站机器人对所述受损母材基体的待修复区域进行增材焊接修复。
7.一种原位增材修复设备的控制装置,其特征在于,所述装置用于执行如权利要求1~6中任一项所述的方法。
8.一种原位增材修复系统,其特征在于,所述系统包括原位增材修复设备,以及权利要求7所述的原位增材修复设备的控制装置,其中所述原位增材修复设备包括执行焊接操作的工作站机器人和承载所述受损母材基体的变位机,所述原位增材修复装置预先加载所述工作站机器人和所述变位机;
所述原位增材修复设备的控制装置,用于确定与待使用的焊接材料对应的焊接参数;获取待修复区域模型;将所述待修复区域模型中的待修复区域分为过渡层和表层,根据所述待修复区域模型中待修复区域形状,将所述过渡层和所述表层分别分割为多个曲面切片;根据所述焊接参数和各曲面切片的特性,确定各曲面切片的修复工艺参数;以及用于根据所述修复工艺参数生成工作站机器人的焊接指令和变位机的移动指令;
所述变位机,用于根据所述移动指令,将所述受损母材基体置于目标姿态;以及使受损母材基体的待修复区域到达指定位置;
所述工作站机器人,用于根据所述焊接指令,使所述工作站机器人对所述受损母材基体的待修复区域进行增材焊接修复。
9.一种原位增材修复方法,其特征在于,包括:
构建受损母材基体的基体模型;
根据所述基体模型,构建所述受损母材基体的待修复区域模型;
对所述受损母材基体的表面进行清理;
基于所述待修复区域模型,根据权利要求1~6中任一项所述的原位增材修复设备的控制方法,控制原位增材修复设备,对清理后的所述受损母材基体的待修复区域进行修复。
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