电弧填丝增材制造分层切片工艺变量自动计算方法技术

本发明专利技术公开了一种电弧填丝增材制造分层切片工艺变量自动计算方法，首先分层切片并设定层片的堆积尺寸，设计样本数据并建立由工艺变量计算堆积层尺寸的数学模型；设定初始工艺变量值，代入数学模型计算堆积层尺寸，将计算与设定的堆积层尺寸进行比较；如果误差超出设定阈值，根据工艺变量与堆积层尺寸的作用关系，调节工艺变量并代入数学模型计算新的堆积层尺寸，如此反复循环计算，直至调节的工艺变量计算出的堆积层尺寸误差在设定阈值内，本发明专利技术方法可以自动计算分层切片工艺变量，无需建立由堆积层尺寸计算工艺变量的数学模型，避免了工艺变量计算精度低的问题，同时有效解决了人工调试工艺变量自动化程度低的缺点。

【技术实现步骤摘要】
电弧填丝增材制造分层切片工艺变量自动计算方法
本专利技术属于电弧填丝增材制造
，具体涉及一种电弧填丝增材制造分层切片工艺变量自动计算方法。
技术介绍
电弧填丝增材制造以焊接电弧作为热源，金属丝材为熔化材料，根据金属构件的三维模型分层切片，逐层堆积形成全焊缝的金属构件。该技术有设备成本低、堆积效率高、成形件冶金结合性能好等一系列优点，因而广泛用于大型尺寸金属结构件的制造。在电弧填丝增材制造中，首先需要根据金属构件的三维模型进行分层切片，获得每个层片的层高与层宽参量，然后设计合适的试验工艺变量完成层片内堆积层尺寸的成形。因此，前期需要设计试验数据建立工艺变量与层宽、层高的数学模型，常用的方法有传统回归建模和神经网络方法。由于工艺变量多，层片尺寸变量少，目前建立的数学模型都是已知试验工艺变量来计算层宽和层高。但是，一般在三维模型分层切片后，已知参量是设定的层宽和层高，故而需要计算试验工艺变量。解决此类问题的方法有两种：一种是对数学模型进行工艺变量的多自变量求解，但是工艺变量个数多于因变量个数，方程难以求解或模型计算精度低；另一种方法是根据建立的数学模型不断进行人工调试工艺变量，直至计算出预设的层高和层宽为止，但过程自动化程度低且耗时量大。因此，亟需开发一种由已知的分层切片尺寸自动计算堆积工艺变量的方法，从而解决电弧填丝增材制造分层切片工艺变量自动计算的难题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决电弧填丝增材制造分层切片过程工艺变量难以求解及自动计算的难题，提供一种电弧填丝增材制造分层切片工艺变量自动计算方法。为实现上述专利技术目的，本专利技术技术方案如下：一种电弧填丝增材制造分层切片工艺变量自动计算方法，包括以下步骤：(1)对金属构件三维模型进行分层切片，获得每个层片的设定层高LHset和层宽LWset；(2)设计电弧填丝增材制造试验工艺变量样本，确定每个工艺变量的取值范围，完成所有工艺变量样本的工艺试验，测量对应工艺变量组合下的层高和层宽尺寸；(3)将设计的电弧填丝增材制造工艺变量样本和测量的层高、层宽尺寸作为建模数据，以工艺变量为输入变量，测量的层高和层宽为输出变量，建立由工艺变量计算层高和层宽的数学模型；设计验证样本数据，对所述数学模型的精度进行验证；(4)任意选定一组工艺变量初始值，每个工艺变量初始值在步骤(2)所述的对应工艺变量取值范围内，将工艺变量初始值导入步骤(3)建立的数学模型中，计算层高LH和层宽LW尺寸，令设定层高与计算层高的误差ELH＝100％×(LH-LHset)/LHset，设定层宽与计算层宽的误差ELw＝100％×(LW-LWset)/LWset；设定误差阈值Eset(Eset>0)，循环次数初始值n＝0，总循环次数为N；(5)如果|ELH|≤Eset且|ELw|≤Eset，则表示分层切片工艺变量计算成功；(6)如果|ELH|>Eset或|ELw|>Eset，则分为以下四种情况进行处理：(a)ELH>0且ELw>0，则减小对层高和层宽正影响的单一工艺变量或增大对层高和层宽负影响的单一工艺变量；(b)ELH<0且ELw<0，则增大对层高和层宽正影响的单一工艺变量或减小对层高和层宽负影响的单一工艺变量；(c)ELH<0且ELw>0，则减小对层高负影响且对层宽正影响的单一工艺变量；(d)ELH>0且ELw<0，则增大对层高负影响且对层宽正影响的单一工艺变量；(7)令n＝n+1，将步骤(6)调节的工艺变量代入步骤(3)建立的数学模型中，计算层高LH和层宽LW；如果|ELH|≤Eset且|ELw|≤Eset且n≤N，则表示分层切片工艺变量计算成功；如果|ELH|>Eset或|ELw|>Eset，且n<N，则继续重复步骤(6)-(7)；如果|ELH|>Eset或|ELw|>Eset且n＝N，则结束循环过程，表示设定的层高和层宽尺寸不合理。作为优选方式，步骤(2)中所述的工艺变量包括层间温度。作为优选方式，步骤(2)中所述的工艺试验是通过下述方式进行的：先在基板上堆积四层单道，然后控制层间温度进行第五至十层的堆积。作为优选方式，步骤(2)中所述的层高和层宽尺寸是测量的第五至第十层的平均层高和平均层宽尺寸。作为优选方式，步骤(3)中所述的数学模型是通过传统回归拟合或神经网络方法建立的。作为优选方式，步骤(4)中所述的工艺变量初始值是步骤(2)对应工艺变量取值范围的中点值。作为优选方式，步骤(6)中所述的单一工艺变量，其减小或增大的步长是步骤(4)中对应工艺变量初始值的1％-5％。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术提出了一种电弧填丝增材制造分层切片工艺变量自动计算方法，设计样本数据库，建立由工艺变量计算堆积层尺寸的数学模型，任意设定初始工艺变量值，代入数学模型计算堆积层尺寸，将计算与设定的堆积层尺寸进行比较，如果误差超出设定阈值，根据工艺变量与堆积层尺寸的影响关系，调节单一工艺变量并代入数学模型计算新的堆积层尺寸，如此反复自动计算，直至堆积层尺寸误差在设定阈值内。本专利技术方法无需建立由堆积层尺寸计算工艺变量的数学模型，避免了传统工艺变量预测模型计算精度低的问题，同时有效解决了人工调试工艺变量自动化程度低的缺点，为电弧填丝增材制造分层切片工艺变量的自动计算提供了可靠的技术支撑。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。本实施例的试验条件为：电弧填丝增材制造热源为熔化极气体保护焊机PanasonicYD-500FR，焊枪安装在由三轴步进电机组成的三自由度运动平台上，电机控制焊枪的行走速度，基板为Q235低碳钢，基板尺寸为200mm×120mm×10mm，填充丝材为ER50-6，丝材直径为1.2mm，增材制造用保护气为95Ar％+5％CO2，保护气流量为18L/min，焊枪喷嘴到基板或堆积层表面的距离设定为12mm。堆积的薄壁件为十层单道结构，每层的成形长度为150mm，共堆积十层，每层的试验工艺变量保持相同，层间温度控制在120℃，相邻层间的堆积方向相反，堆积路径为直线。一种电弧填丝增材制造分层切片工艺变量自动计算方法，包括以下步骤：(1)对金属构件三维模型进行分层切片，获得每个层片的设定层高LHset和层宽LWset；(2)设计电弧填丝增材制造试验工艺变量样本，确定每个工艺变量的取值范围，如表1所示，完成所有工艺变量样本的工艺试验，试验的具体过程是先在基板上堆积四层单道，然后控制层间温度为120℃进行第五至十层的堆积。待试样冷却至室温后，测量对应工艺变量组合下的层高和层宽尺寸，如表2所示为第五至第十层的平均层高和平均层宽尺寸；表1试验工艺变量范围表2试验工艺变量样本(3)将设计的电弧填丝增材制造工艺变量样本和测量的平均层高、平均层宽作为建模数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电弧填丝增材制造分层切片工艺变量自动计算方法，其特征在于包括以下步骤：(1)对金属构件三维模型进行分层切片，获得每个层片的设定层高LHset和层宽LWset；(2)设计电弧填丝增材制造试验工艺变量样本，确定每个工艺变量的取值范围，完成所有工艺变量样本的工艺试验，测量对应工艺变量组合下的层高和层宽尺寸；(3)将设计的电弧填丝增材制造工艺变量样本和测量的层高、层宽尺寸作为建模数据，以工艺变量为输入变量，测量的层高和层宽为输出变量，建立由工艺变量计算层高和层宽的数学模型；设计验证样本数据，对所述数学模型的精度进行验证；(4)任意选定一组工艺变量初始值，每个工艺变量初始值在步骤(2)所述的对应工艺变量取值范围内，将工艺变量初始值导入步骤(3)建立的数学模型中，计算层高LH和层宽LW尺寸，令设定层高与计算层高的误差ELH＝100％×(LH‑LHset)/LHset，设定层宽与计算层宽的误差ELw＝100％×(LW‑LWset)/LWset；设定误差阈值Eset(Eset>0)，循环次数初始值n＝0，总循环次数为N；(5)如果|ELH|≤Eset且|ELw|≤Eset，则表示分层切片工艺变量计算成功；(6)如果|ELH|>Eset或|ELw|>Eset，则分为以下四种情况进行处理：(a)ELH>0且ELw>0，则减小对层高和层宽正影响的单一工艺变量或增大对层高和层宽负影响的单一工艺变量；(b)ELH<0且ELw<0，则增大对层高和层宽正影响的单一工艺变量或减小对层高和层宽负影响的单一工艺变量；(c)ELH<0且ELw>0，则减小对层高负影响且对层宽正影响的单一工艺变量；(d)ELH>0且ELw<0，则增大对层高负影响且对层宽正影响的单一工艺变量；(7)令n＝n+1，将步骤(6)调节的工艺变量代入步骤(3)建立的数学模型中，计算层高LH和层宽LW；如果|ELH|≤Eset且|ELw|≤Eset且n≤N，则表示分层切片工艺变量计算成功；如果|ELH|>Eset或|ELw|>Eset，且n<N，则继续重复步骤(6)‑(7)；如果|ELH|>Eset或|ELw|>Eset且n＝N，则结束循环过程，表示设定的层高和层宽尺寸不合理。...

【技术特征摘要】
1.一种电弧填丝增材制造分层切片工艺变量自动计算方法，其特征在于包括以下步骤：(1)对金属构件三维模型进行分层切片，获得每个层片的设定层高LHset和层宽LWset；(2)设计电弧填丝增材制造试验工艺变量样本，确定每个工艺变量的取值范围，完成所有工艺变量样本的工艺试验，测量对应工艺变量组合下的层高和层宽尺寸；(3)将设计的电弧填丝增材制造工艺变量样本和测量的层高、层宽尺寸作为建模数据，以工艺变量为输入变量，测量的层高和层宽为输出变量，建立由工艺变量计算层高和层宽的数学模型；设计验证样本数据，对所述数学模型的精度进行验证；(4)任意选定一组工艺变量初始值，每个工艺变量初始值在步骤(2)所述的对应工艺变量取值范围内，将工艺变量初始值导入步骤(3)建立的数学模型中，计算层高LH和层宽LW尺寸，令设定层高与计算层高的误差ELH＝100％×(LH-LHset)/LHset，设定层宽与计算层宽的误差ELw＝100％×(LW-LWset)/LWset；设定误差阈值Eset(Eset&gt;0)，循环次数初始值n＝0，总循环次数为N；(5)如果|ELH|≤Eset且|ELw|≤Eset，则表示分层切片工艺变量计算成功；(6)如果|ELH|&gt;Eset或|ELw|&gt;Eset，则分为以下四种情况进行处理：(a)ELH&gt;0且ELw&gt;0，则减小对层高和层宽正影响的单一工艺变量或增大对层高和层宽负影响的单一工艺变量；(b)ELH&lt;0且ELw&lt;0，则增大对层高和层宽正影响的单一工艺变量或减小对层高和层宽负影响的单一工艺变量；(c)ELH&lt;0且ELw&gt;0，则减小对层高负影响且对层宽正影响的单一工艺变量；(d)ELH...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊俊，柯扬，尹紫秋，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51