一种机器人GMA-AM过程电弧填丝3D打印控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术属于金属增材制造领域，具体是一种机器人GMA‑AM过程电弧填丝3D打印控制系统，包括：模型预处理模块，切片模块，路径规划模块，焊接控制模块。模型预处理模块包括：数据提取筛选模块，拓扑关系构建模块。焊接控制模块包括：运动指令生成模块，实时数据传输模块。解决了现有的增材制造系统存在适用的三维模型体积小，不能用于不方便减材的大型金属构件的生产；各家焊接机器人的运动指令体系、格式有所不同；内置的PR寄存器远不足以储存全部路径点；增材系统仅完成简单的层层堆叠，并未针对模型的几何特征设计更适合的路径填充规划方法的技术问题。

A 3D printing control system and control method of gma-am process arc filling wire

【技术实现步骤摘要】
一种机器人GMA-AM过程电弧填丝3D打印控制系统及控制方法
本专利技术属于金属增材制造领域，具体是一种机器人GMA-AM过程电弧填丝3D打印控制系统及控制方法。
技术介绍
机器人电弧填丝3D打印因其成形效率高、成本低、力学性能好、制造周期短、系统开放不受零件结构尺寸和材料限制等优点，在金属3D打印领域具有广阔的应用前景。金属的高性能3D打印技术被业内普遍看作是最具难度和前景的前沿发展方向，也是最直接的可服务于装备制造业的成形技术。其中熔化极气体保护电弧增材制造(GasMetalArc-AdditiveManufacturing，GMA-AM)因其成形效率高、成本低、力学性能好、制造周期短、系统开放不受零件结构尺寸和材料限制等优点，尤其是具有其它增材制造技术不可比拟的效率与成本优势，几乎可以用于所有金属的快速制造和自由制造，在金属3D打印领域具有广阔的应用前景。在机器人电弧填丝3D打印中，其打印路径规划及打印过程中的机器人控制方法是关键。目前，已开源的经典增材制造软件如slic3r、cura等，均为用于高分子材料增材制造的软件，适用的三维模型体积小，轮廓细节的尺寸相对总体积来说更小且复杂。而焊缝作为电弧增材的基本单位，其本身的尺寸(熔宽和熔高)与高分子增材的粉末原料完全不在一个量级上，无法达到高分子材料所能达到的精细度，按照原有的处理模式无法进行电弧增材制造。电弧增材使用的领域多为航空航天业，用于不方便减材的大型金属构件的生产，使用场景也与高分子材料增材制造完全不同。此外，各家焊接机器人的运动指令体系、格式有所不同，例如FANUC机器人不使用通用的GCODE作为运动指令。并且增材对于焊接机器人来说属于非常复杂的多层多道焊，所走过的路径点远远多于普通的焊接作业，内置的PR寄存器远不足以储存全部路径点。根据文献检索，国内已申请的电弧增材方面的专利大多数与工艺相关，如利用激光、铣削等各种工艺流程优化电弧增材过程与结果。在电弧增材系统的解决方案与路径规划算法方面申请号为CN201710565906.1的“一种金属零件的增材制造方法”的专利，其增材系统仅完成简单的层层堆叠，并未针对模型的几何特征设计更适合的路径填充规划方法。综上所述，现有的电弧增材制造存在适用的三维模型体积小，不能用于不方便减材的巨大工件的生产；各家焊接机器人的运动指令体系、格式有所不同；内置的PR寄存器远不足以储存全部路径点；增材系统仅完成简单的层层堆叠，并未针对模型的几何特征设计更适合的路径填充规划方法的缺点。
技术实现思路
鉴于以上问题，本专利技术侧重以下三点：1、构建为电弧增材定制的增材制造系统，在处理模型数据的过程中以焊缝为基本单位进行考量；2、设计优化适用于电弧增材的切片算法和多种路径规划方法；3、在FANUC机器人平台上定制信息传输方式与控制方式，实现非GCODE运动控制。本专利技术针对现有通用增材制造系统的不足，基于机器人GMA-AM过程提出了一种机器人电弧填丝3D打印控制系统的实现方法，重点是其中的路径规划方法，并在FANUC焊接机器人上实现了这一方法。主要包括：三维模型预处理、三维模型切片算法、骨骼偏置路径规划算法、之字形填充路径规划算法、机器人运动指令文件格式适配及机器人实时控制等。具有适用巨大工件的生产，实现非GCODE运动控制，可根据焊接进度实时传输路径点坐标，设计了优化适用于电弧增材路径规划的方法的优点。本专利技术是通过以下方法来实现的：一种机器人GMA-AM过程电弧填丝3D打印控制系统，包括：模型预处理模块，切片模块，路径规划模块，机器人控制模块；所述模型预处理模块，将导入的三维模型文件优化处理，保留下电弧增材可展示的模型细节，利用拓扑关系构建成一个自定义的包含拓扑信息的三维模型；所述切片模块，将所述三维模型与一组垂直于Z轴的切平面相交，根据所述切平面的高度差，形成一组与所述三维模型形成相交平行于XY平面的互相平行的二维切面；所述路径规划模块，根据模型几何特征，选择合适的路径规划算法，对各层二维切面进行路径规划；所述机器人控制模块，将规划的所述路径转化成实际运行的运动文件，并且实时向位置寄存器传输接下来的路径点坐标。进一步的，所述模型预处理模块，进一步包括：数据提取筛选模块，拓扑关系构建模块；所述数据提取筛选模块，从所述三维模型文件中，提取出点坐标和法向量，作为原始数据，对所述原始数据进行优化，设置内置阀值进行筛选和规范化，去掉冗余点和冗余线段，保留下来的模型细节在电弧增材可展示的合理范围内；所述三维模型文件为STL文件，同时兼容ASCll与二进制格式的STL文件；所述拓扑关系构建模块，对所述几何单位进行拓扑关系计算，建立起整个所述三维模型的邻接关系，构建成一个自定义的所述包含拓扑信息的所述三维模型。具体来说，拓扑关系计算，包括，面与点的包含关系，点与面的被包含关系，面与面的相邻关系，并将所有拓扑关系保存在自定义点与自定义面中，转化为软件内自定义的几何单位，并且与所述模型所有三角网格的边界框、高度范围等信息相结合，形成一张完整的关系网。进一步的，所述切片模块，进一步包括，对每个所述切平面进行计算：对于高度为hi的所述切平面，从所述包含拓扑信息的三维模型中，提取出拓扑关系中高度hi上相关的所有三角网格，依次将所述三角网格按照相邻的顺序与所述切平面求相交线段，相邻平面上的线段首尾相接得到高度hi上的二维轮廓；若所述二维轮廓为非封闭的，或者所述二维轮廓封闭，但除所述二维轮廓封闭部分之外还存在剩余冗余线段，对一定距离阀值范围内所述线段进行合并或剔除，最终得到每个高度上的所述二维切面。所述路径规划模块包括骨骼偏置路径规划算法和之字形填充路径规划算法。进一步的，所述路径规划模块采用骨骼偏置路径规划算法对各层二维切面进行路径规划，具体包括；利用中轴转化算法，将封闭的所述二维轮廓转换为图形的骨骼；根据路径间隔对中轴进行内外两个方向的偏置，对所述骨骼提取产生实际路径。所述中轴，由一系列圆心组成，所述圆心对应的圆为在所述图形内部的每个地方可以得到的最大的圆，将所述最大的圆的圆心连接在一起就得到了所述图形的中轴；进一步的，所述中轴转换算法，具体为：计算每一对轮廓线段的二等分线，在所述二等分线划分出来的每个区域中，选取距离边界最近的所述二等分线作为所述中轴，将每个区域的所述二等分线组合，形成封闭轮廓的中轴。进一步的，所述路径规划模块采用之字形填充路径规划算法对各层二维切面进行路径规划，具体包括：所述之字形填充路径规划算法模块，在选定的方向上生成一组间隔为焊缝间距的无线长光谱线，与所述二维轮廓求交点后获得一组轮廓内的光谱线段，利用打分机制进行线段的排序与方向确定，连接形成完整路径。进一步的，所述打分机制，基于所述之字形填充路径规划算法的全过程随时进行网格化处理；使用所述打分机制前，进行候选线段的查找，在已排序的最后一条线段的周围的设定范围内，判断每个格点是否为某条线路的端点；...

【技术保护点】
1.一种机器人GMA-AM过程电弧填丝3D打印控制系统，其特征在于，包括：模型预处理模块，切片模块，路径规划模块，机器人控制模块；/n所述模型预处理模块，将导入的三维模型文件优化处理，保留下电弧增材可展示的模型细节，利用拓扑关系构建成一个自定义的包含拓扑信息的三维模型；/n所述切片模块，将所述三维模型与一组垂直于Z轴的切平面相交，根据所述切平面的高度差，形成一组与所述三维模型形成相交平行于XY平面的互相平行的二维切面；/n所述路径规划模块，对各层二维切面进行路径规划；/n所述机器人控制模块，将规划的所述路径转化成实际运行的运动文件，并且实时向位置寄存器传输接下来的路径点坐标。/n

【技术特征摘要】
1.一种机器人GMA-AM过程电弧填丝3D打印控制系统，其特征在于，包括：模型预处理模块，切片模块，路径规划模块，机器人控制模块；
所述模型预处理模块，将导入的三维模型文件优化处理，保留下电弧增材可展示的模型细节，利用拓扑关系构建成一个自定义的包含拓扑信息的三维模型；
所述切片模块，将所述三维模型与一组垂直于Z轴的切平面相交，根据所述切平面的高度差，形成一组与所述三维模型形成相交平行于XY平面的互相平行的二维切面；
所述路径规划模块，对各层二维切面进行路径规划；
所述机器人控制模块，将规划的所述路径转化成实际运行的运动文件，并且实时向位置寄存器传输接下来的路径点坐标。


2.根据权利要求1所述的机器人GMA-AM过程电弧填丝3D打印控制系统，其特征在于，所述模型预处理模块，进一步包括：数据提取筛选模块，拓扑关系构建模块；
所述数据提取筛选模块，从所述三维模型文件中，提取出点坐标和法向量，作为原始数据，对所述原始数据进行优化，设置内置阀值进行筛选和规范化，去掉冗余点和冗余线段，保留下来的模型细节在电弧增材可展示的合理范围内；
所述三维模型文件为STL文件，同时兼容ASCII与二进制格式的STL文件；
所述拓扑关系构建模块，对几何单位进行拓扑关系计算，建立起整个所述三维模型的邻接关系，构建成一个自定义的所述包含拓扑信息的所述三维模型；具体来说，拓扑关系计算，包括，面与点的包含关系，点与面的被包含关系，面与面的相邻关系，并将所有拓扑关系保存在自定义点与自定义面中，转化为软件内自定义的所述几何单位，并且与所述模型所有三角网格的边界框、高度范围等信息相结合，形成一张完整的关系网。


3.根据权利要求1所述的机器人GMA-AM过程电弧填丝3D打印控制系统，其特征在于，所述切片模块，进一步包括，对每个所述切平面进行计算：
对于高度为hi的所述切平面，从所述包含拓扑信息的三维模型中，提取出拓扑关系中高度hi上相关的所有三角网格，依次将所述三角网格按照相邻的顺序与所述切平面求相交线段，相邻平面上的线段首尾相接得到高度hi上的二维轮廓；
若所述二维轮廓为非封闭的，或者所述二维轮廓封闭，但除所述二维轮廓封闭部分之外还存在剩余冗余线段，对一定距离阀值范围内所述线段进行合并或剔除，最终得到每个高度上的所述二维切面。


4.根据权利要求3所述的机器人GMA-AM过程电弧填丝3D打印控制系统，其特征在于，所述路径规划模块采用骨骼偏置路径规划算法对各层二维切面进行路径规划，具体包括；
利用中轴转化算法，将封闭的所述二维轮廓转换为图形的骨骼；根据路径间隔对中轴进行内外两个方向的偏置，对所述骨骼提取产生实际路径。


5.根据权利要求3所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：许燕玲，葛羽，陈善本，杨乘东，刘杰南，吕娜，侯震，
申请(专利权)人：上海交通大学，上海电气核电集团有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31