一种用于模具电弧增材再制造的机器人焊枪位姿检测与调整系统技术方案

本发明专利技术涉及一种电弧增材再制造过程中的焊枪姿态检测与调整系统。该系统包含路径规划与焊枪姿态初始化系统、焊枪位姿检测系统和焊枪位姿调整系统。焊枪位姿检测系统主要通过激光视觉传感技术获取焊枪和待修复模具的相对位置；焊枪位姿调整系统主要通过算法对收集数据进行处理、反馈和对焊枪的姿态进行合理调整。模具电弧增材再制造用机器人焊枪位姿检测与调整系统可使模具电弧增材再制造过程中找准焊枪位置、避免干涉与撞枪，使焊接过程连续、高效；使增材金属成形美观，减少成形缺陷；提高焊接质量，延长模具使用寿命。延长模具使用寿命。延长模具使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种用于模具电弧增材再制造的机器人焊枪位姿检测与调整系统


[0001]本专利技术属于电弧增材再制造焊接
，适用于模具电弧增材制造过程中对焊接机器人焊枪姿态的初始化、识别与调整，目的是避免焊枪与模具干涉、保证增材金属的成形和避免产生各类焊接缺陷，以达到提高机器人焊接模具质量的目的。

技术介绍

[0002]金属模压成形因其生产效率高、成本低、质量优等特点，被广泛应用于航空航天、汽车、船舶、电子通讯等领域。模具部件市场大，应用广，对制造产品质量影响大。但，模具的工作条件十分恶劣，服役过程中，长期在高温金属流动的环境中工作，工作面被加热、氧化、冲击和磨损，易产生磨损、开裂、疲劳、变形等形式失效。
[0003]采用模具钢制造模具寿命不能满足企业使用要求，用电弧增材再制造方法制造模具，不仅寿命高而且成本低、制造周期短，因此目前国内许多企业都采用增材再制造方法制造模具。所谓电弧增材再制造是以电弧为热源将具有特殊性能的填充材料熔覆在基体表面恢复模具尺寸及改善或改变表面性能的一种产品制造工艺。传统模具堆焊采用的是手工操控焊枪熔覆焊材的一种操作工艺。人工堆焊模具，在焊接过程中可规划、可检测、可调整焊枪，人、脑、手、眼可相互配合，操作灵活、协调，焊接过程不会发生撞枪、干涉而中断焊接的问题，也较少发生由此而产生的焊接缺陷。但手工作业对操作人员的技术要求高，另外，工作环境恶劣，劳动强度大，最终还是会影响模具堆焊效率和产品质量。
[0004]采用3D打印原理实施的电弧增材再制造技术，也是以电弧为热源，焊枪以点
‑<br/>线
‑
面
‑
体的规划路径，在程序的控制下，以机器人操控焊枪实施堆焊制造的方法。该方法无需人为操控，操作者不接近模具，模具堆焊可以随形焊接，是一种自动化、智能化堆焊制造过程。可见，3D打印的实质是机器代替人，机器需具备如人似的规划、检测与调整能力。本专利技术主要解决了该方面的技术问题。
[0005]采用3D打印原理实施的电弧增材再制造工艺流程包括：前处理、分层切片、路径规划、焊接工艺输入，焊枪姿态计算，输出焊枪运行程序和焊接等过程。但工业生产中，模具尺寸变化大，结构复杂、品种繁多，气刨质量变化较大等问题有可能出现计算出的焊枪姿态处于怪异现象，出现撞枪现象。因此，电弧增材再制造过程对焊枪姿态进行实时观测与合理调整是保证焊接过程顺利进行的重要条件。

技术实现思路

[0006]本
技术实现思路
是提供一种模具电弧增材再制造时焊枪姿态检测与调整系统。为达到焊接过程中稳定性和保障增材金属质量，本专利技术在焊枪位姿初始化基础上，通过对模具中焊枪与型腔位姿检测，对比、运算以实现对焊枪姿态合理调整的目的。
[0007]本专利技术，即一种用于模具电弧增材再制造的机器人焊枪姿态检测与调整系统，包括三个子系统：路径规划及焊枪位姿初始化系统；焊枪位姿检测系统；焊枪姿态调整系统
(也叫数据收集处理与反馈系统)。本专利技术设计的各系统特征如下：
[0008](1)路径规划焊枪位姿初始化系统。该系统为自主研发的已封装好的路径规划软件，可以对待修复模具型腔进行分层切片，对层面进行包络圈路径和内部的Zigzag型堆积路径规划，同时，还可以对该层面路径下的焊枪姿态进行初始化设置，即焊枪轴向方向的设置。
[0009](2)焊枪位姿检测系统。该系统可实时监测焊枪位姿。检测过程为通过激光视觉传感器检测焊枪位姿及焊枪位姿方向模具固有的凸起物、模具型腔的拔模角情况。检测的信息包括：焊枪处于的位置是在包络圈上，还是在填充焊道上；焊枪与模具侧面或底面的夹角；模具拔模角角度、模具型腔表面突起物的直径与高度尺寸等信息。
[0010](3)数据收集处理与反馈系统。该系统通过对(1)和(2)两个系统所产生的数据进行收集与处理，对焊枪姿态的初始位姿、前进方向进行判定；对前进方向的焊枪姿态与模具各表面的干涉情况进行分别判断。如果判断结果发现存在干涉，则加大焊枪与侧面的倾角，加大后再进行判断，以此类推，直至不干涉为止。
[0011]本专利技术的主要实现方法如下(结合附图1详细说明)：
[0012]本专利技术涉及的焊枪姿态检测与调整系统包括3大子系统，共五大模块：前处理模块、路径规划与焊枪位姿初始化模块、焊枪位姿与模具表面状况检测模块、后处理工艺模块、以及数据收集处理与反馈模块。
[0013]步骤一、本实施例中，需要对待增材模具进行堆焊前处理：包括清理模具表面油污、锈蚀，采用碳弧气刨法去除模具疲劳层以及裂纹，对曲率较大的区域进行平缓处理。若模具型腔没有裂纹，为避免撞枪和可能出现的未焊透等现象，气刨时应满足以下要求：
[0014]1)模具底部侧面气刨10mm左右；
[0015]2)模具上部侧面气刨15
‑
25mm左右；
[0016]即底部气刨量稍微低于桥部，将模具气刨成开口逐渐增加的形状，形成正拔模角。
[0017]利用三维扫描仪获取待修复模具清理后的点云数据，由于点云数据在扫描过程中存在人为、环境等因素的影响，以及点云数据极为庞大，还需要对这些数据进行去噪、精简和插补处理，才能高效、准确地生成待修模具的3D模型。
[0018]步骤二、取步骤一处理后得到的待修复模具3D模型与满足服役要求的原始模具模型进行布尔运算，得到模具待修复区域三维模型。将该三维模型转化为STL模型后，导入封装好的软件，进行堆焊下的分层切片、路径规划、焊枪位姿初始化设置等操作。
[0019]考虑到模具的复杂性，该系统采用的是等厚分层切片，由此最终产生的分型面规格过大的情况，可用机加工切削掉多余的材料；此外，当前主流的路径规划算法各有优劣，本软件采用的是沿外轮廓向内偏置和轮廓内部型腔Zigzag复合型路径规划，这样的组合可以充分发挥两种算法在实际应用中的优势，并且减少了堆积过程中出现的未熔合、台阶效应等缺陷。
[0020]在该系统中，分层切片是采用平面对待增材区域的三维模型进行切割，再依次采用i个基准厚度，将切平面向上偏置，若模型与该切平面交集为空，则分层完成，把结果记为{S0， S1，......，S
n
}，其中基准厚度由焊接工艺参数余高决定。路径规划算法中，外轮廓路径向内偏置一层，记为{Ω0，Ω1}，内部Zigzag路径长路径设置为沿同一轴向，并在每次轴向反向变换时记录，记为{L1，L2，......，L
n
}，相邻路径之间的距离由焊接工艺参数搭接率决
定。
[0021]关于对焊枪初始姿态的设置，在该系统中，外轮廓偏置路径相对较少，在焊接路径中只占少数，且在步骤一中把模具气刨成正拔模角的方法也可大大降低撞枪概率的发生，故可以将焊枪的初始位姿设置为垂直于该分层面，即焊枪轴线为竖直状态。
[0022]步骤三、为彻底解决焊枪姿态不佳可能存在的撞枪、未焊透等问题，系统进一步采用激光视觉传感器对焊枪当前位姿以及焊枪前进方向模具固有的凸起物情况，模具型腔的拔模角情况进行检测。检测的信息包括：焊枪处于的位置是在包络圈上，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于模具电弧增材再制造用机器人焊枪位姿检测与调整系统，其特征在于，具体包括以下系统：(1)路径规划焊枪位姿初始化系统。该系统可以对待修复模具型腔进行分层切片，对分层面进行路径规划，对焊枪姿态进行初始化设置，即焊枪轴向方向的设置。(2)焊枪位姿检测系统。该系统可实时监测焊枪位姿。检测的信息包括：焊枪处于的位置是在包络圈上，还是在填充焊道上；焊枪与模具侧面或底面的夹角；模具拔模角角度、模具型腔表面突起物的直径与高度尺寸等信息。(3)数据收集处理与反馈系统。该系统通过对(1)和(2)两个系统所产生的数据进行收集与处理，对焊枪姿态的初始位姿、前进方向进行判定；对前进方向的焊枪姿态与模具各表面的干涉情况进行分别判断。如果判断结果发现存在干涉，则加大焊枪与侧面的倾角，加大后再进行判断，以此类推，直至不干涉为止。2.根据权利要求1所述的一种用于模具电弧增材再制造用机器人焊枪位姿检测与调整系统，其特征在于具体有以下步骤：步骤1：对待修复模具进行焊前预处理，去除表面油污、锈蚀、疲劳层及裂纹等，并对其进行扫描获得其3D模型；步骤2：将处理好的模具模型与满足服役要求的原始模型进行布尔运算，导入软件进行分层切片处理；步骤3：利用激光视觉传感技术确定焊枪位姿是否合理，并分别进行不同的实施方案；步骤4：焊枪位姿不合理时，将其反馈到数据收集处理与反馈系统，并根据模具型腔进行焊枪位姿调整；步骤5：对模具进行堆焊以及后处理。3.根据权利要求2所述的一种用于模具电弧增材再制造用机器人焊枪位姿检测与调整系统，其特征在于步骤2所述对模具进行分层切片的方法为：考虑到模具的复杂性，该系统采用的是等厚分层切片，由此最终产生的分型面规格过大的情况，可用机加工切削掉多余的材料；采用的是沿外轮...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘帅旗，刘蔚航，魏艳红，沈泳华，刘仁培，
申请(专利权)人：南京江联焊接技术有限公司，
类型：发明
国别省市：