CN114932289A - 一种大型构件增材尺寸精度控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型构件增材尺寸精度控制装置及方法，包括增材系统、运动执行系统、视觉测量系统和总控系统。增材系统安装于运动执行系统上，可随运动执行系统在工作空间内以任意姿态到达任意位置；增材系统、运动执行系统和视觉测量系统均与总控系统相连，通过总控系统协同控制进行工作；本发装置通过设置总控系统可对实际增材模型进行切片，并通过集成的算法与采集的增材构件表面轮廓进行对比，判断需要二次填补区域，计算二次填补区域焊道宽度，对构件进行二次填补，实现对增材精度的有效控制。
Description
技术领域
本发明涉及电弧填丝增材制造设备领域，尤其涉及一种大型构件增材尺寸精度控制装置及方法。
背景技术
电弧增材制造是指通过电弧热源熔化丝材，逐层往复堆积制造金属构件。大型构件增材往往采用龙门架等大型行走机构及多机器人多焊枪协同增材，在增材过程中构件易发生翘曲变形，并且在增材过程中由于受导轨平整度、外部轴行程精度等影响，增材过程中存在增材精度难以控制等问题。
专利CN202210036457.2、CN201911010128.5、CN202111622450.0所提到的修补仅适用于现有破损零件、小部件的修补；而本发明是对大型增材构件增材过程中由于变形等因素引起的局部缺失部位进行二次填补。如果采用专利CN202210036457.2、CN201911010128.5所述方式进行修补，需等构件完全增材完成后进行修补，对于大型复杂结构件，无法准确计算出缺失部位，内部复杂区域无法进行修补。而本发明是在增材过程中，对每层进行扫描，能够及时对缺失部位进行二次填补，保证增材成形精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种大型构件增材尺寸精度控制装置及方法，适用于大型构件增材过程增材截面轮廓、侧面高度尺寸精度控制。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种大型构件增材尺寸精度控制装置，包括增材系统、运动执行系统、视觉测量系统和总控系统；
增材系统安装于运动执行系统上，可随运动执行系统在工作空间内以任意姿态到达任意位置；
增材系统、运动执行系统和视觉测量系统均与总控系统相连，通过总控系统协同控制进行工作；
视觉测量系统包括侧面视觉测距仪和垂直往下拍摄的图像采集装置，侧面视觉测距仪用于测量增材构件高度，图像采集设备用于识别增材构件上表面轮廓，并且图像采集设备根据需求确定数量。
进一步的，增材系统增材方式选择为非熔化极电弧增材、熔化极电弧增材、激光熔丝或激光粉末增材。
进一步的，运动执行系统为机器人、龙门式行走机构或悬臂式行走机构。
进一步的，视觉测量系统利用图像采集装置采集每一层增材构件的轮廓，侧面视觉测距仪对增材构件已增材高度进行测量，并将高度数据和轮廓数据发送至总控系统。
进一步的，总控系统将高度数据和轮廓数据与模型库中对应高度下模型轮廓进行对比，标记出与模型轮廓不一致区域，并判断出需要二次填补的区域标记为S1、S2…Sn。
标记方法：对模型轮廓划分为正区域和负区域，外轮廓外部区域定义为负区域，外轮廓内部区域定义为负区域，外轮廓与内轮廓中间区域定义为正区域；将实际增材构件外轮廓与模型轮廓划分区域进行对比，如果实际增材构件轮廓在正区域，则为需要二次填补区域，如果实际增材构件轮廓在负区域，则为不需要二次填补区域。
进一步的，总控系统对二次填补区域S1、S2…Sn分别进行路径规划，二次填补区域按平行轮廓线填充方式进行路径规划。
进一步的，总控系统根据规划路径协同控制增材系统、运动执行系统进行增材。
一种大型构件增材尺寸精度控制方法，具体步骤如下：
步骤1：将增材系统安装至运动执行系统上，根据增材构件尺寸选择相应数量的图像采集设备进行布局。
步骤2：总控系统控制增材系统、运动执行系统进行增材，增材完一层后，图像采集装置采集一次增材构件上表面轮廓，侧面视觉测距仪测量增材构件实际高度。
步骤3：视觉测量系统将图像采集装置采集的增材构件上表面各部位轮廓进行拼接，并将增材构件实际高度数据和拼接好的轮廓数据发送至总控系统。
步骤4：总控系统根据侧面视觉测距仪测量的构件高度数据，截取模型库中构件模型相应高度的轮廓，并与采集的增材构件上表面轮廓进行对比，标记出与模型轮廓不一致区域，并按标记算法判断出需要二次填补的区域标记为S1、S2…Sn，计算出二次填补区域焊道宽度B1、B2…Bn。
步骤5：总控系统对二次填补区域进行路径规划，二次填补区域按平行轮廓线填充方式进行路径规划。
步骤6：总控系统生成二次填补程序，根据规划好的二次填补路径设定各路径增材枪姿态和增材工艺。
为使待二次填补区域恰好完全填补，提出一种自适应填补增材工艺，即根据置二次填补区域不同位置焊道宽度Bn调整增材速度V，V满足以下条件：
Vs为送丝速度，r为焊丝半径，δ为调节系数，δ取0.1～1。
步骤7：按照步骤2-6填补层内需要二次填补的各区域，完成后进行下一层增材制造，再按照步骤2-6的方法填补层内需要二次填补的各区域，依此方式循环增材、二次填补直至完成构件增材制造。
本发明相对于现有技术相比具有如下显著优点：
1、本发明的一种大型构件增材尺寸精度控制装置设有侧面视觉测距仪，能够实时测量增材构件高度，把控增材所在高度下增材路径。
2、本发明的一种大型构件增材尺寸精度控制装置设有图像采集装置，配合侧面视觉测距仪，实时检测增材构件所在高度下表面轮廓。
3、本发明的一种大型构件增材尺寸精度控制装置，视觉测量系统集成图像拼接和轮廓提取功能，能够对采集的图像进行拼接，并提取增材构件表面轮廓。
4、本发明的一种大型构件增材尺寸精度控制装置，总控系统可对实际增材模型进行切片，并通过集成的算法与采集的增材构件表面轮廓进行对比，判断需要二次填补区域，计算二次填补区域焊道宽度，对构件进行二次填补，实现对增材精度的有效控制。
5、本发明一种大型构件增材尺寸精度控制装置及方法，在二次填补时，采用过渡工艺进行增材，能够防止二次填补焊道塌陷，有效提高二次填补精度。
附图说明
图1为龙门式大型构件增材尺寸精度控制装置主视图。
图2为增材构件模型轮廓与实际轮廓对比图。
图中1为增材系统，2为运动执行系统，3为视觉测量系统，4为增材构件，5为增材构件模型轮廓，6为增材构件实际轮廓。
具体实施方式
本发明现以龙门式大型构件增材尺寸精度控制装置及方法为例，结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
本发明要解决的技术问题是：克服以上现有技术存在的缺陷，提供大型构件增材尺寸精度控制装置及方法，通过激光测距测量增材构件高度，图像采集设备采集增材构件表面轮廓，控制系统对图像进行拼接，并将当前高度下增材构件表面轮廓与模型库数据对比，计算增材构件表面轮廓偏差值并对增材路径进行调整，提高增材成形精度，实现高质量增材。
利用本发明一种大型构件增材尺寸精度控制装置，并结合CMT电弧增材，采用直径1.2mm的316L不锈钢焊丝进行增材，增材长4000mm、宽3000mm、高500mm的框型结构，如图2所示。
控制装置，包括增材系统、运动执行系统、视觉测量系统和总控系统，其中增材系统采用Fronius TPS 500i CMT电弧增材系统、运动执行系统采用有效行程为6m*5m*3m的三轴动龙门配载ABB IRB2600六轴机器人及其控制系统、视觉测量系统采用BASLER blaze101三维视觉采集系统；
增材系统安装于运动执行系统上，可随运动执行系统在工作空间内以任意姿态到达任意位置；
增材系统、运动执行系统和视觉测量系统均与总控系统相连，通过总控系统协同控制进行工作；
视觉测量系统包括侧面视觉测距仪和垂直往下拍摄的图像采集装置，侧面视觉测距仪用于测量增材构件高度，图像采集设备用于识别增材构件上表面轮廓，并且图像采集设备根据需求确定数量。
该控制装置的具体工作方式包括：
视觉测量系统利用图像采集装置采集每一层增材构件的轮廓，侧面视觉测距仪对增材构件已增材高度进行测量，并将高度数据和轮廓数据发送至总控系统。
总控系统将高度数据和轮廓数据与模型库中对应高度下模型轮廓进行对比，标记出与模型轮廓不一致区域，并判断出需要二次填补的区域标记为S1、S2…Sn。
总控系统的标记方法：对模型轮廓划分为正区域和负区域，外轮廓外部区域定义为负区域，外轮廓内部区域定义为负区域，外轮廓与内轮廓中间区域定义为正区域；将实际增材构件外轮廓与模型轮廓划分区域进行对比，如果实际增材构件轮廓在正区域，则为需要二次填补区域，如果实际增材构件轮廓在负区域，则为不需要二次填补区域。
总控系统对二次填补区域S1、S2…Sn分别进行路径规划，二次填补区域按平行轮廓线填充方式进行路径规划。
总控系统根据规划路径协同控制增材系统、运动执行系统进行增材。
一种大型构件增材尺寸精度控制方法，具体步骤如下：
步骤1：将增材系统安装至运动执行系统上，根据增材构件尺寸选择6个视场半径为2000mm的视觉测量装置，并均匀排布于增材区域正上方，使图像采集装置视场部分重叠，能够完全覆盖增材区域。
步骤2：总控系统控制增材系统、运动执行系统按设定规划路径、增材工艺进行增材，增材完一层后，图像采集装置采集一次增材构件上表面轮廓，侧面视觉测距仪测量增材构件实际高度。
步骤3：视觉测量系统将图像采集装置采集的增材构件上表面各部位轮廓进行拼接，并将拼接好的轮廓数据和增材构件实际高度数据发送至总控系统。
步骤4：总控系统根据侧面视觉测距仪测量的构件高度数据，截取模型库中构件模型相应高度的轮廓，并与采集的增材构件上表面轮廓进行对比，标记出与模型轮廓不一致区域，并判断出需要二次填补的区域标记为S1、S2，计算出S1区域焊道宽度B1为1mm～5mm，S2区域焊道宽度B2为4mm～8mm。
步骤5：总控系统对二次填补区域进行路径规划，二次填补区域按平行轮廓线填充方式进行路径规划。
步骤6：总控系统生成二次填补程序，根据规划好的路径设定二次填补区域S1增材送丝速度为6m/min，二次填补区域S2增材送丝速度为8m/min。
为使待二次填补区域恰好完全填补，提出一种自适应填补增材工艺，即根据置二次填补区域不同位置焊道宽度Bn调整增材速度V，V满足以下条件：
二次填补区域S1，δ取0.1，二次填补区域S2，δ取0.3。
步骤7：按照步骤2-6的方法填补层内需要二次填补的各区域，完成后进行下一层增材制造，再按照步骤2-6的方法填补层内需要二次填补的各区域，依此方式循环增材、二次填补直至完成构件增材制造。
Claims (9)
1.一种大型构件增材尺寸精度控制装置，其特征在于，包括增材系统、运动执行系统、视觉测量系统和总控系统；
增材系统安装于运动执行系统上，可随运动执行系统在工作空间内以任意姿态到达任意位置；
增材系统、运动执行系统和视觉测量系统均与总控系统相连，通过总控系统协同控制进行工作；
视觉测量系统包括侧面视觉测距仪和垂直往下拍摄的图像采集装置，侧面视觉测距仪用于测量增材构件高度，图像采集设备用于识别增材构件上表面轮廓，并且图像采集设备根据需求确定数量。
2.根据权利要求1所述的大型构件增材尺寸精度控制装置，其特征在于，增材系统的增材方式选择为非熔化极电弧增材、熔化极电弧增材、激光熔丝或激光粉末增材。
3.根据权利要求1所述的大型构件增材尺寸精度控制装置，其特征在于，运动执行系统为机器人、龙门式行走机构或悬臂式行走机构。
4.根据权利要求1所述的大型构件增材尺寸精度控制装置，其特征在于，视觉测量系统利用图像采集装置采集每一层增材构件的轮廓，侧面视觉测距仪对增材构件已增材高度进行测量，并将高度数据和轮廓数据发送至总控系统。
5.根据权利要求1所述的大型构件增材尺寸精度控制装置，其特征在于，总控系统将高度数据和轮廓数据与模型库中对应高度下模型轮廓进行对比，标记出与模型轮廓不一致区域，并判断出需要二次填补的区域标记为S1、S2…Sn。
6.根据权利要求5所述的大型构件增材尺寸精度控制装置，其特征在于，标记方法：对模型轮廓划分为正区域和负区域，外轮廓外部区域定义为负区域，外轮廓内部区域定义为负区域，外轮廓与内轮廓中间区域定义为正区域；将实际增材构件外轮廓与模型轮廓划分区域进行对比，如果实际增材构件轮廓在正区域，则为需要二次填补区域，如果实际增材构件轮廓在负区域，则为不需要二次填补区域。
7.根据权利要求1所述的大型构件增材尺寸精度控制装置，其特征在于，总控系统对二次填补区域S1、S2…Sn分别进行路径规划，二次填补区域按平行轮廓线填充方式进行路径规划。
8.根据权利要求1所述的大型构件增材尺寸精度控制装置，其特征在于，总控系统根据规划路径协同控制增材系统、运动执行系统进行增材。
9.一种大型构件增材尺寸精度控制方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：将增材系统安装至运动执行系统上，根据增材构件尺寸选择相应数量的图像采集设备进行布局；
步骤2：总控系统控制增材系统、运动执行系统进行增材，增材完一层后，图像采集装置采集一次增材构件上表面轮廓，侧面视觉测距仪测量增材构件实际高度；
步骤3：视觉测量系统将图像采集装置采集的增材构件上表面各部位轮廓进行拼接，并将增材构件实际高度数据和拼接好的轮廓数据发送至总控系统；
步骤4：总控系统根据侧面视觉测距仪测量的构件高度数据，截取模型库中构件模型相应高度的轮廓，并与采集的增材构件上表面轮廓进行对比，标记出与模型轮廓不一致区域，并按标记算法判断出需要二次填补的区域标记为S1、S2…Sn，计算出二次填补区域焊道宽度B1、B2…Bn；
步骤5：总控系统对二次填补区域进行路径规划，二次填补区域按平行轮廓线填充方式进行路径规划；
步骤6：总控系统生成二次填补程序，根据规划好的二次填补路径设定各路径增材枪姿态和增材工艺；
为使待二次填补区域恰好完全填补，提出一种自适应填补增材工艺，即根据置二次填补区域不同位置焊道宽度Bn调整增材速度V，V满足以下条件：
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步骤7：按照步骤2-6填补层内需要二次填补的各区域，完成后进行下一层增材制造，再按照步骤2-6的方法填补层内需要二次填补的各区域，依此方式循环增材、二次填补直至完成构件增材制造。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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