一种电弧熔丝曲面增材位姿建模方法及控制方法技术

一种电弧熔丝曲面增材位姿建模方法及控制方法，包括空间曲面上焊道位置、焊道姿态和焊枪位置、焊枪姿态的描述与几何建模的电弧熔丝曲面增材位姿建模方法，以及采用曲面测地距离参考线偏移的焊道姿态控制方法、采用基于碰撞检测和平顺优化的焊枪自适应姿态控制方法；建立工件坐标系、焊道坐标系和焊枪坐标系来描述空间曲面上焊道和焊枪位姿；焊道姿态由焊道坐标系下的焊道倾角和焊道转角进行建模描述；焊枪姿态由焊枪侧偏角和焊枪行走角来确定；工件坐标系、焊道坐标系和焊枪坐标系可通过齐次坐标变换相互转化。本方法不仅实现对焊道和焊枪的位置与姿态精确控制，而且便于实现机器人空间曲面增材制造的自适应轨迹规划和姿态控制。

A modeling method and control method of position and orientation of arc fuse surface additive

【技术实现步骤摘要】
一种电弧熔丝曲面增材位姿建模方法及控制方法
本专利技术涉及增材制造
，尤其涉及一种电弧熔丝曲面增材位姿建模方法及控制方法。
技术介绍
电弧熔丝增材制造作为一种金属增材制造方法之一，相比于激光、电子束增材制造，具有成形效率高、对于大型构件的成形尺寸无限制、原材料和设备成本低的特点，其主要应用目标是大尺寸复杂构件的低成本、高效快速近净成形，目前已经广泛应用于整体化航天结构件的增材制造和各类大型模具的增材修复再制造。传统的电弧增材制造通常为基于平面分层方式的逐层堆积原理，这种方式在模型表面曲率较大时会产生明显的阶梯效应，导致表明质量差；同时，对于模具的增材修复再制造，通常要求根据模具的热应力状态进行梯度材料修复，梯度材料与模具型腔曲面结构随形分布，传统的平面分层增材制造无法实现这一目的。而电弧熔丝曲面随形增材制造可以从本质上解决上述问题。对于电弧熔丝曲面随形增材制造，增材分层面不再水平，而是随着曲面法向连续变化，与成形零件的曲面结构相适应，焊道成形沿着曲面进行堆积，这种方式与普通水平堆焊完全不同。在电弧熔丝成形过程中，作用在熔滴上的力有电磁力、保护气吹力、重力、表面张力和等离子弧力等。在普通水平电弧熔丝成形过程中，焊道所在平面垂直于重力方向，因此焊道方向与重力方向始终垂直，也即夹角为90°；而在曲面电弧熔丝成形过程中，焊道方向受到曲面结构和成形方向的影响，其与重力方向的夹角在0°到180°之间；堆焊位置不同，成形时重力对熔池的影响也不同。另一方面焊枪位置与焊道位置一同发生变化，焊枪随着曲面结构进行偏斜，电弧轴线也相应改变，从而影响电弧力对熔池的作用。在曲面上进行电弧熔丝随形增材制造时，焊道和焊枪的位姿影响着电弧力方向和重力作用方向，从而形成不同的流动行为，最终影响着成形质量和性能，为此，有必要对电弧熔丝曲面随形增材位姿进行几何建模，以实现对焊道和焊枪的位置与姿态精确控制，便于机器人空间曲面增材制造的自适应轨迹规划和姿态控制。曲面随形增材制造作为一种新的增材制造方式，目前的研究较少，特别是针对电弧熔丝曲面增材的位姿建模及其控制方面未见有相关专利知识产权或学术研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种电弧熔丝曲面增材位姿建模方法及控制方法，以实现对焊道和焊枪的位置与姿态精确控制，便于机器人空间曲面增材制造的自适应轨迹规划和姿态控制。为实现以上目的，本专利技术的技术解决方案是：一种电弧熔丝曲面增材位姿建模方法，该建模方法包括以下步骤：S1、建立工件坐标系{A}，该坐标系为笛卡尔坐标系O0x0y0z0；其中，O0x0y0面为水平平面，O0点的位置和O0x0、O0y0的方向按照工件定位进行确定，O0z0方向与重力方向相反，工件坐标系{A}满足右手定则条件；S2、建立焊道坐标系{B}，该坐标系为笛卡尔坐标系O1x1y1z1；其中，O1点为空间曲面上当前堆焊点在工件坐标系{A}中的位置，即为焊道位置，O1z1方向为O1点在空间曲面上的法矢量方向，O1x1方向为O1点沿堆焊方向在空间曲面上的切向矢量方向，O1y1由右手定则确定；采用向量形式对焊道姿态进行建模：Beadpos＝sinβ*(0，1)+sinα*(1，0)＝(sinα，sinβ)其中，焊道倾角α为O1x1与O0x0y0平面的夹角，当O1x1指向z0一侧时，α为正，当O1x1指向z0的反向时，α为负，α的角度范围为-90°～90°；焊道转角β为O0z0与O1x1z1平面的夹角，β的角度范围为0°～90°；向量Beadpos的第一项表示焊道倾角，第二项表示焊道转角；S3、建立焊枪坐标系{C}，该坐标系为笛卡尔坐标系O2x2y2z2；先建立焊枪初始坐标系O2x’2y’2z’2，其中，O2点为焊丝尖端的中心点，O2点与焊道位置O1点重合，O2x’2与O1x1同向，O2y’2、O2z’2分别与O1y1、O1z1反向，构成焊枪初始坐标系{C’}，然后将焊枪初始坐标系{C’}分别绕x1、y1轴旋转，得到焊枪坐标系{C}-O2x2y2z2；焊枪姿态由焊枪侧偏角和焊枪行走角来确定：焊枪初始坐标系{C’}绕焊道坐标系{B}中x1轴旋转的角度γ为焊枪侧偏角，其中，对着x1O1方向顺时针旋转为正，逆时针旋转为负，γ的角度范围为-90°～90°；焊枪初始坐标系{C’}绕焊道坐标系{B}中y1轴旋转的角度为焊枪行走角，其中，对着y1O1方向顺时针旋转为正，逆时针旋转为负，的角度范围为-90°～90°。步骤S2中，焊道空间位姿由焊道坐标系{B}以及焊道倾角α和焊道转角β进行描述；对于空间中任意焊道姿态，都可分解为等坡平焊和立坡焊。所述焊道坐标系{B}和工件坐标系{A}通过齐次坐标变换相互转化，焊道坐标系{B}在工件坐标系{A}中的焊道位姿矩阵为：其中，列矢量的分量分别为焊道坐标系{B}-O1x1y1z1的三个坐标轴上单位矢量投影到工件坐标系{A}～O0x0y0z0上的向量分量，列矢量为焊道坐标系{B}的原点O1在工件坐标系{A}下的位置坐标；焊道倾角α和焊道转角β与列矢量中各元素的关系如下：所述焊道坐标系{B}经旋转矩阵和变换后得到焊枪坐标系{C}，其中，和分别为：焊枪位姿矩阵与工件坐标系{A}的变换关系为：一种电弧熔丝曲面增材位姿控制方法，所述控制方法包括采用曲面测地距离参考线偏移的焊道姿态控制方法及采用基于碰撞检测和平顺优化的焊枪自适应姿态控制方法；曲面测地距离参考线偏移的焊道姿态控制方法包括以下步骤：对于曲面SA(x，y、z)＝0，选取参考初始曲线F0，则其方程为：计算曲线F0在当前位置点的法平面与曲面SA的交线然后对交线求其对弧长的曲线积分计算出的坐标增量(ΔxA，ΔyA)；其中，d(α，β)为多焊道的搭接宽度；对前一道堆焊轨迹从起点到终点依次动态更新和d(α，β)，计算出下一道的堆焊轨迹；基于碰撞检测和平顺优化的焊枪自适应姿态控制方法包括以下步骤：根据实际焊枪结构尺寸，采用直径等于焊枪最大直径的圆柱面模型来替代实际焊枪结构，圆柱面模型即为焊枪模型；采用基于层次包围盒算法对焊枪模型与待增材工件进行碰撞检测，动态调整焊枪侧偏角γ和焊枪行走角其中，焊枪的初始姿态为γ＝0°，在满足未碰撞条件后，对焊枪轴线角变化率进行平顺优化处理，平顺优化处理后，再次进行碰撞检测，如此反复迭代，直到满足未碰撞条件，输出最终的焊枪侧偏角γ和焊枪行走角所述碰撞检测过程中，优先调整焊枪行走角在给定焊枪行走角范围内遍历迭代；若在给定焊枪行走角的范围内未找到最优焊枪行走角则调整焊枪侧偏角γ，再次调整焊枪行走角如此反复迭代，直到满足未碰撞条件。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1、本专利技术中采用向量的表达形式建立了空间曲面上电弧熔丝增材制造的广义焊道位姿统一模型，简单准确且唯一地描述空间位置上任意焊道姿态。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电弧熔丝曲面增材位姿建模方法，其特征在于，该建模方法包括以下步骤：/nS1、建立工件坐标系{A}，该坐标系为笛卡尔坐标系O

【技术特征摘要】
1.一种电弧熔丝曲面增材位姿建模方法，其特征在于，该建模方法包括以下步骤：
S1、建立工件坐标系{A}，该坐标系为笛卡尔坐标系O0x0y0z0；
其中，O0x0y0面为水平平面，O0点的位置和O0x0、O0y0的方向按照工件定位进行确定，O0z0方向与重力方向相反，工件坐标系{A}满足右手定则条件；
S2、建立焊道坐标系{B}，该坐标系为笛卡尔坐标系O1x1y1z1；
其中，O1点为空间曲面上当前堆焊点在工件坐标系{A}中的位置，即为焊道位置，O1z1方向为O1点在空间曲面上的法矢量方向，O1x1方向为O1点沿堆焊方向在空间曲面上的切向矢量方向，O1y1由右手定则确定；
采用向量形式对焊道姿态进行建模：
Beadpos＝sinβ*(0，1)+sinα*(1，0)＝(sinα，sinβ)
其中，焊道倾角α为O1x1与O0x0y0平面的夹角，当O1x1指向z0一侧时，α为正，当O1x1指向z0的反向时，α为负，α的角度范围为-90°～90°；焊道转角β为O0z0与O1x1z1平面的夹角，β的角度范围为0°～90°；向量Beadpos的第一项表示焊道倾角，第二项表示焊道转角；
S3、建立焊枪坐标系{C}，该坐标系为笛卡尔坐标系O2x2y2z2；
先建立焊枪初始坐标系O2x’2y’2z’2，其中，O2点为焊丝尖端的中心点，O2点与焊道位置O1点重合，O2x’2与O1x1同向，O2y’2、O2z’2分别与O1y1、O1z1反向，构成焊枪初始坐标系{C’}，然后将焊枪初始坐标系{C’}分别绕x1、y1轴旋转，得到焊枪坐标系{C}-O2x2y2z2；
焊枪姿态由焊枪侧偏角和焊枪行走角来确定：
焊枪初始坐标系{C’}绕焊道坐标系{B}中x1轴旋转的角度γ为焊枪侧偏角，其中，对着x1O1方向顺时针旋转为正，逆时针旋转为负，γ的角度范围为-90°～90°；
焊枪初始坐标系{C’}绕焊道坐标系{B}中y1轴旋转的角度为焊枪行走角，其中，对着y1O1方向顺时针旋转为正，逆时针旋转为负，的角度范围为-90°～90°。


2.根据权利要求1所述的一种电弧熔丝曲面增材位姿建模方法，其特征在于：步骤S2中，焊道空间位姿由焊道坐标系{B}以及焊道倾角α和焊道转角β进行描述；对于空间中任意焊道姿态，都可分解为等坡平焊和立坡焊。


3.根据权利要求1所述的一种电弧熔丝曲面增材位姿建模方法，其特征在于：所述焊道坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦训鹏，倪茂，胡泽启，杨世明，纪飞龙，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42