执行机构摆动成形层内无搭接的电弧增材路径规划方法技术

本发明专利技术提供了一种执行机构摆动成形层内无搭接的电弧增材路径规划方法，通过将传统镁合金冷金属过渡摆动填充路径再次分段并修正起弧段、熄弧段的路径规划方式和摆动参数并采用复合摆动填充形式成形，解决了由传统冷金属过渡的摆动路径规划引起的复杂路径下镁合金飞溅率较大引起的成形缺陷及起弧段和熄弧段的成形尺寸收缩问题，改善了冷金属过渡执行机构摆动成形路径规划方式在镁合金复杂结构路径规划的适应性，提高了成形质量和稳定性。提高了成形质量和稳定性。提高了成形质量和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
执行机构摆动成形层内无搭接的电弧增材路径规划方法


[0001]本专利技术涉及增材制造
，具体地，涉及一种执行机构摆动成形层内无搭接的电弧增材路径规划方法。

技术介绍

[0002]电弧增材制造技术(Wire and Arc Additive Manufacture，WAAM)是以电弧为热源，依托机床、机械臂或其它执行机构逐层堆焊，由线—面—体的路径堆积出致密金属构件。
[0003]电弧增材制造技术，对大型厚壁构件和包含大型壁厚特征结构的构件某一截面的增材路径规划，通常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，再将轮廓内的部分进行全部扫描填充；后者一般依据单道熔敷宽度，对一层内的各形状轮廓进行不同比例的相似轮廓扫描。采用上述路径规划方法成形大型厚壁结构时，一般采用多道搭接或执行机构摆动的方式填充截面形状，其中摆动填充的方式可大大减少层内道间搭接，起弧点、收弧点，提高成形件内部质量。
[0004]专利申请号201710250370.4公开了一种通过执行机构摆动的方式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。但是壁厚大于20mm后仍需要使用搭接轨迹，无法避免多道搭接时成形质量不稳定等问题。
[0005]专利申请号202010208816.9公开了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，但未解决复杂结构路径规划的成形塌陷和尺寸收缩问题。
[0006]针对镁合金冷金属过渡摆动成形的电弧增材制造常存在的4类问题：
①
单个摆动周期由1个正向和1个反向摆动组成，其参数完全一致不可独立调节，复杂路径规划适应性较差，易出现成形塌陷；
②
采用同一摆动参数，起弧点与熄弧点附近存在振幅收敛，在熔池流动性和执行机构加速度等多种因素影响下，起弧段和熄弧段的成形尺寸远小于预设尺寸；
③
直线转弧线、弧线转直线或折线段路径，其内外侧填充疏密程度不同，易形成填充缺陷；
④
非直线路径存在重叠区域，重叠率较大，其表面平整度较差易形成大量飞溅的问题。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种执行机构摆动成形层内无搭接的电弧增材路径规划方法。
[0008]根据本专利技术提供的执行机构摆动成形层内无搭接的电弧增材路径规划方法，包
括：
[0009]步骤1：成形件模型优化：对镁合金冷金属过渡电弧增材制造成形件添加加工余量，孔洞填充以及过渡圆角添加，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；
[0010]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；
[0011]步骤3：提取线性路径：任一截面线性路径方向上存在中心线的部分提取中心线，其余部分经填充后提取其中心线，简化为一条满足截面形状的单道摆动填充成形线型路径或多段线型路径；
[0012]步骤4：线型路径再次分段：将上述的线型路径根据起弧点A、熄弧点B，再次分割为起弧段Aa、熄弧段bB和中间段ab，起弧段Aa分为N段线型路径，熄弧段bB分为n段线型路径；
[0013]步骤5：添加复合摆动填充：根据截面特征对起弧段Aa、中间段ab和熄弧段bB的每一段路径选用摆动方式并设定相应摆动参数和路径参数。
[0014]优选的，所述步骤4中，传统摆动路径规划中起弧段Aa长度范围3
‑
25mm，a点振幅不为0，起弧后最大振幅依次分别为ω1、ω2、ω3，ω1为(0.4
‑
0.6)ω，ω2为(0.8
‑
1.2)ω，ω3为(1
‑
1.1)ω，起弧其余段最大振幅均为ω，再次分段后分为N段线型路径，N≥3，熄弧段bB长度范围3
‑
20mm，且b点振幅不为0，熄弧前的最大振幅依次分别为ω4、ω5、ω6，ω4为(0.8
‑
1)ω，ω5为(0.5
‑
0.8)ω，ω6为(0.2
‑
0.5)ω，熄弧其余段最大振幅均为ω，再次分段后分为n段线型路径，n≥2，初始摆动摆宽D，稳定状态下的最大振幅ω＝0.5D。修正后的a、b点振幅为0，Aa1段最大振幅ω1’
为(0.7
‑
1)ω，a1a2段最大振幅ω2’
为(1.1
‑
1.5)ω，a2a3段最大振幅ω3’
为(1
‑
1.2)ω，起弧其余段最大振幅范围(1
‑
1.1)ω并逐渐收敛直至a
N
A段最大振幅ω
n
’
＝ω，修正后的bb
n
段最大振幅ω4’
＝ω，b2b1段最大振幅ω5’
为(0.7
‑
1)ω，b1B段最大振幅ω6’
为(0.5
‑
0.8)ω，熄弧其余段最大振幅保持不变；
[0015]优选的，所述步骤5中，复合摆动填充指单个摆动周期内的正向与反向的摆动形式、摆动次数、摆动长度L
正
/L
反
、摆动宽度D
正
/D
反
，边缘停滞时间T
正
/T
反
和中心停滞时间T
中
可独立设置。
[0016]对于折线段夹角为θ的电弧增材摆动成形路径规划，当30
°
≤θ≤120
°
时，初始摆动方式采用Z字型或正弦摆动，拐角外侧采用圆形摆动或正弦摆动，内侧采用Z字型摆动，通过调整外侧停滞时间、摆动宽度、摆动长度、摆动次数及内侧的摆动宽度和摆动长度，使得拐角内侧两个周期的最大振幅间距和外侧两个周期的最大振幅间距基本相等，满足内外侧成形高度一致性，且拐角处圆滑过渡成形，且成形尺寸≥预设尺寸；当120
°
≤θ≤180
°
时，初始摆动方式采用Z字型或正弦摆动，拐角外侧和内侧不改变摆动方式，通过调整外侧停滞时间、摆动宽度、摆动长度及内侧的摆动宽度和摆动长度，使得拐角内侧两个周期的最大振幅间距和外侧两个周期的最大振幅间距基本相等，满足内外侧成形高度一致性，且拐角处圆滑过渡成形，且成形尺寸≥预设尺寸；
[0017]对于直线转半径为R的圆弧路径或圆弧转直线的电弧增材摆动成形路径规划，当R≤5mm时，等同于夹角θ＝90
°
下的折线段路径；当R≥5mm时，初始摆动方式采用Z字型或正弦摆动，圆弧拐角外侧采用圆形摆动或正弦摆动，内侧采用Z字本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种执行机构摆动成形层内无搭接的电弧增材路径规划方法，其特征在于，包括：步骤1：成形件模型优化：对冷金属过渡电弧增材制造镁合金成形件添加加工余量，孔洞填充以及过渡圆角添加，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：提取线性路径：任一截面线性路径方向上存在中心线的部分提取中心线，其余部分经填充后提取其中心线，简化为一条满足截面形状的单道摆动填充成形线型路径或多段线型路径；步骤4：线型路径再次分段：将上述的线型路径根据起弧点A、熄弧点B，再次分割为起弧段Aa、熄弧段bB和中间段ab，起弧段Aa分为N段线型路径，熄弧段bB分为n段线型路径；步骤5：添加复合摆动填充：根据截面特征对起弧段Aa、中间段ab和熄弧段bB的每一段路径选则其摆动方式并设定相应摆动参数和路径参数；所述步骤1中，镁合金模型优化过渡圆角半径范围0.5
‑
5mm，在不影响成形稳定性的情况下过渡圆角半径尽可能小，减少加工余量设计；所述步骤4中，传统摆动路径规划中起弧段Aa长度范围3
‑
25mm，a点振幅不为0，起弧后最大振幅依次分别为ω1、ω2、ω3，ω1为(0.4
‑
0.6)ω，ω2为(0.8
‑
1.2)ω，ω3为(1
‑
1.1)ω，起弧其余段最大振幅均为ω，再次分段后分为N段线型路径，N≥3，熄弧段bB长度范围3
‑
20mm，且b点振幅不为0，熄弧前的最大振幅依次分别为ω4、ω5、ω6，ω4为(0.8
‑
1)ω，ω5为(0.5
‑
0.8)ω，ω6为(0.2
‑
0.5)ω，熄弧其余段最大振幅均为ω，再次分段后分为n段线型路径，n≥2，初始摆动摆宽D，稳定状态下的最大振幅ω＝0.5D；修正后的a、b点振幅为0，Aa1段最大振幅ω1’
为(0.7
‑
1)ω，a1a2段最大振幅ω2’
为(1.1
‑
1.5)ω，a2a3段最大振幅ω3’
为(1
‑
1.2)ω，起弧其余段最大振幅范围(1
‑
1.1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈梦凡，柯林达，刘思余，程鹏，雷蕾，肖美立，
申请(专利权)人：上海航天精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：