CN115319241B - 一种基于构造曲面的电弧增材制造路径规划方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于构造曲面的电弧增材制造路径规划方法及装置。所述方法包括：根据电弧增材模型的模型参数，确定单道成形参数，及所述单道成形参数下的单道成形截面尺寸；根据所述单道成形参数和所述单道成形截面尺寸，对所述电弧增材模型进行三维路径曲面构造，得到所述电弧增材模型的路径曲面；对所述路径曲面进行分层切片处理，生成多个分层曲面，及每个分层曲面的多个曲线，并将每个所述分层曲面的多个曲线作为所述增材路径；根据每个所述分层曲面的增材路径生成电弧增材制造加工代码。本发明可以效保障电弧增材工件内部质量。

Description

一种基于构造曲面的电弧增材制造路径规划方法及装置

技术领域

本发明涉及电弧增材制造技术领域，特别是一种基于构造曲面的电弧增材制造路径规划方法及装置。

背景技术

电弧增材制造技术是近年来新兴并快速发展的一种增材制造技术。电弧增材制是以三维模型为基础，依靠电弧为热源，依托机床、机械臂或其他运动装置进行空间轨迹运动，通过模型分层切片、路径规划、代码后处理等步骤得到加工程序，据此逐层熔化沉积金属丝成形零件的制造方法，具有无需模具、成本低、效率高的特点，特别适用于大尺寸零件的快速研制。

在电弧增材制造的路径规划中，与所有增材制造工艺类似地，一般按照先将三维实体模型通过分层切片离散为若干二维轮廓形状，再在二维轮廓中按照需求进行路径规轨迹填充，最终完成路径规划。对于电弧增材制造工艺而言，其主要特点是“增材单元”的尺度较大。由于电弧热源、丝材原材料本身尺度较大，导致电弧增材成形的单道尺寸较宽，一般不小于3mm，远大于其他增材制造工艺。因此，对于电弧增材制造，在二维轮廓形状内进行路径规划，即使理论上轨迹线填满了整个轮廓区域，但在“拐角”类搭接和单个熔道尺寸较大的影响下，仍然难以将整个平面填实，容易导致内部未熔合缺陷产生。此外，在轮廓形状内进行路径规划，难以避免地会在零件结构内留下大量起弧、收弧点，起、收弧点成形质量较差，容易在工件内部留下气孔、夹渣缺陷。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于构造曲面的电弧增材制造路径规划方法及装置。

本发明的技术解决方案是：

第一方面，本发明实施例提供了一种基于构造曲面的电弧增材制造路径规划方法，包括：

根据电弧增材模型的模型参数，确定单道成形参数，及所述单道成形参数下的单道成形截面尺寸；

根据所述单道成形参数和所述单道成形截面尺寸，对所述电弧增材模型进行三维路径曲面构造，得到所述电弧增材模型的路径曲面；

对所述路径曲面进行分层切片处理，生成多个分层曲面，及每个分层曲面的多个曲线，并将每个所述分层曲面的多个曲线作为所述增材路径；

根据每个所述分层曲面的增材路径生成电弧增材制造加工代码。

可选地，所述根据电弧增材模型的模型参数，确定单道成形参数，及所述单道成形参数下的单道成形截面尺寸，包括：

根据所述电弧增材模型的尺寸和壁厚特征进行单道成形电弧增材工艺实验，以确定所述单道成形参数，及所述单道成形参数下的单道成形截面尺寸；

其中，所述单道成形参数包括：电流、电压、送丝速度和成形速度中的至少一种，所述单道成形截面尺寸包括：单道成形截面的宽度和高度。

可选地，所述根据所述单道成形参数和所述单道成形截面尺寸，对所述电弧增材模型进行三维路径曲面构造，得到所述电弧增材模型的路径曲面，包括：

根据所述单道成形参数和所述单道成形截面尺寸，对所述电弧增材模型进行分割处理，生成多个分区三维模型；

对每个所述分区三维模型构建一个基准路径曲面；

基于每个所述分区三维模型对应的基准路径曲面，构建得到每个所述分区三维模型的路径曲面。

可选地，所述基于每个所述分区三维模型对应的基准路径曲面，构建得到每个所述分区三维模型的路径曲面，包括：

按照所述基准路径曲面偏移设定距离，生成多个偏移曲面；

将所述基准路径曲面和所述多个偏移曲面作为所述分区三维模型的路径曲面。

可选地，所述路径曲面包括：封闭路径曲面和开放路径曲面。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于构造曲面的电弧增材制造路径规划装置，包括：

单道成形参数确定模块，用于根据电弧增材模型的模型参数，确定单道成形参数，及所述单道成形参数下的单道成形截面尺寸；

路径曲面获取模块，用于根据所述单道成形参数和所述单道成形截面尺寸，对所述电弧增材模型进行三维路径曲面构造，得到所述电弧增材模型的路径曲面；

增材路径获取模块，用于对所述路径曲面进行分层切片处理，生成多个分层曲面，及每个分层曲面的多个曲线，并将每个所述分层曲面的多个曲线作为所述增材路径；

增材加工代码生成模块，用于根据每个所述分层曲面的增材路径生成电弧增材制造加工代码。

可选地，所述单道成形参数确定模块包括：

单道成形参数确定单元，用于根据所述电弧增材模型的尺寸和壁厚特征进行单道成形电弧增材工艺实验，以确定所述单道成形参数，及所述单道成形参数下的单道成形截面尺寸；

其中，所述单道成形参数包括：电流、电压、送丝速度和成形速度中的至少一种，所述单道成形截面尺寸包括：单道成形截面的宽度和高度。

可选地，所述路径曲面获取模块包括：

三维模型生成单元，用于根据所述单道成形参数和所述单道成形截面尺寸，对所述电弧增材模型进行分割处理，生成多个分区三维模型；

基准路径曲面构建单元，用于对每个所述分区三维模型构建一个基准路径曲面；

路径曲面构建单元，用于基于每个所述分区三维模型对应的基准路径曲面，构建得到每个所述分区三维模型的路径曲面。

可选地，所述路径曲面构建单元包括：

偏移曲面生成子单元，用于按照所述基准路径曲面偏移设定距离，生成多个偏移曲面；

路径曲面获取子单元，用于将所述基准路径曲面和所述多个偏移曲面作为所述分区三维模型的路径曲面。

可选地，所述路径曲面包括：封闭路径曲面和开放路径曲面。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明实施例提供的方案，通过三维模型直接构造三维路径曲面模型，再通过分层切片直接形成线型路径，该方法在简单、高效操作的同时，保证了工件整体路径规划可以按照工艺人员所需的最优进行设计，而不是依靠填充算法自动生成。同时，该方法生成的路径轨迹工整、有序，适用于电弧增材制造单道尺度较大的特点，可将起弧、收弧点设计在工件之外，有效保障电弧增材工件内部质量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于构造曲面的电弧增材制造路径规划方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例提供的一种增材制造路径规划流程的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种路径规划流程的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种路径规划方法过程的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种增材制造零件的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种对电弧增材模型构造的三维路径曲面的示意图；

图7为本发明实施例提供的一种对路径曲面的偏移和剪裁过程的示意图；

图8为本发明实施例提供的一种形成的某一层路径的示意图；

图9为本发明实施例提供的一种某一截面路径对比传统基于轮廓填充的规划方式的示意图；

图10为本发明实施例提供的一种基于构造曲面的电弧增材制造路径规划装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例是基于三维模型直接构造三维路径曲面模型，再通过分层切片直接形成线型路径(如图3)。该方法在简单、高效操作的同时，保证了工件整体路径规划可以按照工艺人员所需的最优进行设计，而不是依靠填充算法自动生成。同时，该方法生成的路径轨迹工整、有序，适用于电弧增材制造单道尺度较大的特点，可将起弧、收弧点设计在工件之外，有效保障电弧增材工件内部质量。

对于本发明实施例提供的上述方案将结合下述具体实现方式进行如下详细描述。

实施例一

参照图1，示出了本发明实施例提供的一种基于构造曲面的电弧增材制造路径规划方法的步骤流程图，如图1所示，该方法可以包括以下步骤：

步骤101：根据电弧增材模型的模型参数，确定单道成形参数，及所述单道成形参数下的单道成形截面尺寸。

对于本发明实施例提供的实现过程可以如图2和图3所示，可以根据电弧增材模型的模型参数确定单道成形参数，以及单道成形参数下的单道成形截面尺寸。具体地，可以结合工艺特点，依据电弧增材模型的尺寸、壁厚特点，通过进行单道成形电弧增材工艺实验，确定使用的电流、电压、送丝速度、成形速度等单道成形参数，并确定该参数下单道成形截面宽度w、高度h。若结构件壁厚较厚，需要多道搭接成形，则需进一步应进行双道电弧增材工艺实验，确定在双道平整搭接的情况下，两个熔道中心距d，一般地，0.2w≤d≤0.8w。

步骤102：根据所述单道成形参数和所述单道成形截面尺寸，对所述电弧增材模型进行三维路径曲面构造，得到所述电弧增材模型的路径曲面。

在确定单道成形参数和单道成形截面尺寸，对电弧增材模型进行三维路径曲面构造，图得到电弧增材模型的路径曲面。具体地，可以对电弧增材模型进行三维路径曲面构造。将模型按照可构建独立曲面的原则，分割为若干分区三维模型，对这些三维模型构造路径曲面。

路径曲面指每层所需路径轨迹所连接成的连续曲面。

路径曲面由2类组成，一类是闭合路径曲面，一类是开放路径曲面。

由于每个分区三维模型可能需要若干道电弧增材搭接成形，故对每个分区三维模型先构建一个基准曲面。为避免路径中产生拐角搭接，所有路径曲面都由基准曲面偏移而成。基准路径曲面取单道成形方向上曲面的最大面。基准曲面偏移nd(n＝1,2,3…)距离，并以模型轮廓为剪裁工具修剪，形成其他曲面。n的值以路径曲面再偏移0.5w后可完全覆盖该分区三维模型为准。

除通过基准曲面偏移生成路径曲面外，还可根据需求，通过自行曲面建模等方式，建立所需的路径曲面。

步骤103：对所述路径曲面进行分层切片处理，生成多个分层曲面，及每个分层曲面的多个曲线，并将每个所述分层曲面的多个曲线作为所述增材路径。

构建好路径曲面后，直接对曲面进行分层切片，切片后每层形成若干封闭或开放曲线，这些曲线即为增材路径。

步骤104：根据每个所述分层曲面的增材路径生成电弧增材制造加工代码。

在得到增材路径之后，可以根据每个分层曲面的增材路径生成电弧增材制造加工代码。具体地，规定起收弧点、加工代码后处理，可生成电弧增材制造加工代码。

本发明改变传统路径规划将“三维模型通过分层切片转为二维轮廓，再在二维轮廓中规划路径”的思路，而是先构造三维曲面，再分层切片直接转化为路径。从而可以改善对二维轮廓进行路径规划时，常常产生的路径填充不均匀，从而导致表面不平整、内部存在未熔合缺陷的问题，进一步保障了电弧增材制造构件内部质量。并且，通过自行构建三维曲面，可以快速按照工艺需求构造增材路径，保证路径规划效率的同时，通过三维曲面对结构件的覆盖，确保构造的增材路径能够将整个结构件填充完整。在自行构建三维曲面中，可利用曲面偏移快速构造增材路径，并将起收弧点尽可能布置在结构件外部，减少结构件内部起收弧点导致的内部缺陷。

图4为本发明的具体实现过程：

步骤1：如图5所示，分析模型特点，可以看出模型壁厚较宽，需要多道搭接。依据电模型尺寸、壁厚特点，通过单道、双道成形电弧增材工艺实验，确定使用的电流、电压、送丝速度、成形速度等单道成形参数，并确定该参数下单道成形截面宽度w、高度h，规定熔道中心距d＝0.6w。

步骤2：对电弧增材模型进行三维路径曲面构造，如图6所示。将模型按照可构建独立曲面的原则，分为2个分区，由一个等壁厚封闭舱体和一个变壁厚墙体组成。此时，等壁厚封闭舱体可以构建闭合路径曲面，变壁厚墙体可以构建开放路径曲面。

等壁厚封闭舱体的路径曲面，直接由轮廓偏移得到，如图6。按照零件壁厚和熔道中心距关系，设计为2道搭接成形，即得到2个偏移曲面。变壁厚墙体的路径曲面构造中，由于希望墙体成形的熔道与舱体轮廓平行，故从墙体与舱体交界面上偏移，取得墙体基准面，基准面距舱体最外轮廓面距离为d。同时偏移若干墙体基准面，直到再偏移0.5w后可完全覆盖该分区三维模型。

对于墙体上的偏移曲面，可以以模型三维轮廓形状为剪裁工具，对每个偏移曲面进行修剪，如图7，得到最终的多个路径曲面。

步骤3：构建好路径曲面后，直接对曲面进行分层切片，切片后每层形成若干封闭或开放曲线，这些曲线即为增材路径，如图8所示。

步骤4：进一步规定起收弧点、加工代码后处理，可生成该模型的电弧增材制造加工代码。

在本实施例中，某一截面形最终路径效果对比传统基于轮廓填充的规划方式，效果差异如图9所示。可以看出，本发明实现了构建内无起、收点，且无拐角类搭接，保障了层内成形平整、无未熔合缺陷。

实施例二

参照图10，示出了本发明实施例提供的一种基于构造曲面的电弧增材制造路径规划装置的结构示意图，如图10所示，该装置可以包括以下模块：

单道成形参数确定模块1010，用于根据电弧增材模型的模型参数，确定单道成形参数，及所述单道成形参数下的单道成形截面尺寸；

路径曲面获取模块1020，用于根据所述单道成形参数和所述单道成形截面尺寸，对所述电弧增材模型进行三维路径曲面构造，得到所述电弧增材模型的路径曲面；

增材路径获取模块1030，用于对所述路径曲面进行分层切片处理，生成多个分层曲面，及每个分层曲面的多个曲线，并将每个所述分层曲面的多个曲线作为所述增材路径；

增材加工代码生成模块1040，用于根据每个所述分层曲面的增材路径生成电弧增材制造加工代码。

可选地，所述单道成形参数确定模块包括：

单道成形参数确定单元，用于根据所述电弧增材模型的尺寸和壁厚特征进行单道成形电弧增材工艺实验，以确定所述单道成形参数，及所述单道成形参数下的单道成形截面尺寸；

其中，所述单道成形参数包括：电流、电压、送丝速度和成形速度中的至少一种，所述单道成形截面尺寸包括：单道成形截面的宽度和高度。

可选地，所述路径曲面获取模块包括：

三维模型生成单元，用于根据所述单道成形参数和所述单道成形截面尺寸，对所述电弧增材模型进行分割处理，生成多个分区三维模型；

基准路径曲面构建单元，用于对每个所述分区三维模型构建一个基准路径曲面；

路径曲面构建单元，用于基于每个所述分区三维模型对应的基准路径曲面，构建得到每个所述分区三维模型的路径曲面。

可选地，所述路径曲面构建单元包括：

偏移曲面生成子单元，用于按照所述基准路径曲面偏移设定距离，生成多个偏移曲面；

路径曲面获取子单元，用于将所述基准路径曲面和所述多个偏移曲面作为所述分区三维模型的路径曲面。

可选地，所述路径曲面包括：封闭路径曲面和开放路径曲面。

本申请所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本申请，但不以任何方式限制本申请。因此，本领域技术人员应当理解，仍然对本申请进行修改或者等同替换；而一切不脱离本申请的精神和技术实质的技术方案及其改进，均应涵盖在本申请专利的保护范围中。

Claims (6)

1.一种基于构造曲面的电弧增材制造路径规划方法，其特征在于，包括：

根据电弧增材模型的模型参数，确定单道成形参数，及所述单道成形参数下的单道成形截面尺寸；

根据所述单道成形参数和所述单道成形截面尺寸，对所述电弧增材模型进行三维路径曲面构造，得到所述电弧增材模型的路径曲面；具体包括：根据所述单道成形参数和所述单道成形截面尺寸，对所述电弧增材模型进行分割处理，生成多个分区三维模型；对每个所述分区三维模型构建一个基准路径曲面；基于每个所述分区三维模型对应的基准路径曲面，构建得到每个所述分区三维模型的路径曲面；

对所述路径曲面进行分层切片处理，生成多个分层曲面，及每个分层曲面的多个曲线，并将每个所述分层曲面的多个曲线作为增材路径；具体包括：按照所述基准路径曲面偏移设定距离，生成多个偏移曲面；将所述基准路径曲面和所述多个偏移曲面作为所述分区三维模型的路径曲面；

根据每个所述分层曲面的增材路径生成电弧增材制造加工代码。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据电弧增材模型的模型参数，确定单道成形参数，及所述单道成形参数下的单道成形截面尺寸，包括：

根据所述电弧增材模型的尺寸和壁厚特征进行单道成形电弧增材工艺实验，以确定所述单道成形参数，及所述单道成形参数下的单道成形截面尺寸；

其中，所述单道成形参数包括：电流、电压、送丝速度和成形速度中的至少一种，所述单道成形截面尺寸包括：单道成形截面的宽度和高度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述路径曲面包括：封闭路径曲面和开放路径曲面。

4.一种基于构造曲面的电弧增材制造路径规划装置，其特征在于，包括：

单道成形参数确定模块，用于根据电弧增材模型的模型参数，确定单道成形参数，及所述单道成形参数下的单道成形截面尺寸；

路径曲面获取模块，用于根据所述单道成形参数和所述单道成形截面尺寸，对所述电弧增材模型进行三维路径曲面构造，得到所述电弧增材模型的路径曲面；所述路径曲面获取模块包括：三维模型生成单元，用于根据所述单道成形参数和所述单道成形截面尺寸，对所述电弧增材模型进行分割处理，生成多个分区三维模型；基准路径曲面构建单元，用于对每个所述分区三维模型构建一个基准路径曲面；路径曲面构建单元，用于基于每个所述分区三维模型对应的基准路径曲面，构建得到每个所述分区三维模型的路径曲面；所述路径曲面构建单元包括：偏移曲面生成子单元，用于按照所述基准路径曲面偏移设定距离，生成多个偏移曲面；路径曲面获取子单元，用于将所述基准路径曲面和所述多个偏移曲面作为所述分区三维模型的路径曲面；

增材路径获取模块，用于对所述路径曲面进行分层切片处理，生成多个分层曲面，及每个分层曲面的多个曲线，并将每个所述分层曲面的多个曲线作为增材路径；

增材加工代码生成模块，用于根据每个所述分层曲面的增材路径生成电弧增材制造加工代码。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述单道成形参数确定模块包括：

单道成形参数确定单元，用于根据所述电弧增材模型的尺寸和壁厚特征进行单道成形电弧增材工艺实验，以确定所述单道成形参数，及所述单道成形参数下的单道成形截面尺寸；

其中，所述单道成形参数包括：电流、电压、送丝速度和成形速度中的至少一种，所述单道成形截面尺寸包括：单道成形截面的宽度和高度。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述路径曲面包括：封闭路径曲面和开放路径曲面。