一种层内无搭接的电弧增材制造路径规划方法技术

本发明专利技术提供了一种层内无搭接的电弧增材制造路径规划方法，适用于电弧增材制造过程，可解决现有电弧增材路径规划方法造成的起弧点、收弧点、多道搭接处过多导致成形质量不稳定，以及程序量大、需要分部上传程序导致效率降低的问题。该方法对电弧增材制造结构件添加加工余量，使其分层截面形状简化为带有余量的、较为规则的形状，在此基础上提取分层截面上的线型特征组合，并进一步形成线型路径，最后依靠摆动填充完成截面内的增材路径规划。该方法大大减少了电弧增材制造程序语句及起弧、收弧点数量，消除了道间搭接，有助于电弧增材制造效率与质量的提升。

【技术实现步骤摘要】
一种层内无搭接的电弧增材制造路径规划方法
本专利技术涉及增材制造技术，特别涉及一种电弧增材制造路径规划方法，适用于电弧增材制造(WireArcAdditiveManufacturing，WAAM)过程。
技术介绍
增材制造技术是近年来新兴并快速发展的一种制造技术。电弧增材制造技术基于传统的焊接工艺，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，按照分层切片、路径规划程序，通过逐层熔化沉积金属丝成形结构件。在电弧增材制造过程中，需要对模型进行分层切片，并对每个切片截面进行路径规划，再使用机器人或机床等运动装置实现预设轨迹的运动。对于复杂构件某一截面的增材路径规划，一般有两类路径规划方法，一是基于扫描填充的路径规划方法，二是基于轮廓填充的路径规划方法。前者一般先沉积截面轮廓，再将截面上轮廓内的部分进行全部扫描填充；后者一般依据单道沉积宽度，对一层内的各形状轮廓进行不同比例的相似轮廓扫描，两种轨迹规划的方法示意图如图1。在上述路径规划方法中，当一道成形的宽度有限时，一方面可采用多道搭接的方式填充截面形状(多道搭接示意如图2)，另一方面可使用焊枪摆动的方法提高单道成形宽度(如图3)。为解决电弧增材制造多道搭接时容易在搭接处产生缺陷的问题，专利《一种基于机械臂摆动的电弧增材制造道间搭接方法》(申请公布号：CN107876938A，申请号：201710959782.5)公开了一种通过焊枪摆动提高电弧增材制造单道沉积的润湿性，从而改善道间搭接处性能的电弧增材道间搭接方法。但是该方法无法完全避免道间搭接，其分层路径规划时仍有大量需要搭接的轨迹。为解决电弧增材制造多道搭接成形大壁厚铝合金结构件时道间搭接处力学性能不良的问题，专利《一种单道电弧摆动增材成形大壁厚铝合金结构件的方法》(申请公布号：CN107052520A，申请号：201710250370.4)公开了一种通过焊枪摆动增加单道沉积成形宽度制造大壁厚铝合金结构件的方法，在一定的摆动参数下可实现20mm壁厚铝合金结构件的电弧增材。但是，该方法在壁厚大于20mm时仍需使用搭接轨迹，并且未提出如何在路径规划时减少或消除搭接。对于某一结构件的任意截面，其可能存在多个区域，区域形状可为复杂不规则形状。现有基于多道搭接的路径规划方式会使电弧增材层内存在大量的起弧点、收弧点(起弧点和收弧点为连续轨迹的端点，如图4)，且程序数据量巨大。每层成形的程序数据增加会导致整体程序数据量增加，特别是对于复杂结构件，将使得整体程序数据量过大，由于电弧增材设备无法一次储存足够多的数据，因此会造成程序数据需分多次读取、删除、再读取，降低生产效率。起弧点、收弧点和层内多道搭接处易产生缺陷，起弧、收弧及层内道间搭接情况出现过多会影响产品质量，导致成形结构件废品率提升。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出一种层内无搭接的电弧增材制造路径规划方法，该方法对电弧增材结构件添加加工余量后进行分层切片，提取其每一分层截面的形状，并将截面形状全部简化为线型特征，从中提取出线型路径，最终以摆动填充的方式实现截面电弧增材路径的全部填充，用于解决现有电弧增材路径规划方法造成的起弧点、收弧点、多道搭接处过多导致成形质量不稳定，以及程序量大、需要分步上传程序导致效率降低的问题。本专利技术的目的在于提供以下技术方案：一种层内无搭接的电弧增材制造路径规划方法，包括以下步骤：步骤1，加工余量设计：对电弧增材制造结构件添加加工余量，使其分层切片后的截面形状为带有余量的、较为规则的形状；步骤2，提取截面形状：对电弧增材制造模型进行分层切片，获得结构件每一分层的截面形状数据；步骤3，提取线型路径：依据添加加工余量后的截面形状特征，将其简化为若干线型特征，并依据线型特征提取一条线型路径或多段线型路径；步骤4，添加摆动填充：对每条路径都依据选用的摆动方式和所需沉积宽度设定相应的摆动参数，保证摆动后沉积宽度和沉积高度满足要求。本专利技术与现有技术相比的带来了以下有益效果：(1)依据电弧增材制造技术以制造毛坯件为主的技术特点，在保证制造出的结构件尺寸合格、加工余量充裕的前提下，通过提取截面特征和简化线型路径，减少了层内程序中重复起弧、收弧、定点的程序语句，大大减少了程序数据总量，有利于实现制造复杂结构件时程序的一次性读取。(2)通过提取截面特征和提取线型路径的路径规划方式，极大地减少了层内电弧增材成形中起弧点和收弧点数量(如图6所示)，降低了因起弧点和收弧点过多导致结构件内部产生缺陷的概率，有助于改善结构件的整体质量。(3)通过提取线型路径，实现单道摆动填充成形结构件分层切片后的任意截面形状，避免了增材时的多道搭接，进而避免了因多道搭接导致的力学性能不足、易产生缺陷等问题。附图说明图1为基于截面形状扫描和基于形状轮廓同比例扫描路径规划方法的示意图；图2为多道搭接示意图，其中，图2a为基于扫描填充的多道搭接示意图，图2b为基于轮廓填充的多道搭接示意图，图2c为多道搭接处结构示意图；图3为焊枪不摆动/摆动下单道宽度示意图，其中，图3a为焊枪不摆动下单道宽度示意图，图3b为焊枪摆动下单道宽度示意图；图4为基于截面形状扫描填充和基于形状轮廓填充同比例扫描路径规划时起弧点和收弧点位置示意图，其中，图4a为基于扫描填充的起弧点和收弧点位置示意图，图4b为基于轮廓填充的起弧点和收弧点位置示意图；图5为本专利技术中两种带有加工余量的形状设计方法示意图，其中，图5a为完全等壁厚下加工余量设计示意图，图5b为多段等壁厚下加工余量设计示意图；图6为本专利技术中路径规划方法的起弧点和收弧点位置示意图，其中，图6a为提取路径示意图，图6b为摆动填充下实际路径示意图，图6c为带有起弧点和收弧点的示意图；图7为本专利技术实施例1的具体实施步骤示意图；图8为三种典型结构件的结构示意图，其中，图8a为结构件1块体结构示意图，图8b为结构件2圆环结构示意图，图8c为结构件3框架结构示意图；图9为典型结构件1块体的三种路径规划方法示意图，其中，图9a为采用本专利技术路径规划方法示意图，图9b为基于轮廓填充的路径规划方法示意图，图9c为基于扫描填充的路径规划方法示意图；图10为典型结构件2圆环的三种路径规划方法示意图，其中，图10a为采用本专利技术路径规划方法示意图，图10b为基于轮廓填充的路径规划方法示意图，图10c为基于扫描填充的路径规划方法示意图；图11为典型结构件3框体的三种路径规划方法示意图，其中，图11a为采用本专利技术路径规划方法示意图，图11b为基于轮廓填充的路径规划方法示意图，图11c为基于扫描填充的路径规划方法示意图。具体实施方式下面通过对本专利技术进行详细说明，本专利技术的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。本专利技术主要通过加工余量设计、提取截面形状、提取线型路径、添加摆动填充的方式，实现层内无多道搭接的增材路径规划。技术特点是对电弧增材制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种层内无搭接的电弧增材制造路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，加工余量设计：对电弧增材制造结构件添加加工余量，使其分层切片后的截面形状为带有余量的、较为规则的形状；/n步骤2，提取截面形状：对电弧增材制造模型进行分层切片，获得结构件每一分层的截面形状数据；/n步骤3，提取线型路径：依据添加加工余量后的截面形状特征，将其简化为若干线型特征，并依据线型特征提取一条线型路径或多段线型路径；/n步骤4，添加摆动填充：对每条路径都依据选用的摆动方式和所需沉积宽度设定相应的摆动参数，保证摆动后沉积宽度和沉积高度满足要求。/n

【技术特征摘要】
1.一种层内无搭接的电弧增材制造路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，加工余量设计：对电弧增材制造结构件添加加工余量，使其分层切片后的截面形状为带有余量的、较为规则的形状；
步骤2，提取截面形状：对电弧增材制造模型进行分层切片，获得结构件每一分层的截面形状数据；
步骤3，提取线型路径：依据添加加工余量后的截面形状特征，将其简化为若干线型特征，并依据线型特征提取一条线型路径或多段线型路径；
步骤4，添加摆动填充：对每条路径都依据选用的摆动方式和所需沉积宽度设定相应的摆动参数，保证摆动后沉积宽度和沉积高度满足要求。


2.根据权利要求1所述的一种层内无搭接的电弧增材制造路径规划方法，其特征在于，步骤1中，当路径方向上结构件截面形状的宽度变化较小时，将结构件简化为完全等壁厚结构件，使其截面形状上各处宽度保持一致；当路径方向上结构件截面形状的宽度变化较大时，将结构件简化为多段等壁厚结构件，使其截面形状上的宽度为多段相等的宽度，其中，宽度变化较小满足变化率≤50％，宽度变化较大满足变化率＞50％。


3.根据权利要求1所述的一种层内无搭接的电弧增材制造路径规划方法，其特征在于，步骤1中，加工余量设计中，整个结构件的三维形状的单边加工余量为1～10mm。


4.根据权利要求1所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏江舟，何智，韩维群，王志敏，王殿政，步贤政，陈宏伟，张铁军，干建宁，
申请(专利权)人：北京航星机器制造有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11