CN115238328A - 一种铝合金含纵内筋板薄壁壳体的电弧增材制造方法 - Google Patents

一种铝合金含纵内筋板薄壁壳体的电弧增材制造方法 Download PDF

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CN115238328A CN202210755323.6A CN202210755323A CN115238328A CN 115238328 A CN115238328 A CN 115238328A CN 202210755323 A CN202210755323 A CN 202210755323A CN 115238328 A CN115238328 A CN 115238328A
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Abstract

本发明属于增材制造相关技术领域，并公开了一种铝合金含纵内筋板薄壁壳体的电弧增材制造方法，该方法包括：建立构件三维模型并设立基准坐标系；将所有纵内筋板随同壳体一同进行切片；对每个切片轮廓路径进行初始化处理；提取壳体及各个纵内筋板的主形状路径；对壳体及各个纵内筋板的主形状路径进行重排；依照各个纵内筋板的主形状路径进行堆积路径规划；首尾有序联接壳体与所有规划后的纵内筋板路径，形成最终的闭环堆积路径；以及按照该闭环堆积路径执行电弧增材制造。通过本发明，能够大幅减少电弧增材制造过程中的断弧次数，同时有效避免了先成形壳体，再在壳内堆积筋板时出现的电弧枪干涉、壳体易熔穿等问题，显著提高构件成形质量与效率。

Description

一种铝合金含纵内筋板薄壁壳体的电弧增材制造方法
技术领域
本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种铝合金含纵内筋板薄壁壳体的电弧增材制造方法。
背景技术
航空航天、汽车、石油化工等领域广泛存在铝合金薄壁壳体构件，该类构件受系统装配与结构稳定性需求，普遍须在内壁上设置多个与端面垂直、沿壳体母线分布的不规则纵内筋板。目前制造含纵内筋板的薄壁壳体构件主要采用铸造与焊接装配的方法，铸造时存在晶粒粗大、易产生缩松与裂纹缺陷、组织成分不均匀、力学性能不高等问题；在壳体内壁焊接装配纵内筋板时焊枪易干涉，可焊到性差，同时焊接应力不均易引起筋板与薄壁壳体变形，降低构件结构尺寸精度。
现有技术中已经提出采用电弧增材工艺制造含纵内筋板铝合金薄壁壳体的一些工艺方案。具体而言，电弧增材制造通过电弧热源熔化金属丝材，按规划路径层层堆积成形三维金属构件，小熔池熔炼与冶金，减小晶粒尺寸，提高构件成分均匀性，避免缺陷产生，保证构件力学性能；基于三维数模逐点、逐域、层层堆积成形，确保构件结构尺寸精度，避免了铸造、焊接等方法的不足，因此是制造含纵内筋板铝合金薄壁壳体的一种有效方法。
然而，电弧增材制造金属构件的成形质量很大程度上取决于制定的堆积工艺方法与策略，现有技术中的解决方案并不能很好地适用于铝合金含纵内筋板薄壁壳体之类的应用对象。更具体进行分析，首先，含纵内筋板的薄壁壳体由多个不规则内筋板与壳体组成，为典型的多单元复杂结构，对该类构件现有技术中通常采用了分区增材的工艺方法，即先对构件分区，再对各区域逐个堆积成形。例如，检索获得的早期专利CN108971699A、CN110802302A分别公开了典型多单元复杂构件大型舰船艉轴架、高层建筑多向钢节点的分区增材制造方法，将大型舰船艉轴架分为艉轴毂、横臂和支撑臂3个区域依次增材，针对不同区域切片的几何形状分别规划堆积路径；将多向钢节点分为主管与多个支管并分别编号，之后先成形主管，再按编号顺序依次成形各支管，每个管体的分层切片均建立在已成形管体的基础上。然而，对于含纵内筋板的薄壁壳体，壳体为结构主体，分区增材后需首先成形，若先堆积成形壳体，再将电弧枪伸入壳内堆积纵内筋板，则电弧枪易与壳体干涉碰撞，引发事故；同时，由于壳体为薄壁结构，在其上堆积纵内筋板时易受热严重引起熔穿，降低制造质量与构件合格率。
其次，若将纵内筋板与壳体视为一整体，对构件整体切片并堆积成形的工艺方法，可避免分区增材的不足，但该工艺方法须对每个堆积层切片内的堆积路径采用合适的规划策略。例如，检索获得的早期专利CN110834133A提出了一种层内无搭接的电弧增材制造路径规划方法，对大壁厚块体构件的切片提取线型特征组合，形成线型路径，沿路径采用摆动填充，消除道间搭接，提高成形效率与质量，然而，该路径规划方法的设计基于大壁厚块体的截面形状，无法适用于薄壁壳体构件，同时该方法是对实心切片进行全局摆动填充，对壳体的环形薄壁切片进行填充时需将路径分为不相连的多段，大幅增加起熄弧次数，降低成形质量。
又如，检索获得的早期专利CN113695709A公开了一种设计尾坯的航天承力结构电弧熔丝增材路径规划方法，对于构件模型上应力分布较为集中的转角或温度梯度较小的圆弧特征处，在其外侧设计与构件主体相连的尾坯筋板，通过堆积路径的环状分布，将起熄弧点处的部分路径交叉置于筋板上，保证构件主体无起熄弧段。然而该路径规划方法无法应用于含纵内筋板的薄壁壳体构件，若将起熄弧段全部置于纵内筋板上，则筋板处堆积缺陷增多，应力分布不均匀，严重降低成形件尺寸精度与力学性能。
此外，检索获得的早期专利CN111890061A提出了一种含外部筋板单元的过渡端框架壳体构件电弧增材制造方法，筋板随壳体共同切片，每个切片内具有不相连的多条堆积路径，先堆积成形壳体内外轮廓，再在内外轮廓间堆积壳体中轴线路径，之后沿壳体周向堆积筋板外轮廓，最后在筋板轮廓外轮廓内偏置填充。然而，由于堆积路径各自独立，堆积时须反复起熄弧，壳体至少起熄弧2次，每个筋板至少起熄弧4次，断弧次数较多，引起应力集中导致构件变形，同时断处堆积缺陷增多，降低构件成形质量。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或需求，本发明的目的在于提供一种铝合金含纵内筋板薄壁壳体的电弧增材制造方法，其中通过采用纵内筋板随壳体沿构件轴线方向切片、整体一次堆积成形的策略，同时通过提取切片内壳体与各纵内筋板主形状轮廓路径，再规划轮廓内填充路径，最后分次重排各路径位置点集，使每个切片内的多条独立路径首尾有序联结，实现堆积层环向一次堆积成形，相应不仅能够大幅减少电弧增材制造过程中的断弧次数，而且有效避免了先成形壳体，再在壳内堆积筋板时出现的电弧枪干涉、壳体易熔穿等问题，显著提高了构件成形质量与效率。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种铝合金含纵内筋板薄壁壳体的电弧增材制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)建模及设立基准坐标系步骤
在此步骤中，针对待加工制造的铝合金含纵内筋板薄壁壳体，建立对应的构件三维模型，同时设定包含XYZ三轴的基准坐标系；
(b)纵内筋板随壳体的整体切片步骤
在此步骤中，将所有纵内筋板连同壳体一同沿着Z轴方向也即平行于壳体轴线的方向进行切片，并获得由外轮廓与内轮廓共同组成的切片轮廓；
(c)切片轮廓路径的初始化步骤
在此步骤中，针对所述外、内轮廓各自所对应的外、内轮廓路径，对其所包含的位置点集合分别进行X轴坐标最小值的遍历排序，同时依照顺时针方向排列，由此获得初始化后的外、内轮廓路径；
(d)主形状路径的提取步骤
在此步骤中，对于壳体，将初始化后的外轮廓路径向内偏置一定距离，提取出新外轮廓即为壳体的主形状路径；
对于各个纵内筋板，将初始化后的内轮廓路径向外偏置对应的距离，同时将该内轮廓延长至壳体的新外轮廓相交，交点之间的非封闭区域即为各个纵内筋板的主形状路径；
(e)主形状路径的重排步骤
在此步骤中，壳体的主形状路径被所述交点分割成多个部分，将这多个部分依照顺时针方向排列，同时将各个纵内筋板的主形状路径分别依照顺时针方向进行封闭，由此完成主形状路径的重排处理；
(f)纵内筋板的填充路径规划步骤
在此步骤中，沿着顺时针方向依次取出每个纵内筋板的主形状路径，并依照这些主形状路径进行堆积路径规划，由此获得各个纵内筋板的堆积路径；
(g)形成闭环堆积路径及电弧增材制造步骤
在此步骤中，将经过步骤(e)处理后的壳体的主形状路径，与所有纵内筋板规划后的堆积路径沿着顺时针方向首尾联接，并获得最终的闭环堆积路径；
基于该最终的闭环堆积路径，采用电弧增材制造工艺对每个堆积层环向一次成型，直至获得所需的铝合金含纵内筋板薄壁壳体。
作为进一步优选地，在步骤(b)中，初始切片高度优选设置为0.2mm～0.5mm；从第二层切片开始，切片高度优选设置为70％～90％单道堆积金属高度。
作为进一步优选地，在步骤(d)中，对于壳体，优选将其初始化后的外轮廓路径向内偏置1/2壳体厚度的距离；对于各个纵内筋板，优选将其初始化后的内轮廓路径向外偏置1/2壳体厚度的距离，同时将该内轮廓延长至壳体的新外轮廓相交。
作为进一步优选地，在步骤(f)中，对于每个纵内筋板的主形状路径，优选同时进行单道、偏置与扫描协同的堆积路径规划。
作为进一步优选地，在步骤(f)中，单道堆积金属宽度优选采用下列公式进行设计：壳体厚度+2*单边加工余量。
作为进一步优选地，在步骤(f)中，单边加工余量优选为1.5mm～3mm，搭接量优选为25％～42％单道堆积金属宽度。
作为进一步优选地，在步骤(g)中，所述电弧增材制造工艺所采用的丝材和基板均为铝合金，保护气类型为高纯Ar，其流量优选为20L/min～25L/min。
作为进一步优选地，在步骤(g)中，优选采用以下的多套工艺窗口进行制造：
工艺一：堆积电流150A～183A、堆积电压22V～24V、堆积速度0.7mm/min～1.0mm/min；
工艺二：堆积电流100A～136A、堆积电压20V～22V、堆积速度0.5mm/min～0.8mm/min；
工艺三：堆积电流180A～210A、堆积电压25V～26V、堆积速度0.6mm/min～0.9mm/min。
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，主要具备以下技术优点：
(1)本发明中通过将纵内筋板与壳体共同进行切片与路径规划，整体堆积成形，避免了先成形壳体，再将电弧枪伸入壳体内堆积纵内筋板时容易出现的电弧枪易干涉、热输入过大导致壳体熔穿等问题，显著提高构件制造效率与质量；
(2)本发明中通过先提取壳体与纵内筋板的主形状路径，再随主形状路径单道填充与扫描填充，协同各路径点集首尾联结并有序重排，实现每个堆积层环向一次堆积成形，大幅减少断弧次数，减小应力集中与变形，避免缺陷产生，进一步提高了构件成形精度与力学性能；
(3)本发明中通过采用电弧增材制造的方法制造含纵内筋板的薄壁壳体构件，有效避免了铸造成形时易出现的气孔、裂纹缺陷，晶粒粗大与成分偏析严重等问题，以及焊接装配纵内筋板时出现的可焊到性差、易焊接变形等难题。
附图说明
图1是显示按照本发明的铝合金含纵内筋板薄壁壳体的电弧增材制造方法的主体工艺流程图；
图2是按照本发明实施例一、用于示范性显示形成构件三维模型的示意图；
图3是按照本发明实施例一、用于示范性显示形成基准坐标系的示意图；
图4是按照本发明实施例一、用于示范性显示所获得的切片几何形状的示意图；
图5是按照本发明实施例一、用于示范性显示对切片轮廓路径进行初始化后的示意图；
图6是按照本发明实施例一、用于示范性显示所获得的主形状路径的示意图；
图7是按照本发明实施例一、用于示范性显示对壳体主形状路径L3的分割示意图；
图8是按照本发明实施例一、用于示范性显示对路径位置点集合进行重排的示意图；
图9是按照本发明实施例一、用于示范性显示对各纵内筋板路径进行偏置操作的示意图；
图10是按照本发明实施例一、用于示范性显示对各纵内筋板进行堆积路径规划的示意图；
图11是按照本发明实施例一、用于示范性显示最终所获得的构件堆积路径的示意图；
图12是按照本发明实施例二、用于示范性显示形成构件三维模型的示意图；
图13是按照本发明实施例二、用于示范性显示形成基准坐标系的示意图；
图14是按照本发明实施例二、用于示范性显示所获得的切片几何形状的示意图；
图15是按照本发明实施例二、用于示范性显示对切片轮廓路径进行初始化后的示意图；
图16是按照本发明实施例二、用于示范性显示所获得的主形状路径的示意图；
图17是按照本发明实施例二、用于示范性显示对壳体主形状路径L3的分割示意图；
图18是按照本发明实施例二、用于示范性显示对路径位置点集合进行重排的示意图；
图19是按照本发明实施例二、用于示范性显示对各纵内筋板路径进行偏置操作的示意图；
图20是按照本发明实施例二、用于示范性显示对各纵内筋板进行堆积路径规划的示意图；
图21是按照本发明实施例二、用于示范性显示最终所获得的构件堆积路径的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
图1是显示按照本发明的铝合金含纵内筋板薄壁壳体的电弧增材制造方法的主体工艺流程图。如同前面“背景技术”部分所分析地，本发明旨在解决现有技术中存在的如下问题：①电弧枪伸入已成形的壳体内堆积纵内筋板时易发生干涉，引起安全事故；②在壳体内表面上堆积成形纵内筋板，易由于热输入过大导致壳体薄壁熔穿，严重降低制造质量；③壳体内外轮廓的堆积路径、纵内筋外轮廓路径、填充路径分别进行路径规划，彼此间不相连，导致电弧增材制造过程中起、熄弧次数增多，增大局部应力，引起构件变形，同时增多缺陷，降低构件力学性能。
下面将结合图1，更为具体地解释说明本发明。
步骤一，是建模及设立基准坐标系步骤。
在此步骤中，针对待加工制造的铝合金含纵内筋板薄壁壳体，建立对应的构件三维模型，同时设定包含XYZ三轴的基准坐标系。
更具体地，首先可按照件图纸的规定尺寸建立构件三维模型，譬如将所述三维模型高度方向上一端的端面作为基准面，另一端的端面为顶面；基准面处端面的几何中心为所述基准坐标系的原点O，基准面与顶面的垂直距离方向为所述基准坐标系的Z轴方向。
X轴方向譬如可按以下方法设置：取基准面处端面的俯视图，所述原点O在俯视图上，为二维坐标系原点，所述Z轴垂直于俯视图向外；过所述原点O且方向向右的水平线记为初始X轴X0；将所述俯视图上的几何形状绕所述原点O旋转，X0保持不动；由于X0保持不动，则所述几何形状上各点的x坐标随旋转进行而改变，直至几何形状上存在至多1个X0最小值点，同时X0负方向不与纵内筋板的轮廓接触，此时的X0即为X轴方向；
Y轴方向以所述原点O、Z轴、X轴方向为参照，按右手定则建立；基准坐标系设定完成后，将三维模型输出。
步骤二，是纵内筋板随壳体的整体切片步骤。
在此步骤中，将所有纵内筋板连同壳体一同沿着Z轴方向进行切片，并获得由外轮廓与内轮廓共同组成的切片轮廓。
更具体地，譬如可以将上面步骤所设定的XOY平面定义为切平面，利用切平面沿所述Z轴方向进行平面切割，得到所述三维模型在切平面上的横截面即为切片；其中，切片几何形状由构件外轮廓与内轮廓组成，其中内轮廓分为两部分：与外轮廓法向距离等于壳体厚度的为壳体部分，与外轮廓法向距离大于壳体厚度的为纵内筋板部分。
在此过程中，初始切片高度优选设置为0.2～0.5mm，从第2层切片开始，切片高度优选设置为70～90％单道堆积金属高度。
步骤三，是切片轮廓路径的初始化步骤。
在此步骤中，针对所述外、内轮廓各自所对应的外、内轮廓路径，对其所包含的位置点集合分别进行X轴坐标最小值的遍历排序，同时依照顺时针方向排列，由此获得初始化后的外、内轮廓路径。
更具体地，切片后得到的路径为内、外轮廓路径，轮廓路径由按一定顺序排列的位置点集合组成，通过将点集的起始点约束为某一特征点，实现路径起始位置初始化；通过约束点集排序方式，实现路径方向初始化。
例如，其具体方法如下：首先对组成轮廓的点集进行x轴坐标遍历，记录下X坐标值最小的点为X1；再将X1作为第1个点，按原始点集顺序依次存储，形成新点集L1；最后基于鞋带准则判断L1中的点围成几何形状的方向是否为顺时针，若为顺时针，则初始化完成，将点集L1记为L2；若不为顺时针，则反向遍历L1中的点，并依次存储于新点集L2中，得到顺时针方向的新点集L2，完成初始化。完成路径初始化后，记新外轮廓路径为L2O，新内轮廓路径为L2I。
步骤四，是主形状路径的提取步骤。
在此步骤中，对于壳体，将初始化后的外轮廓路径向内偏置一定距离，提取出新外轮廓即为壳体的主形状路径。而对于各个纵内筋板，将初始化后的内轮廓路径向外偏置对应的距离，同时将该内轮廓延长至壳体的新外轮廓相交，交点之间的非封闭区域即为各个纵内筋板的主形状路径。
更具体地，譬如可以先提取壳体的主形状路径，再提取纵内筋板的主形状路径。其中对于壳体，可将外轮廓L2O向内偏置1/2壳体厚度的距离，提取出新外轮廓L3即为壳体的主形状路径；对于纵内筋板，其形状主要由壳体上向内凸起的部分非封闭内轮廓与壳体部分包围而成，则可以先将其内凸的非封闭轮廓向外偏置1/2壳体厚度的距离，再将所述轮廓延长至与L3相交，交点之间的新非封闭轮廓即为纵内筋板的主形状路径，记为L4。
步骤五，是主形状路径的重排步骤。
在此步骤中，壳体的主形状路径被所述交点分割成多个部分，将这多个部分依照顺时针方向排列，同时将各个纵内筋板的主形状路径分别依照顺时针方向进行封闭，由此完成主形状路径的重排处理。
更具体地，每个所述纵内筋板的L4与壳体L3的交点可将L3分割为多个部分，同时由于交点在L3上分布，根据L3上点集的顺时针方向，将两交点按方向顺序依次记为ip1，ip2。相应地，每个纵内筋板ip1、ip2之间的L3部分与L4包围形成封闭轮廓Lb，若构件具有n个纵内筋板，则可得到n个Lb，记为Lb1～Lbn；相邻的两个Lb之间的L3部分，记为Ls；由于构件切片形状呈封闭环状结构，若构件具有n个纵内筋板，则可得到n+1个Ls，记为Ls1～Lsn+1。
对每个纵内筋板的Lb点集，以ip1为起始点，循环遍历顺时针重排，得到新点集Lbe；所述Lbe点集内存在4个大角度拐点，分别为ip1、ip2及内凸两点，该两点按顺时针方向依次记为ip3、ip4；最后按顺时针方向组合切片内的所有Ls与Lbe点集，重组得到新路径点集L1st，对具有n个纵内筋板的构件，L1st＝Ls1+Lbe1+Ls2+Lbe2+…+Lsn+Lben+Lsn+1。
步骤六，是纵内筋板的填充路径规划步骤。
在此步骤中，沿着顺时针方向依次取出每个纵内筋板的主形状路径，并依照这些主形状路径进行堆积路径规划，由此获得各个纵内筋板的堆积路径。
更具体地，可以沿顺时针方向依次取出每个纵内筋板的主形状路径Lbe，并基于Lbe进行纵内筋板路径规划，形成每个纵内筋板的最终路径pn-final，具体过程如下：对每个纵内筋板的主形状路径Lbe，将ip1与ip2两点间路径记为p1，ip2与ip3两点间路径记为p2，ip3与ip4两点间路径记为p3，ip4与ip1两点间路径记为p4；将p1～p4分别向内偏置50％单道堆积金属宽度距离，形成pOL1～pOL4；计算pOL3上点至p1的最大垂直距离dc，根据dc的值来规划填充路径。填充路径的具体规划过程为本领域所公知，下面将给予简单的介绍说明。
1)dc≤70％单道堆积金属宽度时：
首先，可将p2向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL2s，计算pOL2s与p1交点，记为is1，由ip1开始顺时针沿p1方向至is1结束的路径记为新路径pn1；
其次，将p1向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL1s，计算pOL1s与p4交点，若pOL1s与p4不存在交点，则求pOL1s与p3交点，记为is2，由is2开始逆时针依次沿p4、p3、p2方向直至ip2结束的新路径记为pn2；
最后，组合pn1与pn2的点集形成最终路径pn-final，沿该路径堆积时，在pn1的终点is1处熄弧1次，在pn2的起点is2处起弧1次，采用的工艺窗口记为工艺1。
2)70％单道堆积金属宽度<dc≤12mm时：
判断pOL3与pOL1在pOL2、pOL4之间是否存在交点，进一步根据交点情况分如下多种情形进行处理：
①若不存在交点：
首先，将p2向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL2s，计算pOL2s与p1交点，记为is1，由ip1开始顺时针沿p1方向至is1结束的路径记为新路径pn1；
其次，将p4向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL4s；对pOL1～pOL4围成的封闭区域，以pOL2、pOL4为界限计算中轴线路径，再计算中轴线路径与pOL2s、pOL4s交点，分别记为is2、is3；is2为起始点、is3为终止点，沿中轴线方向的路径记为pn2；
接着，计算所得中轴线路径的延长线与p4的交点，记为is4，由is4开始逆时针依次沿p4、p3、p2方向直至ip2结束的新路径记为pn3；
最后组合pn1、pn2、pn3的点集形成最终路径pn-final，沿该路径堆积时不断弧，pn1与pn2采用的工艺窗口记为工艺1；pn3采用的工艺窗口记为工艺2；
②若存在1个靠近pOL2的交点，记该交点为isx；
首先，将p2向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL2s，计算pOL2s与p1交点，记为is1，由ip1开始顺时针沿p1方向至is1结束的路径记为新路径pn1；
其次，将p4向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL4s；若pOL3与pOL1存在交点，且交点靠近pOL2，则pOL1、pOL3、pOL4s将围成封闭区域；对该封闭区域，以交点isx、pOL4s为界限计算中轴线路径，起始点为isx，终止点位于pOL4s上，记该路径为pn2-1；
接着，计算所得中轴线路径的延长线与p4的交点，记为is2，由is2开始逆时针依次沿p4、p3、p2方向直至ip2结束的新路径记为pn2-2，将该路径的点集排列至pn2-1路径点集后，组合形成新路径记为pn2；
最后，组合pn1与pn2的点集形成最终路径pn-final，沿该路径堆积时，在pn1的终点is1处熄弧1次，在pn2的起点isx处起弧1次；pn1与pn2-2采用的工艺窗口记为工艺1；pn2-1采用的工艺窗口记为工艺2。
③若存在1个靠近pOL4的交点，记该交点为isx；
首先，将p2向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL2s，计算pOL2s与p1交点，记为is1，由ip1开始顺时针沿p1方向至is1结束的路径记为新路径pn1-1；
其次，若pOL3与pOL1存在交点，且交点靠近pOL4，则pOL1、pOL3、pOL2s将围成封闭区域；对该封闭区域，以pOL2s、交点isx为界限计算中轴线路径，起始点位于pOL2s上，终止点为isx，记该路径为pn1-2，并将该路径排列至pn1-1路径点集后，组合形成新路径记为pn1；
接着，将p1向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL1s，计算pOL1s与p4交点，记为is2，由is2开始逆时针依次沿p4、p3、p2方向直至ip2结束的新路径记为pn2；
最后，组合pn1与pn2的点集形成最终路径pn-final，沿该路径堆积时，在pn1的终点isx处熄弧1次，在pn2的起点is2处起弧1次；pn1-1与pn2采用的工艺窗口记为工艺1；pn1-2采用的工艺窗口记为工艺2。
④若存在2个交点，靠近pOL2的交点记为isx1，靠近pOL4的交点记为isx2；
首先，将p2向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL2s，计算pOL2s与p1交点，记为is1，由ip1开始顺时针沿p1方向至is1结束的路径记为新路径pn1；
其次，将p1向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL1s，计算pOL1s与p4交点，记为is2，由is2开始逆时针依次沿p4、p3、p2方向直至ip2结束的新路径记为pn3；
接着，对isx1、pOL3、isx2、ipOL1围成的封闭区域，以交点isx1、isx2为界限计算中轴线路径，起始点为isx1，终止点为isx2，记该路径为pn2；
最后，依次组合pn1、pn2、pn3的点集形成最终路径pn-final，沿该路径堆积时，先后在pn1的终点is1处、pn2的终点isx2处熄弧1次，在pn2的起点isx1处、pn3的起点is2处起弧1次；pn1与pn3采用的工艺窗口记为工艺1；pn2采用的工艺窗口记为工艺3。
3)若dc＞12mm：
首先，将p1～p4依次向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL1s～pOL4s，将pOL2s向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL2t；
其次，计算pOL2s与p1交点，记为is1，由ip1开始顺时针沿p1方向至is1结束的路径记为新路径pn1-1；再计算pOL3s与pOL2s交点，记为is2，由is1开始沿pOL2s方向直至is2结束的路径记为新路径pn1-2，将该路径置于pn1-1之后，组合形成新路径点集pn1；
接着，计算pOL1s与p4交点，记为is3，由is3开始逆时针依次沿p4、p3、p2方向直至ip2结束的新路径记为pn3；
接着，计算pOL2t与pOL3s交点，记为is4，pOL1s与pOL4s交点，记为is5，pOL1s、pOL2t、pOL3s、pOL4s围成的区域，记为A；过点is4作与ip1、ip2两点相连直线平行的直线，将该直线以is4为圆心逆时针旋转45°后，对区域A进行间隔(单道堆积金属宽度-搭接量)距离的偏置填充，形成扫描路径pn2，该路径以is4为起点，is5为终点；
最后，依次组合pn1、pn2、pn3的点集形成最终路径pn-final，沿该路径堆积时不断弧，采用的工艺窗口为工艺1
步骤七，是形成闭环堆积路径及电弧增材制造步骤。
在此步骤中，将经过上面步骤处理后的壳体的主形状路径，与所有纵内筋板规划后的堆积路径沿着顺时针方向首尾联接，并获得最终的闭环堆积路径；接着，基于该最终的闭环堆积路径，采用电弧增材制造工艺对每个堆积层环向一次成型，直至获得所需的铝合金含纵内筋板薄壁壳体。
更具体地，经过前面的步骤处理，已经得到了第1至第n个筋板的最终路径pn-final1至pn-finaln；再将原切片内的壳体部分路径Ls1～Lsn+1按顺时针方向依次取出，与纵内筋板重组得到新路径点集L2nd，对具有n个纵内筋板的构件，L2nd＝Ls1+pn-final1+Ls2+pn-final2+…+Lsn+pn-finaln+Lsn+1。
接着，将堆积路径点集转换为机器人可识别的空间位置坐标集合数据，以及6轴运动代码，导入至机器人控制终端。相应地，采用电弧增材制造工艺完成整个构件的加工制造。
下面将结合两个具体实施例，来更为清楚地解释说明本发明的各个处理步骤。
实施例一
该实施例一涉及一种成形外径318mm、高1.6m、壁厚3mm、内壁含8个对称分布纵内筋板的薄壁壳体构件。下面将结合图2至图11来进行具体说明。
如图2中所示，所述构件由壳体与纵内筋板1～8组成，其中，纵内筋板1与纵内筋板2，纵内筋板3与纵内筋板4均位于壳体截面象限点处并关于截面几何中心两两对称，纵内筋板5与纵内筋板6关于纵内筋板3对称，纵内筋板7与纵内筋板8关于纵内筋板4对称。
如图3中所示，譬如可以将构件的下端面A作为基准面，其在高度方向上对应的上端面B为顶面；端面A几何中心为原点O，构件高度方向为Z轴。X轴方向按以下方法设置：取基准面处端面的俯视图，所述原点O在俯视图上，为二维坐标系原点，所述Z轴垂直于俯视图向外；过所述原点O且方向向右的水平线为初始X轴，记为X0；将所述俯视图上的几何形状绕所述原点O旋转，X0保持不动；由于X0保持不动，则所述几何形状上各点的X坐标值随旋转进行而不断改变，直至几何形状上存在至多1个X最小值点，同时X0负方向不与任一纵内筋板的轮廓接触，此时的X0即为设置的X轴。Y轴方向以所述原点O、Z轴、X轴方向为参照，按右手定则建立；最后建立基准坐标系与构件相对位置的俯视图
如图4中所示，譬如可利用XOY平面沿所述Z轴方向进行平面切割，得到平面切片，初始切片高度为0.2mm，从第2层切片开始，切片高度设置为70％单道堆积金属高度；本实施例一中单道堆积金属高度为2.3mm，则从第2层切片开始的切片高度为1.6mm。
切片几何形状如图4，由构件外轮廓与内轮廓组成，其中内轮廓分为两部分：与外轮廓法向距离等于壳体厚度的为属于壳体的部分，记为SP，如图4内轮廓上的虚线所示，与外轮廓法向距离大于壳体厚度的为属于纵内筋板的部分，对应于纵内筋板1～8而分别记为BP1～8，如图4内轮廓上的实线所示。
如图5中所示，对切片后得到的内、外轮廓路径点集分别遍历各点X轴坐标值，记录下内、外轮廓上X坐标值最小的点，分别为PILxmin、POLxmin；接着，可以将最小值点存储至新点集容器中作为第1个点，再将原始点集中最小值点之后的点按顺序依次存储于新点集容器中，最后将原始点集中最小值点之前的点按顺序存储于新点集容器中，形成新点集L1；接着，譬如可基于鞋带准则判断L1中所有点按存储顺序排列后围成几何形状的方向是否为顺时针，若为顺时针，则初始化完成，将点集L1记为L2；若不为顺时针，则反向遍历L1中的点，并依次存储于新点集L2中，得到顺时针方向的新点集L2，完成初始化；初始化后的切片内路径方向如图5，初始化后，外轮廓路径为L2O、内轮廓路径为L2I。
如图6中所示，首先，将初始化后的外轮廓L2O向内偏置1/2壳体厚度的距离，形成路径L3，为壳体的主形状路径；对本应用实例，壳体厚度为3mm，则L2O向内偏置1.5mm得到L3；接着，将初始化后内轮廓L2I上对应于纵内筋板1～8的BP1～BP8轮廓部分向外偏置1/2壳体厚度的距离，即1.5mm，得到每个纵内筋板偏置后的轮廓，统一记为L4-0；最后将每个纵内筋板的L4-0延长至与L3相交，即提取得到每个纵内筋板的主形状路径，对应于纵内筋板1～8而分别记为L4-1～L4-8；图6为本应用实例中提取得到的主形状路径，虚线为壳体的主形状路径L3，实线为纵内筋板的主形状路径L4-1～L4-8，Pstart为图5中POLxmin向内偏置后得到的点，同时亦为L3的起始与终止点。
如图7中所示，每个纵内筋板的主形状路径与壳体主形状路径L3均存在两个交点，按顺时针方向依次将两交点统一记为ip1、ip2。定义每个纵内筋板的ip1、ip2为1组交点，本实施例一中有8个纵内筋板，则存在8组，共16个交点；所述交点在L3上分布，将L3分割为多个部分；图7中，每组ip1、ip2之间的L3部分对应于8个纵内筋板，分别记为Lb1～Lb8；相邻组之间的L3部分，统一标记为Ls，并由Pstart开始按顺时针方向排序；由于构件切片形状呈封闭环状结构，若具有n个纵内筋板，则可得到n+1个Ls，对于本实施例一，n＝8，则Ls为9个，由Pstart开始按顺时针方向排序为Ls1～Ls9。
如图8中所示，Lb1与L4-1、Lb2与L4-2、Lb3与L4-3、Lb4与L4-4、Lb5与L4-5、Lb6与L4-6、Lb7与L4-7、Lb8与L4-8可两两包围形成纵内筋板1～8的封闭路径；为获得每个纵内筋板各自独立的顺时针方向封闭路径，先将L4-1～L4-8分别取出后逆序遍历，存储为新路径点集，记为Le4-1～Le4-8；再将Le4-1～Le4-8分别置于Lb1～Lb8路径后，分别形成纵内筋板1～8各自独立的顺时针方向封闭路径，分别记为Lbe1～Lbe8以对应于8个纵内筋板；每个封闭路径均以ip1为开始与结束点，并具有包含ip1、ip2在内的4个拐点，除ip1、ip2外，另外两个拐点按路径顺时针方向依次记为ip3、ip4。
然后，再按图8依次向容器内存入路径Ls1、Lbe5、Ls2、Lbe1、Ls3、Lbe7、Ls4、Lbe4、Ls5、Lbe8、Ls6、Lbe2、Ls7、Lbe6、Ls8、Lbe3、Ls9，重排后最终得到以Pstart为起始点与终止点的新路径点集L1st，可见L1st＝Ls1+Lbe5+Ls2+Lbe1+Ls3+Lbe7+Ls4+Lbe4+Ls5+Lbe8+Ls6+Lbe2+Ls7+Lbe6+Ls8+Lbe3+Ls9。
如图9中所示，首先设计所需的单道堆积金属宽度与搭接量；单道堆积金属宽度＝壳体厚度+2*单边加工余量，单边加工余量为1.5～3mm，搭接量为25～42％单道堆积金属宽度；对本应用实例，壳体厚度为3mm，单边加工余量取1.5mm，则单道堆积金属宽度为6mm；搭接量取30％单道堆积金属宽度，为1.8mm。
其次，提取出L1st中纵内筋板1～8各自的封闭路径点集Lbe1～Lbe8，分别进行路径偏置操作。图9中，将每个封闭路径的ip1与ip2两点间路径部分记为p1，ip2与ip3两点间路径部分记为p2，ip3与ip4两点间路径部分记为p3，ip4与ip1两点间路径记为p4；将p1～p4分别向内偏置50％单道堆积金属宽度距离，即偏置3mm，形成pOL1～pOL4，如图9中虚线所示；计算pOL3上点至p1的最大垂直距离dc。
如图10中所示，根据偏置操作结果对Lbe1～Lbe8分别进行路径规划。其具体过程如下：
①对于Lbe1和Lbe2：
由于Lbe1和Lbe2的dc大于70％单道堆积金属宽度，小于12mm，同时pOL3与pOL1不存在交点，则首先，将p2向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL2s，计算pOL2s与p1交点，记为is1，由ip1开始顺时针沿p1方向至is1结束的路径记为新路径pn1；
其次，将p4向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL4s；对pOL1～pOL4围成的封闭区域，以pOL2、pOL4为界限计算中轴线路径，再计算中轴线路径与pOL2s、pOL4s交点，分别记为is2、is3；is2为起始点、is3为终止点，沿中轴线方向的路径记为pn2；
接着，计算所得中轴线路径的延长线与p4的交点，记为is4，由is4开始逆时针依次沿p4、p3、p2方向直至ip2结束的新路径记为pn3；
最后，组合pn1、pn2、pn3的点集形成最终路径pn-final，沿该路径堆积时不断弧，pn1与pn2采用的工艺窗口记为工艺1；pn3采用的工艺窗口记为工艺2。
②对于Lbe3和Lbe4：
由于Lbe3和Lbe4的dc大于12mm，则首先将p1～p4依次向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL1s～pOL4s，将pOL2s向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL2t；
其次，计算pOL2s与p1交点，记为is1，由ip1开始顺时针沿p1方向至is1结束的路径记为新路径pn1-1；再计算pOL3s与pOL2s交点，记为is2，由is1开始沿pOL2s方向直至is2结束的路径记为新路径pn1-2，将该路径置于pn1-1之后，组合形成新路径点集pn1；
接着，计算pOL1s与p4交点，记为is3，由is3开始逆时针依次沿p4、p3、p2方向直至ip2结束的新路径记为pn3；
接着，计算pOL2t与pOL3s交点，记为is4，pOL1s与pOL4s交点，记为is5，pOL1s、pOL2t、pOL3s、pOL4s围成的区域，记为A；过点is4作与ip1、ip2两点相连直线平行的直线，将该直线以is4为圆心逆时针旋转45°后，对区域A进行间隔(单道堆积金属宽度-搭接量)距离的偏置填充，形成扫描路径pn2，该路径以is4为起点，is5为终点；
最后，依次组合pn1、pn2、pn3的点集形成最终路径pn-final，沿该路径堆积时不断弧，采用的工艺窗口为工艺1；
③对于Lbe5：
由于Lbe5的dc小于70％单道堆积金属宽度，则首先将p2向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL2s，计算pOL2s与p1交点，记为is1，由ip1开始顺时针沿p1方向至is1结束的路径记为新路径pn1；
其次，将p1向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL1s，计算pOL1s与p4交点，记为is2，由is2开始逆时针依次沿p4、p3、p2方向直至ip2结束的新路径记为pn2；
最后，组合pn1与pn2的点集形成最终路径pn-final，沿该路径堆积时，在pn1的终点is1处熄弧1次，在pn2的起点is2处起弧1次，采用的工艺窗口记为工艺1。
④对于Lbe6：
由于Lbe5的dc小于70％单道堆积金属宽度，则首先将p2向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL2s，计算pOL2s与p1交点，记为is1，由ip1开始顺时针沿p1方向至is1结束的路径记为新路径pn1；
其次，将p1向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL1s，由于pOL1s与p4不存在交点，则求pOL1s与p3交点，记为is2，由is2开始逆时针依次沿p4、p3、p2方向直至ip2结束的新路径记为pn2；
最后，组合pn1与pn2的点集形成最终路径pn-final，沿该路径堆积时，在pn1的终点is1处熄弧1次，在pn2的起点is2处起弧1次，采用的工艺窗口记为工艺1。
⑤对于Lbe7：
由于Lbe7的dc大于70％单道堆积金属宽度，小于12mm，同时pOL3与pOL1不存在交点，则首先将p2向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL2s，计算pOL2s与p1交点，记为is1，由ip1开始顺时针沿p1方向至is1结束的路径记为新路径pn1；
其次，将p4向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL4s；对pOL1～pOL4围成的封闭区域，以pOL2、pOL4为界限计算中轴线路径，再计算中轴线路径与pOL2s、pOL4s交点，分别记为is2、is3；is2为起始点、is3为终止点，沿中轴线方向的路径记为pn2；
接着，计算所得中轴线路径的延长线与p4的交点，记为is4，由is4开始逆时针依次沿p4、p3、p2方向直至ip2结束的新路径记为pn3；
最后，组合pn1、pn2、pn3的点集形成最终路径pn-final，沿该路径堆积时不断弧，pn1与pn2采用的工艺窗口记为工艺1；pn3采用的工艺窗口记为工艺2；
⑥对于Lbe8：
由于Lbe8的dc大于70％单道堆积金属宽度，小于12mm，同时pOL3与pOL1不存在交点，则首先将p2向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL2s，计算pOL2s与p1交点，记为is1，由ip1开始顺时针沿p1方向至is1结束的路径记为新路径pn1；
其次，将p4向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL4s；对pOL1～pOL4围成的封闭区域，以pOL2、pOL4为界限计算中轴线路径，再计算中轴线路径与pOL2s、pOL4s交点，分别记为is2、is3；is2为起始点、is3为终止点，沿中轴线方向的路径记为pn2；
接着，计算所得中轴线路径的延长线与p4的交点，记为is4，由is4开始逆时针依次沿p4、p3、p2方向直至ip2结束的新路径记为pn3；
最后，组合pn1、pn2、pn3的点集形成最终路径pn-final，沿该路径堆积时不断弧，pn1与pn2采用的工艺窗口记为工艺1；pn3采用的工艺窗口记为工艺2。
如图11中所示，经过前面的步骤处理，已经得到了各纵内筋板的堆积路径pn-final，对应于第1至第8个纵内筋板，依次记为pn-final1～pn-final8；再次新建空的二维路径点集容器L2nd，并将第1次重排路径L1st中的壳体部分路径Ls1～Ls9按顺时针方向依次取出，与pn-final1～pn-final8共同存储至L2nd中，存储顺序如下：Ls1、pn-final5、Ls2、pn-final1、Ls3、pn-final7、Ls4、pn-final4、Ls5、pn-final8、Ls6、pn-final2、Ls7、pn-final6、Ls8、pn-final3、Ls9；重排得到的L2nd路径点集即为构件最终规划出的堆积路径。
对规划得到的堆积路径，将其编译转换为机器人可识别的空间位置坐标集合数据，以及6轴运动代码，导入至机器人控制终端；相应地，采用电弧增材工艺进行加工制造。其中，电弧增材制造所用的丝材为5A06铝合金，基板为纯铝板，保护气类型和流量为：99.999％高纯Ar，23L/min。
对应于前面步骤中工艺1～2的详细参数如下：
工艺1：堆积电流172A、堆积电压23.1V、堆积速度0.9mm/min；
工艺2：堆积电流124A、堆积电压22.1V、堆积速度0.85mm/min；
最终所得构件力学性能、成形尺寸偏差及内部缺陷情况如表1所示：
Figure BDA0003722289080000211
表1
实施例二
该实施例二涉及一种成形620mm长、400mm宽、高1.2m、壁厚5mm、内壁含10个纵内筋板的薄壁壳体构件。下面将结合图12至图21来进行具体说明。
如图12中所示，所述构件由壳体与纵内筋板1～10组成，其中，纵内筋板1与纵内筋板2，纵内筋板3与纵内筋板4、纵内筋板5与纵内筋板6均分布于壳体短边上，纵内筋板7～10分布于纵内筋板长边上。
如图13中所示，譬如可以设置图12中构件的下端面A作为基准面，其在高度方向上对应的上端面B为顶面；端面A几何中心为原点O，构件高度方向为Z轴。X轴方向按以下方法设置：取基准面处端面的俯视图，所述原点O在俯视图上，为二维坐标系原点，所述Z轴垂直于俯视图向外；过所述原点O且方向向右的水平线为初始X轴，记为X0；将所述俯视图上的几何形状绕所述原点O旋转，X0保持不动；由于X0保持不动，则所述几何形状上各点的X坐标值随旋转进行而不断改变，直至几何形状上存在至多1个X最小值点，同时X0负方向不与任一纵内筋板的轮廓接触，此时的X0即为设置的X轴。Y轴方向以所述原点O、Z轴、X轴方向为参照，按右手定则建立；最后建立基准坐标系与构件相对位置的俯视图。
如图14中所示，譬如可利用XOY平面沿所述Z轴方向进行平面切割，得到平面切片，初始切片高度为0.4mm，从第2层切片开始，切片高度设置为80％单道堆积金属高度；本应用实例中单道堆积金属高度为2.6mm，则从第2层切片开始的切片高度为2.08mm。切片几何形状如图14，由构件外轮廓与内轮廓组成，其中内轮廓分为两部分：与外轮廓法向距离等于壳体厚度的为属于壳体的部分，记为SP，如图14内轮廓上的虚线所示，与外轮廓法向距离大于壳体厚度的为属于纵内筋板的部分，对应于纵内筋板1～10而分别记为BP1～10，如图14内轮廓上的实线所示。
如图15中所示，对切片后得到的内、外轮廓路径点集分别遍历各点X轴坐标值，记录下内、外轮廓上X坐标值最小的点，分别为PILxmin、POLxmin；接着创建新点集容器，将最小值点存储至新点集容器中作为第1个点，再将原始点集中最小值点之后的点按顺序依次存储于新点集容器中，最后将原始点集中最小值点之前的点按顺序存储于新点集容器中，形成新点集L1。譬如可基于鞋带准则判断L1中所有点按存储顺序排列后围成几何形状的方向是否为顺时针，若为顺时针，则初始化完成，将点集L1记为L2；若不为顺时针，则反向遍历L1中的点，并依次存储于新点集L2中，得到顺时针方向的新点集L2，完成初始化；初始化后的切片内路径方向如图15，初始化后，外轮廓路径为L2O、内轮廓路径为L2I。
如图16中所示，首先，将初始化后的外轮廓L2O向内偏置1/2壳体厚度的距离，形成路径L3，为壳体的主形状路径；对本应用实例，壳体厚度为5mm，则L2O向内偏置2.5mm得到L3；其次，将初始化后内轮廓L2I上对应于纵内筋板1～10的BP1～BP10轮廓部分向外偏置1/2壳体厚度的距离，即2.5mm，得到每个纵内筋板偏置后的轮廓，统一记为L4-0；最后将每个纵内筋板的L4-0延长至与L3相交，即提取得到每个纵内筋板的主形状路径，对应于纵内筋板1～10而分别记为L4-1～L4-10；图16为本应用实例中提取得到的主形状路径，虚线为壳体的主形状路径L3，实线为纵内筋板的主形状路径L4-1～L4-10，Pstart为图15中POLxmin向内偏置后得到的点，同时亦为L3的起始与终止点。
如图17中所示，每个纵内筋板的主形状路径与壳体主形状路径L3均存在两个交点，按顺时针方向依次将两交点统一记为ip1、ip2；定义每个纵内筋板的ip1、ip2为1组交点，本应用实例中有10个纵内筋板，则存在10组，共20个交点；所述交点在L3上分布，将L3分割为多个部分；图17中，每组ip1、ip2之间的L3部分对应于10个纵内筋板，分别记为Lb1～Lb10；相邻组之间的L3部分，统一标记为Ls，并由Pstart开始按顺时针方向排序；由于构件切片形状呈封闭环状结构，若具有n个纵内筋板，则可得到n+1个Ls，对于本实施例而，n＝10，则Ls为11个，由Pstart开始按顺时针方向排序为Ls1～Ls11。
如图18中所示，Lb1与L4-1、Lb2与L4-2、Lb3与L4-3、Lb4与L4-4、Lb5与L4-5、Lb6与L4-6、Lb7与L4-7、Lb8与L4-8、Lb9与L4-9、Lb10与L4-10可两两包围形成纵内筋板1～10的封闭路径；为获得每个纵内筋板各自独立的顺时针方向封闭路径，先将L4-1～L4-10分别取出后逆序遍历，存储为新路径点集，记为Le4-1～Le4-10；再将Le4-1～Le4-10分别置于Lb1～Lb10路径后，分别形成纵内筋板1～10各自独立的顺时针方向封闭路径，分别记为Lbe1～Lbe10以对应于10个纵内筋板；每个封闭路径均以ip1为开始与结束点，并具有包含ip1、ip2在内的4个拐点，除ip1、ip2外，另外两个拐点按路径顺时针方向依次记为ip3、ip4。
创建空的二维路径点集容器，再按图18依次向容器内存入路径Ls1、Lbe7、Ls2、Lbe3、Ls3、Lbe1、Ls4、Lbe4、Ls5、Lbe9、Ls6、Lbe10、Ls7、Lbe6、Ls8、Lbe2、Ls9、Lbe5、Ls10、Lbe8、Ls11，重排后最终得到以Pstart为起始点与终止点的新路径点集L1st，可见L1st＝Ls1+Lbe7+Ls2+Lbe3+Ls3+Lbe1+Ls4+Lbe4+Ls5+Lbe9+Ls6+Lbe10+Ls7+Lbe6+Ls8+Lbe2+Ls9+Lbe5+Ls10+Lbe8+Ls11。
如图19中所示，首先设计所需的单道堆积金属宽度与搭接量；单道堆积金属宽度＝壳体厚度+2*单边加工余量，单边加工余量为1.5～3mm，搭接量为25～42％单道堆积金属宽度；对本实施例而，壳体厚度为5mm，单边加工余量取2mm，则单道堆积金属宽度为9mm；搭接量取40％单道堆积金属宽度，为3.6mm；其次，提取出L1st中纵内筋板1～10各自的封闭路径点集Lbe1～Lbe10，分别进行路径偏置操作，图19中，将每个封闭路径的ip1与ip2两点间路径部分记为p1，ip2与ip3两点间路径部分记为p2，ip3与ip4两点间路径部分记为p3，ip4与ip1两点间路径记为p4；将p1～p4分别向内偏置50％单道堆积金属宽度距离，即偏置3mm，形成pOL1～pOL4，如图19中虚线所示；计算pOL3上点至p1的最大垂直距离dc。
如图20中所示，根据偏置操作结果对Lbe1～Lbe10分别进行路径规划，其具体操作如下：
①对于Lbe1和Lbe2：
由于Lbe1和Lbe2的dc大于12mm，则首先将p1～p4依次向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL1s～pOL4s，将pOL2s向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL2t；
其次，计算pOL2s与p1交点，记为is1，由ip1开始顺时针沿p1方向至is1结束的路径记为新路径pn1-1；再计算pOL3s与pOL2s交点，记为is2，由is1开始沿pOL2s方向直至is2结束的路径记为新路径pn1-2，将该路径置于pn1-1之后，组合形成新路径点集pn1；
接着，计算pOL1s与p4交点，记为is3，由is3开始逆时针依次沿p4、p3、p2方向直至ip2结束的新路径记为pn3；
接着，计算pOL2t与pOL3s交点，记为is4，pOL1s与pOL4s交点，记为is5，pOL1s、pOL2t、pOL3s、pOL4s围成的区域，记为A；过点is4作与ip1、ip2两点相连直线平行的直线，将该直线以is4为圆心逆时针旋转45°后，对区域A进行间隔(单道堆积金属宽度-搭接量)距离的偏置填充，形成扫描路径pn2，该路径以is4为起点，is5为终点；
最后，依次组合pn1、pn2、pn3的点集形成最终路径pn-final，沿该路径堆积时不断弧，采用的工艺窗口为工艺1。
②对于Lbe3和Lbe4：
由于Lbe3和Lbe4的dc小于70％单道堆积金属宽度，则首先将p2向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL2s，计算pOL2s与p1交点，记为is1，由ip1开始顺时针沿p1方向至is1结束的路径记为新路径pn1；
其次，将p1向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL1s，计算pOL1s与p4交点，记为is2，由is2开始逆时针依次沿p4、p3、p2方向直至ip2结束的新路径记为pn2；
最后，组合pn1与pn2的点集形成最终路径pn-final，沿该路径堆积时，在pn1的终点is1处熄弧1次，在pn2的起点is2处起弧1次，采用的工艺窗口记为工艺1。
③对于Lbe5：
由于Lbe5的dc大于70％单道堆积金属宽度，小于12mm，同时pOL3与pOL1的交点isx靠近pOL4，则首先，将p2向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL2s，计算pOL2s与p1交点，记为is1，由ip1开始顺时针沿p1方向至is1结束的路径记为新路径pn1-1；
其次，若pOL3与pOL1存在交点，且交点靠近pOL4，则pOL1、pOL3、pOL2s将围成封闭区域；对该封闭区域，以pOL2s、交点isx为界限计算中轴线路径，起始点位于pOL2s上，终止点为isx，记该路径为pn1-2，并将该路径排列至pn1-1路径点集后，组合形成新路径记为pn1；
接着，将p1向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL1s，计算pOL1s与p4交点，记为is2，由is2开始逆时针依次沿p4、p3、p2方向直至ip2结束的新路径记为pn2；
最后，组合pn1与pn2的点集形成最终路径pn-final，沿该路径堆积时，在pn1的终点isx处熄弧1次，在pn2的起点is2处起弧1次；pn1-1与pn2采用的工艺窗口记为工艺1；pn1-2采用的工艺窗口记为工艺2。
④对于Lbe6：
由于Lbe6的dc大于70％单道堆积金属宽度，小于12mm，同时pOL3与pOL1的交点isx靠近pOL2，则首先，将p2向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL2s，计算pOL2s与p1交点，记为is1，由ip1开始顺时针沿p1方向至is1结束的路径记为新路径pn1；
其次，将p4向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL4s；若pOL3与pOL1存在交点，且交点靠近pOL2，则pOL1、pOL3、pOL4s将围成封闭区域；对该封闭区域，以交点isx、pOL4s为界限计算中轴线路径，起始点为isx，终止点位于pOL4s上，记该路径为pn2-1；
接着，计算所得中轴线路径的延长线与p4的交点，记为is2，由is2开始逆时针依次沿p4、p3、p2方向直至ip2结束的新路径记为pn2-2，将该路径的点集排列至pn2-1路径点集后，组合形成新路径记为pn2；
最后，组合pn1与pn2的点集形成最终路径pn-final，沿该路径堆积时，在pn1的终点is1处熄弧1次，在pn2的起点isx处起弧1次；pn1与pn2-2采用的工艺窗口记为工艺1；pn2-1采用的工艺窗口记为工艺2。
⑤对于Lbe7和Lbe8：
由于Lbe7和Lbe8的dc大于12mm，则首先将p1～p4依次向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL1s～pOL4s，将pOL2s向内偏置(单道堆积金属宽度-搭接量)的距离，形成pOL2t；
其次，计算pOL2s与p1交点，记为is1，由ip1开始顺时针沿p1方向至is1结束的路径记为新路径pn1-1；再计算pOL3s与pOL2s交点，记为is2，由is1开始沿pOL2s方向直至is2结束的路径记为新路径pn1-2，将该路径置于pn1-1之后，组合形成新路径点集pn1；
接着，计算pOL1s与p4交点，记为is3，由is3开始逆时针依次沿p4、p3、p2方向直至ip2结束的新路径记为pn3；
接着，计算pOL2t与pOL3s交点，记为is4，pOL1s与pOL4s交点，记为is5，pOL1s、pOL2t、pOL3s、pOL4s围成的区域，记为A；过点is4作与ip1、ip2两点相连直线平行的直线，将该直线以is4为圆心逆时针旋转45°后，对区域A进行间隔(单道堆积金属宽度-搭接量)距离的偏置填充，形成扫描路径pn2，该路径以is4为起点，is5为终点；
最后，依次组合pn1、pn2、pn3的点集形成最终路径pn-final，沿该路径堆积时不断弧，采用的工艺窗口为工艺1。
如图21中所示，经过前面步骤的操作，已经得到了各纵内筋板的堆积路径pn-final，对应于第1至第10个纵内筋板，依次记为pn-final1～pn-final10。再次新建空的二维路径点集容器L2nd，并将第1次重排路径L1st中的壳体部分路径Ls1～Ls11按顺时针方向依次取出，与pn-final1～pn-final10共同存储至L2nd中，存储顺序如下：Ls1、pn-final7、Ls2、pn-final3、Ls3、pn-final1、Ls4、pn-final4、Ls5、pn-final9、Ls6、pn-final10、Ls7、pn-final6、Ls8、pn-final2、Ls9、pn-final5、Ls10、pn-final8、Ls11；重排得到的L2nd路径点集即为构件最终规划出的堆积路径。
对规划得到的堆积路径，将其编译转换为机器人可识别的空间位置坐标集合数据，以及6轴运动代码，导入至机器人控制终端；相应地，采用电弧增材制造工艺进行加工制造。其中，电弧增材制造所用的丝材为2319铝合金，基板为2A12铝合金，保护气类型和流量为：99.999％高纯Ar，25L/min。
对应于前面步骤中工艺1～2的详细参数如下：
工艺1：堆积电流180A、堆积电压23.6V、堆积速度0.85mm/min；
工艺2：堆积电流132A、堆积电压22.4V、堆积速度0.64mm/min；
最终所得构件力学性能、成形尺寸偏差及内部缺陷情况如表2所示：
Figure BDA0003722289080000281
表2
综上，通过本发明，使构件内多个纵内筋板随壳体共同切片，每个切片的多条独立路径首尾有序联结，实现堆积层环向一次堆积成形，大幅减少电弧增材制造过程中的断弧次数，同时有效避免了先成形壳体，再在壳内堆积筋板时出现的电弧枪干涉、壳体易熔穿等问题，显著提高构件成形质量与效率，因而具备广阔的应用前景。
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 (9)

1.一种铝合金含纵内筋板薄壁壳体的电弧增材制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)建模及设立基准坐标系步骤
在此步骤中，针对待加工制造的铝合金含纵内筋板薄壁壳体，建立对应的构件三维模型，同时设定包含XYZ三轴的基准坐标系；
(b)纵内筋板随壳体的整体切片步骤
在此步骤中，将所有纵内筋板连同壳体一同沿着Z轴方向也即平行于壳体轴向的方向进行切片，并获得由外轮廓与内轮廓共同组成的切片轮廓；
(c)切片轮廓路径的初始化步骤
在此步骤中，针对所述外、内轮廓各自所对应的外、内轮廓路径，对其所包含的位置点集合分别进行X轴坐标最小值的遍历排序，同时依照顺时针方向排列，由此获得初始化后的外、内轮廓路径；
(d)主形状路径的提取步骤
在此步骤中，对于壳体，将初始化后的外轮廓路径向内偏置一定距离，提取出新外轮廓即为壳体的主形状路径；
对于各个纵内筋板，将初始化后的内轮廓路径向外偏置对应的距离，同时将该内轮廓延长至壳体的新外轮廓相交，交点之间的非封闭区域即为各个纵内筋板的主形状路径；
(e)主形状路径的重排步骤
在此步骤中，壳体的主形状路径被所述交点分割成多个部分，将这多个部分依照顺时针方向排列，同时将各个纵内筋板的主形状路径分别依照顺时针方向进行封闭，由此完成主形状路径的重排处理；
(f)纵内筋板的填充路径规划步骤
在此步骤中，沿着顺时针方向依次取出每个纵内筋板的主形状路径，并依照这些主形状路径进行堆积路径规划，由此获得各个纵内筋板的堆积路径；
(g)形成闭环堆积路径及电弧增材制造步骤
在此步骤中，将经过步骤(e)处理后的壳体的主形状路径，与所有纵内筋板规划后的堆积路径沿着顺时针方向首尾联接，并获得最终的闭环堆积路径；
基于该最终的闭环堆积路径，采用电弧增材制造工艺对每个堆积层环向一次成型，直至获得所需的铝合金含纵内筋板薄壁壳体。
2.如权利要求1所述的电弧增材制造方法，其特征在于，在步骤(b)中，初始切片高度优选设置为0.2mm～0.5mm；从第二层切片开始，切片高度优选设置为70％～90％单道堆积金属高度。
3.如权利要求1或2所述的电弧增材制造方法，其特征在于，在步骤(d)中，对于壳体，优选将其初始化后的外轮廓路径向内偏置1/2壳体厚度的距离；对于各个纵内筋板，优选将其初始化后的内轮廓路径向外偏置1/2壳体厚度的距离，同时将该内轮廓延长至壳体的新外轮廓相交。
4.如权利要求1-3任意一项所述的电弧增材制造方法，其特征在于，在步骤(f)中，对于每个纵内筋板的主形状路径，优选同时进行单道、偏置与扫描协同的堆积路径规划。
5.如权利要求4所述的电弧增材制造方法，其特征在于，在步骤(f)中，单道堆积金属宽度优选采用下列公式进行设计：壳体厚度+2*单边加工余量。
6.如权利要求5所述的电弧增材制造方法，其特征在于，在步骤(f)中，单边加工余量优选为1.5mm～3mm，搭接量优选为25％～42％单道堆积金属宽度。
7.如权利要求1-6任意一项所述的电弧增材制造方法，其特征在于，在步骤(g)中，所述电弧增材制造工艺所采用的丝材和基板均为铝合金，保护气类型为高纯Ar，其流量优选为20L/min～25L/min。
8.如权利要求7所述的电弧增材制造方法，其特征在于，在步骤(g)中，优选采用以下的多套工艺窗口进行制造：
工艺一：堆积电流150A～183A、堆积电压22V～24V、堆积速度0.7mm/min～1.0mm/min；
工艺二：堆积电流100A～136A、堆积电压20V～22V、堆积速度0.5mm/min～0.8mm/min；
工艺三：堆积电流180A～210A、堆积电压25V～26V、堆积速度0.6mm/min～0.9mm/min。
9.一种铝合金含纵内筋板薄壁壳体，其特征在于，其采取如权利要求1-8任意一项所述的方法而制得。
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