CN114065419B - 一种大型复杂构件电弧增材再制造变层厚切片方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型复杂构件电弧增材再制造变层厚切片方法，包括对3D模型进行处理，得到待修复的区域模型；根据平板焊接实验，取其均值，初步确定焊道层高；对区域模型从最底层进行单次切片；根据对填充路径进行设定，包括包络圈路径、内部路径填充方式及其倾斜角度，得到该层的全部堆焊路径，获得该层实际层厚；判断是否使用新的层厚作为切片厚度；收集所有变层厚数据，完成变层厚切片。本发明通过研究包络圈长度与内路径长度之比，也即总路径长度与堆焊面积之比，得出其影响层厚的规律，并将其应用于离线编程系统中，以实现精准层厚控制。

Description

一种大型复杂构件电弧增材再制造变层厚切片方法

技术领域

本发明涉及电弧增材制造技术领域，具体是一种大型复杂构件电弧增材再制造变层厚切片方法，该方法适用于在固定工艺参数下，对层厚上的高度差进行计算，通过调整切片厚度，得到高质量的熔覆形状，从而达到对复杂结构件宏观外形及微观性能的双重保证。

背景技术

电弧增材(再)制造是利用电弧堆焊的方式进行失效构件修复、生产制造新构件的常规手段，目前的电弧增材(再)制造以机器人电弧堆焊为主，机器人电弧堆焊效率高、焊接性能稳定、增材成形良好，适用于大型复杂构件的修复和制造。

电弧增材再制造基础流程一般为：第一步、将失效构件的缺陷(如裂纹、疲劳层)进行气刨处理，去除构件的缺陷；第二步、利用扫描仪扫描得到气刨处理后的数模；第三步、将该构件的精准数模与第二步中气刨扫描后的数模进行求差，得到需要增材部分的数模；第四步、将第三步中所得到的增材数模进行分层切片、路径规划；第五步、由第四步所得分层切片规划好路径的数模生成增材制造程序；第六步、通过机器人进行电弧增材堆积修复。

电弧增材(再)制造时，堆焊层厚的控制是影响增材制造性能的关键因素，如果层厚设置高于实际高度，则机器人在制造过程中易产生脉冲极限、撞枪的机械故障或者易产生咬边缺陷；如果层厚设置低于实际高度，则在增材制造过程中易产生未到边、未熔透、缺肉等缺陷。所以对电弧增材(再)制造过程的层厚的准确控制十分重要。

目前，对于电弧增材制造的层厚切片算法主要有两种，一种是等厚切片，即每一层切片厚度都是一个定值，另一种是根据结构件的分型面而确定的变层厚切片算法。这两种方法各有优劣，前者方法简单，但会产生较大的加工余量，造成浪费，后一种算法，保证了结构件的轮廓，但对结构件的外形依赖较大，且算法复杂，易产生偏差。

实际生产中，对于电弧增材制造的层厚确定方法为根据经验获得，通常需要在平面基板上对一组工艺参数进行大量的实验，从而确定单道焊接层高，即切片厚度。但是对于复杂构件，由于包络圈形状的不同和包络圈与填充部分的比例不同，会导致包络圈路径与内路径的搭接率也会随之变化，这种情况会导致在实际堆焊过程中，其单层堆积厚度并不会严格遵守由平板堆焊实验所得到的厚度。因此，通过对分层切片时厚度参数的精准把握，是对实现高质量电弧增材(再)制造控形与保性的基础前提。

发明内容

本发明的目的是为了解决背景技术中提及的问题，本发明提供一种大型复杂构件电弧增材(再)制造变层厚切片，精确规划增材(再)制造的层厚，消除电弧增材(再)制造的缺陷。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种大型复杂构件电弧增材再制造变层厚切片方法，其中：包括以下步骤：

步骤一、对电弧增材制造的3D模型或者是待修复的模具三维扫描模型进行处理，得到待修复的区域模型；

步骤二、根据平板焊接实验，取其均值，初步确定焊道层高h₀；

步骤三、将h₀作为层厚参数输入到分层切片的软件中，对步骤一处理后的待修复的区域模型进行一次切片，即从最底层对待修复的区域模型进行单次切片；

步骤四、根据对填充路径进行设定，包括包络圈路径、内部路径填充方式及其倾斜角度，得到该层的全部堆焊路径，记为L_i，i＝1,2，…，n，将每次产生的路径并入到集合Ω中，即Ω＝{L₁，L₂，…，L_n}；

步骤四、根据最底层的焊接参数及层片几何特征，获得该层实际层厚h；即：

其中，η为熔覆效率，d为焊丝直径，WFS为送丝速度，l为该片层总体路径长度，TS为焊接速度，s为层片沿厚度方向上的堆焊面积均值，计算公式如下：

其中，l_i为单向路径长度，D为焊道间距，b为外轮廓总长度，w为焊道宽度。

若则该片层在厚度方向上不做处理，保存该层路径到集合Ω中，并在原模型中删除该片层，若/>则把h₀更改为h，重复步骤三、四、五，直至切片的片层达到模型最顶层；其中，n％为预定的层厚变更阈值；

步骤六、集合Ω中即为所有层厚较为合理的片层路径，即完成变层厚切片。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的n％为5％。

步骤一中，对电弧增材制造的3D模型或者是待修复的模具三维扫描模型进行处理的具体方式是：对电弧增材制造的3D模型或者是待修复的模具三维扫描模型进行点云的精简与降噪、模具精准数模与扫描模型的布尔求差处理，最后得到待修复的区域模型。

步骤六中，完成变层厚切片的具体方法为：根据集合Ω，逐层得到从最底层开始的切片层厚及其堆焊路径，同时得到删减片层后的待修复的区域模型，将该模型重新导入切片软件，即可完成对复杂结构件模型的变层厚切片。

步骤四中，层片沿厚度方向上的堆焊面积均值s的计算公式为：

其中，l_i为单向路径长度，D为焊道间距，b为外轮廓总长度，w为焊道宽度。

本发明具有以下优点：

1、大多数大型复杂构件电弧增材再制造时，由于包络圈与内路径之间的搭接距离小于内路径之间的距离，即相同面积时，包络圈部分的堆焊金属多于内路径的堆焊金属，故在相同焊接工艺参数(焊接电压、焊接电流、送丝速度、焊接速度等)时，包络圈部分的层厚高于内路径部分。本发明意在电弧增材再制造时，通过研究包络圈长度与内路径长度之比，也即总路径长度与堆焊面积之比，得出其影响层厚的规律，并将其应用于离线编程系统中，以实现精准层厚控制。

2、本方法可以为大型复杂构件电弧增材(再)制造层厚计算提供理论支撑，为工程实践层厚确定提供指导。

3、基于本方法计算得到的层厚较经验获得层厚更加准确、便捷。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2单层切片层相关参数；

图3包络圈长度测量图；

图4内路径长度测量图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

本发明的本发明，即一种大型复杂构件电弧增材(再)制造变层厚切片算法，该算法包含前处理模块、分层切片及路径规划模块、负反馈模块。本发明设计的各方法特征如下：

(1)前处理模块：对电弧增材制造的3D模型或者是待修复的模具三维扫描模型进行处理，包括点云的精简与降噪、模具精准数模与扫描模型的布尔求差等处理。

(2)分层切片及路径规划模块：该模块主要是根据在给定工艺参数下，在平板上焊接并对其焊道高度进行测量，求其均值。在确定厚度之后，导入切片软件进行分层，并对不同的层数进行路径规划。

(3)负反馈模块：由于不同的层片下路径规划情况不尽相同，在单层实际堆焊过程中所产生的厚度上的偏差，会对表面成形质量及精度产生极大影响，本模块根据单层总送丝量与该层平均面积的比值，得到实际工况中的层厚，并将此层厚重新导入分层切片机路径规划模块，对模型重新进行切片及路径规划，通过上述两个模块的迭代，逼近某一合理的层厚，从而指导实际生产。

为达到上述目的，本发明提供如下实现方法：

步骤一、对电弧增材制造的3D模型或者是待修复的模具三维扫描模型进行处理，得到待修复的区域模型；

步骤二、根据平板焊接实验，取其均值，初步确定焊道层高h₀；

步骤三、将h₀作为层厚参数输入到分层切片的软件中，对步骤一处理后的待修复的区域模型进行一次切片，即从最底层对待修复的区域模型进行单次切片；

步骤四、根据对填充路径进行设定，包括包络圈路径、内部路径填充方式及其倾斜角度，得到该层的全部堆焊路径，记为L_i，i＝1,2，…，n，将每次产生的路径并入到集合Ω中，即Ω＝{L₁，L₂，…，L_n}；

步骤四、根据最底层的焊接参数及层片几何特征，获得该层实际层厚h；即：

其中，η为熔覆效率，d为焊丝直径，WFS为送丝速度，l为该片层总体路径长度，TS为焊接速度，s为层片沿厚度方向上的堆焊面积均值，计算公式如下：

其中，l_i为单向路径长度，D为焊道间距，b为外轮廓总长度，w为焊道宽度。若则该片层在厚度方向上不做处理，保存该层路径到集合Ω中，并在原模型中删除该片层，若/>则把h₀更改为h，重复步骤三、四、五；直至切片的片层达到模型最顶层，

步骤六、集合Ω中即为所有层厚较为合理的片层路径，即完成变层厚切片。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种大型复杂构件电弧增材再制造变层厚切片方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤一、对电弧增材制造的3D模型或者是待修复的模具三维扫描模型进行处理，得到待修复的区域模型；

步骤二、根据平板焊接实验，取其均值，初步确定焊道层高h₀；

步骤三、将h₀作为层厚参数输入到分层切片的软件中，对步骤一处理后的待修复的区域模型进行一次切片，即从最底层对待修复的区域模型进行单次切片；

步骤四、根据对填充路径进行设定，包括包络圈路径、内部路径填充方式及其倾斜角度，得到该层的全部堆焊路径，记为L_i，i＝1,2，…，n，将每次产生的路径并入到集合Ω中，即Ω＝{L₁，L₂，…，L_n}；

步骤四、根据最底层的焊接参数及层片几何特征，获得该层实际层厚h；即：

其中，η为熔覆效率，d为焊丝直径，WFS为送丝速度，l为该片层总体路径长度，TS为焊接速度，s为层片沿厚度方向上的堆焊面积均值；

若则该片层在厚度方向上不做处理，保存该层路径到集合Ω中，并在原模型中删除该片层，若/>则把h₀更改为h，重复步骤三、四、五，直至切片的片层达到模型最顶层；其中，n％为预定的层厚变更阈值；

步骤六、集合Ω中即为所有层厚较为合理的片层路径，即完成变层厚切片。

2.根据权利要求1所述的一种大型复杂构件电弧增材再制造变层厚切片方法，其特征是：所述的n％为5％。

3.根据权利要求1所述的一种大型复杂构件电弧增材再制造变层厚切片方法，其特征是：步骤一中，对电弧增材制造的3D模型或者是待修复的模具三维扫描模型进行处理的具体方式是：对电弧增材制造的3D模型或者是待修复的模具三维扫描模型进行点云的精简与降噪、模具精准数模与扫描模型的布尔求差处理，最后得到待修复的区域模型。

4.根据权利要求1所述的一种大型复杂构件电弧增材再制造变层厚切片方法，其特征是：步骤六中，完成变层厚切片的具体方法为：根据集合Ω，逐层得到从最底层开始的切片层厚及其堆焊路径，同时得到删减片层后的待修复的区域模型，将该模型重新导入切片软件，即可完成对复杂结构件模型的变层厚切片。

5.根据权利要求1所述的一种大型复杂构件电弧增材再制造变层厚切片方法，其特征是：步骤四中，层片沿厚度方向上的堆焊面积均值s的计算公式为：

其中，l_i为单向路径长度，D为焊道间距，b为外轮廓总长度，w为焊道宽度。