CN115121809B - 一种曲母线锥形面点阵结构及其增材制造方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于增材制造领域，并具体公开了一种曲母线锥形面点阵结构及其增材制造方法和装置，其包括步骤：S1、建立曲母线锥形面点阵构件的三维包络面，所述三维包络面表示每层点阵结构的厚度；基于所述三维包络面构建若干层点阵结构模型，所述点阵结构模型包括阵列排列的多个胞元结构，所述胞元结构包括若干底点和一个顶点，底点与顶点通过杆连接；对任意第i层点阵结构模型，其中任意一个胞元结构的底点为第i‑1层点阵结构模型中若干胞元结构的顶点，i≥2；S2、基于若干层点阵结构模型，通过电弧增材工艺在曲母线锥形筒上逐层打印点阵结构，得到曲母线锥形面点阵构件。本发明可实现曲母线锥形面上点阵结构的高精度电弧增材制造。

Description

一种曲母线锥形面点阵结构及其增材制造方法和装置
技术领域
本发明属于增材制造领域，更具体地，涉及一种曲母线锥形面点阵结构及其增材制造方法和装置。
背景技术
曲母线锥形壳体形状件具有比强度高、耐高压等特点，作为飞行器的主承力结构支撑热防护系统，被广泛应用在航空航天领域，例如：火箭发动机储气箱体、火箭发动机壳体及喷管。飞行器在高速飞行过程中由于气动加热现象，其外壁会产生大量的热量。以某民用卫星运载火箭为例，以7马赫高超声速飞行时，其外蒙皮温度可达1800℃，以10马赫高超声速飞行时，其外壁温度高达2200℃，如果没有有效的绝热、隔热系统，外蒙皮高温热传导至曲母线锥形壳体内部，将直接影响内部电子仪器使用。
在曲母线锥形壳体上制备金属点阵结构可以起到隔热和防冲击作用。目前，金属点阵结构传统制造方法主要为：熔模铸造法、冲压成型法和拉伸网折叠法。熔模铸造工艺法需制备相应模具，工艺复杂，成本较高。冲压成型方法工艺简单，但冲压产生过多废料，材料利用率低。拉伸网折叠法节省材料，但工艺繁琐，加工过程中铝合金反复变形，结构强度低。
为了克服这些传统制造方法的劣势，使金属点阵结构的大规模应用成为可能，亟待研发一种制造周期短、工艺简单、材料利用率高的新方法，技术人员开始考虑利用增材制造技术来实现点阵结构的制造。如沈阳铸造研究所有限公司提出了一种基于激光增材制造高熔点Kelvin结构点阵金属的制备方法(CN 112008081A)，建立点阵模型后进行离散化切片处理获得路径点，通过激光熔化工艺获得孔径精细的高熔点Kelvin结构点阵构件。中国航发北京航空材料研究院提出了一种金属点阵结构变密度梯度材料的激光选区熔化制备工艺(CN 111451505A)，建立了变梯度点阵三维模型，利用切片软件切片后导入成形设备，采用激光选区熔化工艺参数实现了变密度的金属点阵结构制造。华中科技大学提出了一种电弧熔丝增材制造金属点阵结构的方法(CN 110560837A)，通过控制脉冲熔滴个数、打印过程中电弧枪路径，实现了任意结构的点阵结构的电弧熔丝增材制造。
然而，现有点阵结构的增材制造技术存在一定弊端。激光选区熔化技术多是在平面上进行点阵结构制造，无法实现在曲面、圆柱面上进行点阵结构的制造。另外，由于加工设备限制，所成型的点阵结构尺寸小，制造效率低，同时该技术对材料要求高，难以成形对激光反射率高的铝合金点阵结构。电弧增材制造技术能实现多种金属材料的点阵制造，并且制造效率高，但目前电弧增材制造点阵结构也只是解决了平面金属点阵结构的高效率、多材料制造，没有解决曲母线锥形面点阵的电弧增材制造技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种曲母线锥形面点阵结构及其增材制造方法和装置，其目的在于，实现曲母线锥形面上点阵结构的高精度电弧增材制造。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提出了一种曲母线锥形面点阵构件的增材制造方法，包括如下步骤：
S1、建立曲母线锥形面点阵构件的三维包络面，所述三维包络面表示每层点阵结构的厚度；
基于所述三维包络面构建若干层点阵结构模型，所述点阵结构模型包括阵列排列的多个胞元结构，所述胞元结构包括若干底点和一个顶点，底点与顶点通过杆连接；对任意第i层点阵结构模型，其中任意一个胞元结构的底点为第i-1层点阵结构模型中若干胞元结构的顶点，i≥2；
S2、基于若干层点阵结构模型，通过电弧增材工艺在曲母线锥形筒上逐层打印点阵结构，得到曲母线锥形面点阵构件。
作为进一步优选的，基于所述三维包络面构建若干层点阵结构模型，包括：
基于第i-1层的胞元结构的顶点坐标确定第i层的底点组合方式，所述底点组合方式中包括多个底点对，每个底点对对应第i层的一个胞元结构；
对任意一个底点对，
获取其中各底点对应的第i-1层的胞元结构，并基于此确定各胞元结构对应的法向量，法向量指每个胞元结构的底点形状中心到顶点的连线向量；
基于所述底点对中每一个底点对应的法向量确定第i层胞元结构对应的法向量；
获取第i层对应的三维包络面，进而确定第i层对应的三维包络面与所述第i层的胞元结构对应的法向量的交点；
基于所述交点确定第i层胞元结构的顶点坐标；
基于所述顶点坐标以及底点对确定第i层的胞元结构。
作为进一步优选的，基于所述底点对中每一个底点对应的法向量确定第i层胞元结构对应的法向量时，对每一个底点对应的法向量进行加权求和得到第i层胞元结构对应的法向量。
作为进一步优选的，所述每一个底点对应的法向量对应的权重不同。
作为进一步优选的，基于第i-1层的胞元结构的顶点坐标确定第i层的底点组合方式，包括：
获取所有第i-1层的胞元结构的顶点坐标；
以第i-1层的胞元结构的顶点坐标中的角落点为原点，基于最近邻算法开始匹配预设阈值内的若干其他顶点；
获取多种底点组合方式，并基于组合方式中的孤立点以及点数方差值对组合方式进行评价，获得满足预设条件的底点组合方式。
作为进一步优选的，基于所述交点确定第i层胞元结构的顶点坐标，包括：
基于电弧增材工艺确定单点沉积量；
基于所述单点沉积量对所述交点位置进行修正，获得所述顶点坐标。
作为进一步优选的，基于若干层点阵结构模型，通过电弧焊在曲母线锥形筒上逐层打印点阵结构，具体为：
从直接连接曲母线锥形筒的第一层点阵结构开始逐层打印；
对于任一层点阵结构，逐个打印该层周向排列的某一排胞元结构，然后进行下一排胞元结构打印，直至完成该层点阵结构打印。
作为进一步优选的，同一个胞元结构中四根杆的成型堆积参数不同。
按照本发明的第二方面，提供了一种曲母线锥形面点阵构件，其采用上述增材制造方法制造而成。
按照本发明的第三方面，提供了一种用于实现上述曲母线锥形面点阵构件增材制造方法的装置，包括电弧增材制造系统、视觉系统和控制系统，其中：
所述电弧增材制造系统包括机器人、弧焊枪和变位机，所述机器人用于带动所述弧焊枪运动，所述变位机用于调整曲母线锥形筒位置；
所述视觉系统固定在所述弧焊枪上，该视觉系统用来拍摄丝材与杆件的位置；
所述控制系统用于根据所述视觉系统拍摄的丝材与杆件的位置，计算丝材末端与杆件顶点相对位置的偏差值，进而根据该偏差值控制机器人运动，使得弧焊枪上的丝材到达预定位置。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.按照传统的增材制造的切方式，在曲母线锥形面上成形点阵结构时，由于成形基底为曲面，按高度切片时点阵结构中的杆会被切断，导致打印时杆长短不一；而本发明设计的多层点阵结构，每层点阵结构中阵列排列胞元结构，然后逐层打印，可使胞元结构中杆长度均一，实现曲母线锥形面上点阵结构的高精度电弧增材制造。
2.本发明通过法向量建立各层胞元结构之间的关系，则通过调整各底点对应的法向量的权重，使胞元可根据需求实现各方向偏转，可打印厚度不均一的点阵，从而适用于各种点阵结构打印，提高方法适应性。
3.本发明在曲母线锥形面上成形的金字塔点阵结构，由倾斜角度两两不同的四根杆形成的金字塔点阵单胞阵列组成，在减轻飞行器重量的同时，可以起到明显的隔热作用，并且能够有力支撑外壁热防护系统在飞行过程中受到的气动载荷和热冲击，具有较高的实用价值。
4.本发明采用机器人结合变位机，可将打印路径转变为机器人轴移动参数和变位机翻转、旋转参数，机器人和变位机协同作用弧焊枪到达预设路径点，实现曲母线锥形面金属点阵高效率成型。同时，点阵杆件成型精度较差主要取决于弧焊枪丝材的起弧位置不当，采用视觉系统可以获得丝材的位置，进而调控机器人轴的位置到达高精度弧焊枪路径点，实现曲母线锥形面点阵构件的高精度成型。
附图说明
图1是本发明实施例曲母线锥形面点阵构件的增材制造装置结构示意图；
图2是本发明实施例曲母线锥形面点阵构件的增材制造方法流程图；
图3是本发明实施例曲母线锥形面点阵第一层点阵的结构示意图；
图4是本发明实施例曲母线锥形面点阵第二层点阵的结构示意图；
图5是本发明实施例单个胞元结构的结构示意图；
图6是本发明实施例单个胞元结构的成型路径点示意图；
图7中(a)～(d)是本发明实施例单个胞元结构的路径点精准调整示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-机器人控制器，2-机器人，3-视觉系统，4-工控机，5-弧焊电源，6-弧焊枪，7-夹持件，8-丝材，9-杆件，10-曲母线锥形筒，11-变位机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的一种曲母线锥形面点阵构件的增材制造方法，包括如下步骤：
S1、基于曲母线锥形面构建若干层点阵结构模型；
具体的，建立曲母线锥形面点阵构件的三维包络面，所述三维包络面表示每层点阵结构的厚度；基于所述三维包络面构建若干层点阵结构模型，其中，对任意一层点阵结构模型(第i层)由若干排和列的胞元结构
Figure BDA0003720921860000061
组成，所述胞元结构由若干底点和一个顶点组成，且第i层模型中的任意一个胞元结构的底点为上一层模型(第i-1层)的若干胞元结构的顶点，i≥2。
进一步的，基于所述三维包络面构建若干层点阵结构模型，包括：
(1)基于第i-1层的胞元结构的顶点坐标确定第i层的底点组合方式，所述底点组合方式中包括多个底点对，每个底点对对应第i层的一个胞元结构；
在一些实施例中，基于第i-1层的胞元结构的顶点坐标确定第i层的底点组合方式，进一步包括：
(11)获取所有第i-1层的胞元结构的顶点坐标；
(12)以第i-1层的胞元结构的顶点坐标中的角落点为原点，基于最近邻算法开始匹配第一阈值内的若干其他顶点；
(13)获取多种底点组合方式，并基于组合方式中的孤立点以及配对方式中的孤立点数方差值对组合方式进行评价，直至获得满足预设条件的底点组合方式。具体的，收敛条件为孤立点最少、胞元形状尽量统一。
(2)根据底点对确定第i层的胞元结构。对任意一个底点对：
(21)获取所述底点对应的第i-1层对应的胞元结构，并基于此确定各胞元结构对应的法向量，其中，所述法向量为每个胞元结构的底点形状中心到顶点的连线向量；
(22)基于所述底点对中每一个底点对应的法向量确定第i层胞元结构对应的法向量；
在一些实施例中，基于所述底点对中每一个底点对应的法向量确定第i层胞元结构对应的法向量，进一步包括：基于所述每一个底点对应的法向量进行加权求和得到第i层胞元结构对应的法向量；
在一些实施例中，所述每一个底点对应的法向量对应的权重不同。
i层中的任意一个胞元的法向量由其基点对应的i-1层中的胞元结构的法向量进行确定。示例性地，如i层中H胞元由i-1层中的A、B、C三个胞元确定，则Zh＝a*Za+b*Zb+c*Zc，a、b、c为超参数。在一些实施例中，a、b、c可以随动，以使得第i层的胞元的法向量可以随形状变化。例如，使b的权重增大，则胞元H的方向会朝向Zb的方向进行偏转。
(23)获取第i层对应的三维包络面，基于所述第i层对应的三维包络面确定其与所述第i层的胞元结构的法向量的交点；
(24)基于所述交点确定第i层胞元结构的顶点坐标；
在一些实施例中，所述基于所述交点确定第i层胞元结构的顶点坐标，包括：以所述交点作为第i层胞元结构的顶点。
在一些实施例中，所述基于所述交点确定第i层胞元结构的顶点坐标，包括：基于电弧增材工艺确定单点沉积量；基于所述单点沉积量对所述交点位置进行修正，获得所述顶点坐标。
(25)基于所述顶点坐标以及底点对确定第i层的胞元结构。
在一些实施例中，所述第i层的胞元结构与所述第i-1层的胞元结构不同。
S2、制定每一层点阵结构的打印策略，基于运动控制机构以及电弧焊机实现所述每一层点阵结构的电弧增材制造。
在一些实施例中，对曲母线锥形面点阵构件的电弧增材制造通过增材制造装置实现，如图1所示，所述增材制造装置包括电弧增材制造系统、视觉系统3和控制系统，其中：
所述电弧增材制造系统包括机器人2、弧焊枪6和变位机11，所述机器人2用于带动所述弧焊枪6运动；所述弧焊枪6与弧焊电源5连接，弧焊枪6用于在曲母线锥形筒10上打印点阵结构；所述变位机11用于调整曲母线锥形筒10位置；
所述视觉系统3通过夹持件7固定在所述弧焊枪6上，该视觉系统3(可为相机)用来拍摄弧焊枪6上丝材8和曲母线锥形筒上杆件9的位置；
所述控制系统包括工控机4和机器人控制器1，所述工控机4用于接收视觉系统3拍摄的丝材与杆件的位置，进而计算丝材末端中心点与杆件顶点相对位置的偏差值，当相对位置偏差值大于预设值时，工控机4发送指令给机器人控制器1，进而机器人控制器1控制机器人轴协同运动使丝材移动一定值到达目标位置。
在一些实施例中，如图2所示，步骤S2具体包括：
S21、打印策略制定；所述的曲母线锥形面点阵打印策略分为：第i-1层点阵的打印，第i层点阵的打印。
S22、第i-1层某一排圆周点阵的打印；首先，将变位机翻转到某一角度，进行第一层某一排第一列点阵单胞的打印，完成后，调整变位机旋转角度进行该排第二列点阵单胞的打印，按照重复“打印单胞-旋转变位机-打印单胞-旋转变位机”的方法，完成该排圆周点阵的打印。
S23、第i-1层点阵的打印；完成上述排圆周点阵的打印后，翻转变位机到一定角度，按照上述S22步骤完成下一排圆周点阵的打印，按照重复：“打印圆周点阵-翻转变位机-打印圆周点阵-翻转变位机”的方法，完成第i-1层点阵的打印。
S23、第i层某一排圆周点阵的打印；首先，将变位机翻转到某一角度，进行第i层某一排第一列点阵单胞的打印，完成后，调整变位机旋转角度进行第i层该排第二列的打印，按照重复“打印单胞-旋转变位机-打印单胞-旋转变位机”的方法，完成第i层该排所有列点阵单胞的打印。
S24、第i层点阵的打印；完成上述排圆周点阵的打印后，翻转变位机到一定角度，按照上述S24步骤完成第i层下一排圆周点阵的打印，按照重复“打印圆周点阵-翻转变位机-打印圆周点阵-翻转变位机”的方法，完成第i层点阵的打印。
在一些实施例中，每个胞元结构中包含四根杆件，采用铝合金作为点阵结构材料，铝合金具有质量轻、比强度高和易加工成形等优点，使得曲母线锥形面铝合金点阵结构件能同时发挥金字塔点阵结构属性和铝合金材质属性的优势。
在一些实施例中，曲母线锥形点阵单胞的堆积工艺参数，同一个点阵单胞下的四根杆件的成型堆积参数是不同的。
为使本发明更清楚，以一具体的曲母线锥形面点阵构件为例对增材制造过程进行说明。包括如下步骤：
a)曲母线锥形面点阵结构三维建模和分区打印策略制定。
在此步骤中，针对作为制造对象的曲母线锥形面点阵结构件，对其进行三维建模，然后对所获得的三维模型进行区域划分：将曲母线锥形面点阵结构分为2层点阵，第一层点阵由几排圆周点阵组成，所述的圆周点阵由几列，四根杆件长度和倾斜角度不同的单胞组成。所述的第二层点阵由几排圆周点阵组成，所述的圆周点阵由几排，四根杆件长度和倾斜角度不同的杆件形成的单胞组成。
上述曲母线锥形面点阵结构三维模型的制定如图3和图4所示。其中，曲母线锥形面点阵结构件总体尺寸高度为300mm，第一层点阵如图3，包含11排圆周点阵；第二层点阵包含12排圆周点阵，第二层点阵如图4。所述的第一层点阵由11排圆周点阵构成，第1-5排圆周点阵分别由28列点阵单胞组成，第6-8排圆周点阵分别由8列点阵单胞组成，第9-10排圆周点阵分别由33列点阵单胞组成，第11排圆周点阵由36列点阵单胞组成。所述的第二层点阵包含12排圆周点阵，第12-17排周点阵分别由28列点阵单胞组成，第18-19排圆周点阵分别由8列点阵单胞组成，第20-22排圆周点阵分别由33列点阵单胞组成，第23排圆周点阵由36列点阵单胞组成。图5为上述第一层1排圆周点阵单胞的示意图，其中L1＝L3＝15mm>L2＝L4＝13.5mm,θ1＝θ3＝45°<θ2＝θ4＝47.5°，点阵杆件直径为3mm。
b)单胞曲面切片和堆积成形。
在此步骤中，建立一个曲母线锥形面点阵单胞的模型，利用切片软件切片获得曲母线锥形面点阵单胞打印路径点，并通过自主开发的JAVA语言代码转化为机器人指令src文件，导入机器人控制平台中。如图6所示，机器人控制系统控制变位机带动曲母线锥形筒到达目标位置，机器人控制系统控制机器人轴运动带动弧焊枪到达一个单胞第一层1号打印路径点，完成单胞第一层1号打印路径点的打印后，机器人控制系统控制机器人轴运动带动弧焊枪到达一个单胞第一层2号打印路径点，完成单胞第一层2号打印路径点的打印后，机器人控制系统控制机器人轴运动带动弧焊枪到达一个单胞第一层3号打印路径点，完成单胞第一层3号打印路径点的打印后，机器人控制系统控制机器人轴运动带动弧焊枪到达一个单胞第一层4号打印路径点，完成单胞第一层4号打印路径点的打印后，直至完成第一层的打印。机器人控制系统控制机器人轴运动带动弧焊枪到达下一层1号打印路径点，按照上述逐层打印方法，直至完成第二层的打印。以此类推，直至完成一个单胞所有堆积层的电弧增材制造。
作为本发明的一个优势所在，在整个点阵构件单胞电弧增材制造过程中，每当弧焊枪到达一个切片起弧路径点时，视觉系统实时测量当前弧焊枪丝材末端中心点与杆件顶端中心点的相对位置，计算出横向偏移量Xp。接着，依据上述偏移量对弧焊枪位置执行实时修正，进行电弧打印。以此方式，能够确保弧焊枪处于精准起弧位置，保证成型点阵杆件的角度、圆度和直径精度，最终能够得到高精度曲母线锥形面点阵构件。
更具体而言，在整个电弧增材制造过程中，在一个单胞第一层打印结束后，从第二层开始打印时，开始实时修正。以电弧增材制造图5所示的单胞一个具体实施方式为例，做如下示范性解释说明：
一个单胞第二层1号点的打印：
在弧焊枪到达点阵单胞杆件起弧位置时，使用照相机对杆件与丝材的位置进行拍照。工控机收到照片后，依次进行全局阈值分割、轮廓提取、特定区域提取，计算得到焊丝末端中心点与杆件顶部中心点的位置偏差值Xp1，如图7中(a)所示。
阈值判定：将上述位置偏差值Xp1与阈值进行判断，优选偏差阈值为0.05mm。当Xp1>0.05时，表明该处丝材位置发生偏差，工控机向机器人控制系统发动偏移Xp1指令，机器人轴协同运动Xp1值到达精准起弧点；当Xp1<0.05时，表明此时焊丝位置正确，工控机不向机器人控制系统发动偏移Xp1指令。
电弧增材制造：在上述弧焊枪带动焊丝到精准起弧点后，工控机向焊机发送弧焊指令。
上述电弧增材制造堆积电流70A，堆积电压8.5V。
一个单胞第二层2号点的打印：
在弧焊枪到达点阵单胞杆件起弧位置时，使用照相机对杆件与丝材的位置进行拍照。工控机收到照片后，依次进行全局阈值分割、轮廓提取、特定区域提取，计算得到焊丝末端中心点与杆件顶部中心点的位置偏差值Xp2，如图7中(b)所示。
阈值判定：将上述位置偏差值Xp2与阈值进行判断，优选偏差阈值为0.05mm。当Xp2>0.05时，表明该处丝材位置发生偏差，工控机向机器人控制系统发动偏移Xp2指令，机器人轴协同运动Xp2值到达精准起弧点；当Xp2<0.05时，表明此时焊丝位置正确，工控机不向机器人控制系统发动偏移Xp2指令。
电弧增材制造：在上述弧焊枪带动焊丝到精准起弧点后，工控机向焊机发送弧焊指令。
上述电弧增材制造堆积电流80A，堆积电压8.8V。
一个单胞第二层3号点的打印：
在弧焊枪到达点阵单胞杆件起弧位置时，使用照相机对杆件与丝材的位置进行拍照。工控机收到照片后，依次进行全局阈值分割、轮廓提取、特定区域提取，计算得到焊丝末端中心点与杆件顶部中心点的位置偏差值Xp3，如图7中(c)所示。
阈值判定：将上述位置偏差值Xp3与阈值进行判断，优选偏差阈值为0.05mm。当Xp3>0.05时，表明该处丝材位置发生偏差，工控机向机器人控制系统发动偏移Xp3指令，机器人轴协同运动Xp3值到达精准起弧点；当Xp3<0.05时，表明此时焊丝位置正确，工控机不向机器人控制系统发动偏移Xp3指令。
电弧增材制造：在上述弧焊枪带动焊丝到精准起弧点后，工控机向焊机发送弧焊指令。
上述电弧增材制造堆积电流70A，堆积电压8.5V。
一个单胞第二层4号点的打印：
在弧焊枪到达点阵单胞杆件起弧位置时，使用照相机对杆件与丝材的位置进行拍照。工控机收到照片后，依次进行全局阈值分割、轮廓提取、特定区域提取，计算得到焊丝末端中心点与杆件顶部中心点的位置偏差值Xp4，如图7中(d)所示。
阈值判定：将上述位置偏差值Xp4与阈值进行判断，优选偏差阈值为0.05。当Xp4>0.05时，表明该处丝材位置发生偏差，工控机向机器人控制系统发动偏移Xp4指令，机器人轴协同运动Xp4值到达精准起弧点；当Xp4<0.05时，表明此时焊丝位置正确，工控机不向机器人控制系统发动偏移Xp4指令。
电弧增材制造：在上述弧焊枪带动焊丝到精准起弧点后，工控机向焊机发送弧焊指令。
上述电弧增材制造堆积电流80A，堆积电压8.8V。
c)同一排圆周点阵的打印。
完成一个圆周点阵第一个点阵单胞的打印后，旋转变位机角度θ5，到达第2个点阵单胞打印位置，重复步骤b)，完成第2个点阵单胞打印；再次旋转角度θ5，到达第3个点阵单胞打印位置，重复步骤b)，完成第3个点阵单胞的打印；依次类堆，直至完成该排圆周点阵的打印。
以一个实际的圆周点阵打印为例进行对该步骤进行详细说明，按照上述方法打印第一层点阵中的第1排圆周点阵，第1排圆周点阵由28列点阵单胞组成，变位机翻转角度为65.18°。按照步骤b)完成第1列点阵单胞的打印后，旋转变位机角度为12.86°，完成第2列点阵单胞打印；再次旋转角度12.86°，到达第3列点阵单胞打印位置，重复步骤b)，完成第3列点阵单胞的打印；依次类堆，直至完成该排28个圆周点阵的打印。
d)第一层11排圆周点阵的打印。
完成第一层第1排圆周点阵打印后，变位机翻转角度θ6到第一层第2排圆周点阵位置，重复步骤b)、步骤c)，直至完成第2排圆周点阵打印。完成第2排圆周点阵打印后，变位机翻转角度θ7到第一层第3排圆周点阵位置，重复步骤b)、步骤c)，完成第3排圆周点阵打印。依次类堆，直至完成第一层点阵11排圆周点阵的打印。
以一个实际的第一层点阵打印为例，对该步骤进行详细说明，按照上述方法打印第一层点阵。变位机翻转角度为65.18°，按照步骤b)、步骤c)完成第1排圆周点阵的打印后；翻转变位机角度为66.99°，按照步骤b)、步骤c)完成第2排圆周点阵的打印；翻转变位机角度为67.77°，按照步骤b)、步骤c)完成第3排圆周点阵的打印；翻转变位机角度为70.22°，依次类堆，直至完成第一层11排圆周点阵的打印。上述第一层11排圆周点阵按照所占排号1-11号分别所对应的翻转角度分别为：65.18°，66.99°，67.77°，70.22°，71.86°，73.58°，75.31°，77.04°，78.77°，79.95°，90°。
e)曲母线锥形面第二层点阵的打印。
完成曲母线锥形面第一层点阵的打印后，按照上述步骤b)、c)、d)直至完成曲母线锥形面第二层点阵的打印。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种曲母线锥形面点阵构件的增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、建立曲母线锥形面点阵构件的三维包络面，所述三维包络面表示每层点阵结构的厚度；
基于所述三维包络面构建若干层点阵结构模型，所述点阵结构模型包括阵列排列的多个胞元结构，所述胞元结构包括若干底点和一个顶点，底点与顶点通过杆连接；对任意第i层点阵结构模型，其中任意一个胞元结构的底点为第i-1层点阵结构模型中若干胞元结构的顶点，i≥2；
S2、基于若干层点阵结构模型，通过电弧增材工艺在曲母线锥形筒上逐层打印点阵结构，得到曲母线锥形面点阵构件。
2.如权利要求1所述的曲母线锥形面点阵构件的增材制造方法，其特征在于，基于所述三维包络面构建若干层点阵结构模型，包括：
基于第i-1层的胞元结构的顶点坐标确定第i层的底点组合方式，所述底点组合方式中包括多个底点对，每个底点对对应第i层的一个胞元结构；
对任意一个底点对，
获取其中各底点对应的第i-1层的胞元结构，并基于此确定各胞元结构对应的法向量，法向量指每个胞元结构的底点形状中心到顶点的连线向量；
基于所述底点对中每一个底点对应的法向量确定第i层胞元结构对应的法向量；
获取第i层对应的三维包络面，进而确定第i层对应的三维包络面与所述第i层的胞元结构对应的法向量的交点；
基于所述交点确定第i层胞元结构的顶点坐标；
基于所述顶点坐标以及底点对确定第i层的胞元结构。
3.如权利要求2所述的曲母线锥形面点阵构件的增材制造方法，其特征在于，基于所述底点对中每一个底点对应的法向量确定第i层胞元结构对应的法向量时，对每一个底点对应的法向量进行加权求和得到第i层胞元结构对应的法向量。
4.如权利要求3所述的曲母线锥形面点阵构件的增材制造方法，其特征在于，所述每一个底点对应的法向量对应的权重不同。
5.如权利要求2所述的曲母线锥形面点阵构件的增材制造方法，其特征在于，基于第i-1层的胞元结构的顶点坐标确定第i层的底点组合方式，包括：
获取所有第i-1层的胞元结构的顶点坐标；
以第i-1层的胞元结构的顶点坐标中的角落点为原点，基于最近邻算法开始匹配预设阈值内的若干其他顶点；
获取多种底点组合方式，并基于组合方式中的孤立点以及点数方差值对组合方式进行评价，获得满足预设条件的底点组合方式。
6.如权利要求2所述的曲母线锥形面点阵构件的增材制造方法，其特征在于，基于所述交点确定第i层胞元结构的顶点坐标，包括：
基于电弧增材工艺确定单点沉积量；
基于所述单点沉积量对所述交点位置进行修正，获得所述顶点坐标。
7.如权利要求1-6任一项所述的曲母线锥形面点阵构件的增材制造方法，其特征在于，基于若干层点阵结构模型，通过电弧焊在曲母线锥形筒上逐层打印点阵结构，具体为：
从直接连接曲母线锥形筒的第一层点阵结构开始逐层打印；
对于任一层点阵结构，逐个打印该层周向排列的某一排胞元结构，然后进行下一排胞元结构打印，直至完成该层点阵结构打印。
8.如权利要求7所述的曲母线锥形面点阵构件的增材制造方法，其特征在于，同一个胞元结构中四根杆的成型堆积参数不同。
9.一种曲母线锥形面点阵构件，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的增材制造方法制造而成。
10.一种用于实现如权利要求1-8任一项所述的增材制造方法的装置，其特征在于，包括电弧增材制造系统、视觉系统和控制系统，其中：
所述电弧增材制造系统包括机器人(2)、弧焊枪(6)和变位机(11)，所述机器人(2)用于带动所述弧焊枪(6)运动，所述变位机(11)用于调整曲母线锥形筒(10)位置；
所述视觉系统(3)固定在所述弧焊枪(6)上，该视觉系统(3)用来拍摄丝材与杆件的位置；
所述控制系统用于根据所述视觉系统(3)拍摄的丝材与杆件的位置，计算丝材末端与杆件顶点相对位置的偏差值，进而根据该偏差值控制机器人(2)运动，使得弧焊枪(6)上的丝材到达预定位置。
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