激光熔覆成形尖角插補算法優化與實現

劉家俊, 黃 英, 袁自鈞, 陳向東, 高 峰

(合肥工業大學 電子科學與應用物理學院,安徽 合肥 230009)

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激光熔覆成形尖角插補算法優化與實現

劉家俊, 黃 英, 袁自鈞, 陳向東, 高 峰

(合肥工業大學 電子科學與應用物理學院,安徽 合肥 230009)

文章通過對激光熔覆過程中機器人在尖角處過渡時產生的誤差進行分析,提出了機器人在尖角處勻速過渡的插補算法。通過在尖角外圍添加補償點并精確控制激光開/關設計了機器人插補流程,利用C#.NET編程語言編寫機器人插補軟件,并采用OpenTK實現插補運算后的數據可視化。仿真和實驗驗證機器人路徑的可行性,并成功熔覆出含有60°尖角的薄壁件。研究結果為激光熔覆含有尖角特征的薄壁件提供了理論指導和實驗依據。

激光熔覆;機器人;尖角薄壁件;插補算法;軌跡規劃

0 引 言

激光熔覆成形技術是激光直接制造金屬零件技術的一種,又稱為激光近凈成形(laser engineering net shaping,LENS)技術[1-3],多用于高價值大型復雜金屬零件的制造[4-5]、修復[6-7]及表面改性等[8-9]。激光熔覆成形薄壁類零件已經得到了廣泛關注與研究[10-11]。然而,對于帶尖角薄壁件的研究較少,且利用激光熔覆成形技術在制造薄壁件時存在不同類型的難題有待解決。

激光熔覆成形在堆積直線段或圓弧段類型的薄壁件相對簡單,這緣于激光沿直線掃描時速度和方向都可保持不變,沿圓弧掃描時速度大小不變,僅方向沿著圓弧的切線方向逐步圓滑變化,因此,這2種類型薄壁件成形相對容易控制與成形。相比之下,含有尖角特征的薄壁件在激光熔覆成形時較難。

因為含有尖角特征的薄壁件經過軟件分層處理后,截面信息中至少存在2個圖元以非相切的形式相接,例如直線段與直線段的相接、直線段與圓弧段以非相切形式的相接等，所以與直線段或圓弧成形相比,其主要表現為尖角處掃描速度的突變,即掃描速度大小呈先減小后增加的趨勢,方向改變等。掃描速度的變化會導致尖角過渡區域因相對熔覆時間較長產生凸起,很大程度上影響成形件的成形質量,甚至于導致成形失敗。

為克服上述問題,本文分析了在尖角處產生誤差的原因,并設計了插補算法和機器人路徑插補軟件,有效地提高了含尖角特征的薄壁件的成形效果。

1 誤差分析

成形系統通常由六軸機器人、同軸送粉熔覆頭、激光器和冷卻機等構成。激光熔覆制造原理是基于三維建模軟件生成零件的計算機輔助設計(computer aided design,CAD)模型,將CAD模型離散為一系列空間坐標點,機器人根據坐標點依次運動,金屬粉末在激光的作用下形成熔道,逐層熔覆堆積出所需形狀的金屬零件。

在激光熔覆成形過程中,送粉率和激光能量密度等參數是決定零件成形質量好壞的關鍵性因素[12]。通常需要激光功率、送粉率、機器人移動速度等均保持恒定。其中激光功率恒定和送粉率恒定的實現都較為簡單,而機器人移動速度則受限于機器人運動特性不易保持恒定。機器人末端激光器在伺服電機帶動下由P1點開始加速運動后勻速運動,在抵達P2點前開始減速,直到在P2點速度為0,再開始下一段運動,如圖1所示。同理,P2～P3段、P3～P4段都不可避免地要經歷一個加速—恒速—減速—停止的過程。

圖1 機器人運動特性示意圖

正方形薄壁件如圖2所示，機器人在各點之間運動速度的變化導致了激光熔覆中能量密度和送粉量的變化,4個直角處因為機器人速度變化而出現了明顯的凸起,嚴重影響了激光熔覆的成形效果。

圖2 正方形薄壁件

為克服因機器人運動速度不恒定而引起的成形誤差,文獻[13]提出了一種采用電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)實時監測激光噴頭與加工熔池之間的距離,并將檢測距離實時反饋至計算機,并與原始設定值進行比較和差值運算。在每步結束后,將差值補償到下一步中,以完成提升量的補償。該方法雖然能夠減緩在拐角處的凸起,但硬件成本高,且控制過程相對復雜。

在機器人恒速控制領域,插補運算方法常被應用于機器人連續運動中,多采用三次樣條曲線或圓弧插補的方法使機器人在拐角處盡量平滑過渡,如圖3所示。

圖3 圓弧過渡示意圖

圖3中,lc為當前熔道;ln為下一個熔道,在機器人接近拐角時會用逼近軌跡代替原來的軌跡。該方法雖然能讓機器人在拐角處不會停頓,但由于在拐角內側插入了過渡曲線,從而導致拐角處產生了較大的未熔覆區域,以致造成較大的成形誤差。

2條圓弧相切時的過渡曲線示意圖如圖4所示。由圖4可以看出,若兩條圓弧相切,采用上述方法則機器人根本無法到達P2點,產生的軌跡誤差則會更大,無法滿足制造需求。

圖4 2條圓弧相切時的過渡曲線示意圖

2 機器人恒速過渡插補算法

2.1 尖角過渡插補算法

針對上述方法在熔覆成形帶尖角薄壁件方面的不足,本文提出一種適用于機器人在尖角處恒速控制的插補算法,其原理是利用尖角外側額外插入2個點以避免機器在尖角處減速。尖角過渡插補算法示意圖如圖5所示,圖5中,Pn為當前點;Pn-1為前一個點;Pn+1為后一個點;T和S為要插補的2個點。

圖5 尖角過渡插補算法示意圖

機器人實際的運行軌跡是Pn-1—Pn—S—T—Pn—Pn+1,通過精確控制激光器的開關,使第1次到達Pn點時關閉激光,第2次到達Pn點時打開激光,可以保證機器人在經過尖角Pn時速度的大小不發生改變。其中,L的長度應不小于機器人從0加速到勻速的距離。此時,Pn點可以被看作熔覆了2次,多層堆積后依然會產生凸起,為此,改進的方法是通過設置激光器的開/關光延時,來使Pn-1Pn和PnPn+12條直線段較好地搭接在一起。具體算法如下:

計算當前點Pn分別與前一個點Pn-1和下一個點Pn+1所組成向量的夾角的大小α,根據(1)式和(2)式計算夾角大小,并判斷是否需要進行插補。(1)式、(2)式具體如下：

(1)

(2)

若需要插補,通過(3)～(6)式計算出點T和點S的坐標，具體如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

其中,Tx、Ty、Sx、Sy分別代表點T和點S的x軸坐標和y軸坐標；Pnx、Pny、Pn-1x、Pn-1y、Pn+1x、Pn+1y分別代表Pn、Pn-1和Pn+1的x軸坐標和y軸坐標。L需滿足(7)式,其中a為機器人的加速度,V為機器人設定的工作速度。L的值需根據制造零件的大小及工作臺的范圍進行設定。

2.2 不同角度的過渡

上述算法提供了一種機器人拐角過渡的設計方案,能保證在需要熔覆成形的每一條線段上都保持速度恒定,但由于將熔覆成形的路徑拆分成不連續的2段,需要考慮到線段與線段之間的搭接問題。以直角過渡為例,直角過渡示意圖如圖6所示,lc為當前熔覆段,ln為下一個熔覆段,當機器人抵達E點后關閉激光器,再經過插補點T和S,進入下一個熔覆段ln。此時,選取激光器再次開啟的位置十分重要,一般選取在E和F之間。若開光點距離F點較近，則會產生較大的未熔覆區；反之，開光點距離E點較近則會在直角處過度堆積,多層熔覆后會產生凸起。

圖6 直角過渡示意圖

由于直線與直線的搭接受多個變量相互作用,通過理論計算得到最佳開光點較為繁雜,本文通過試驗得出在E和F的中點處開激光會使直角處的成形效果較好,不易出現凸起。即在激光器抵達E點后延遲一個光斑半徑的距離r后再開光,如圖7所示。其中陰影部分為二次熔覆區域,該區域需保證在合適的范圍內,以填補熔道邊緣的塌頭,使2條熔道平整地搭接在一起。若二次熔覆的面積過大，則會堆積過多粉末,產生凸起;反之，若二次熔覆的面積太小，則會在2條熔道搭接處產生縫隙。

圖7 直角過渡中推遲距離r后開光示意圖

假設當前熔道與下一個熔道相夾45°時,關光點E和開光點F相距仍為光斑半徑,如圖8所示,由圖8可以明顯發現二次熔覆的區域面積變大了,意味著會有更多的粉末被熔覆在了熔道lc上,多次堆積后會產生凸起。由此可知,不同角度間的搭接率并不能簡單地設為一個定值,對于不同的角度值的過渡所需要的開光延時是不同的。改進方法是將開光點放置在當前熔道lc的內側邊線上,能有效減小二次熔覆區域的面積并保持在合理的范圍之內,如圖9所示,則關光點E與開光點F的距離d滿足

(8)

其中,r為光斑半徑;α為2條熔道所夾角度。

圖8 尖角過渡中推遲距離r后開光示意圖

圖9 尖角過渡中推遲距離d后開光示意圖

3 插補程序設計與實驗

3.1 插補程序設計

為能驗證并實現上述算法,本文采用C#.NET 編程語言對算法進行編程并編譯成機器人插補軟件,其流程如圖10所示。

程序讀取經過三維模型切片處理后的cli文件,將cli文件中的點集存入程序列表中。因為CAD文件經過切片處理后點與點之間的間距很小,數據量較大,所以有必要將點集進行一次粗插補,從而可以減少數據冗余、避免機器人運行過程中發生抖動。將粗插補后的點更新到程序列表中,再計算每個點所在的角度值來判斷是否需要插補過渡點并將需要插補的點作特征標記,其特征標記的目的是為了在標記點后加入開/關光命令,之后再次更新程序列表中點集。更新完畢后,將數據轉換成KUKA機器人可識別的DAT文件和SRC文件,其中DAT文件和SRC文件分別存儲運動數據命令和運動控制命令。

圖10 算法程序流程

數據可視化不僅可以方便實驗人員觀察插補后的路徑是否合理,還可以模擬機器人運行軌跡,為實驗結果的可行性提供參考,提高實驗效率。本文采用免費的數據可視化方案OpenTK,提供了OpenGL的.NET實現。其程序界面及插補前的結果如圖11所示，插補后的結果如圖12所示。

圖11 程序界面及插補前的結果

圖12 插補后的三角形

由圖12可以看出,通過在每個尖角處增加2個插補點,以實現尖角處勻速過渡。

3.2 實驗驗證

合肥工業大學激光熔覆再制造系統的硬件設備主要由機器人系統、供粉系統、冷卻系統、激光系統等部分組成。機器人為KUKA KR 30 HA型六自由度關節型多功能智能機器人;供粉系統為 GTV PF2/2型送粉器,使用氬氣作為送粉氣和保護氣;冷卻系統為PH-LW190-TH2P型冷水機;激光器系統為LDF 6000-100 VGP型半導體激光器。

實驗用材料為45#鋼基板和80目Ni-60合金粉末,實驗前先用乙醇擦洗基板表面,再用激光沿著將要行走的路徑照射一遍,從而可以預熱基板并除去銹跡。激光熔覆成形的工藝參數為:激光功率1 400 W,機器人移動速度3 mm/s,光斑直徑4 mm,Z軸抬升量0.3 mm,整個成形過程均在惰性氣體氛圍下進行,實驗模型為帶有60°尖角的薄壁件。為了進行對比,未進行優化前的激光熔覆實例如圖13所示,熔覆50層后的成形效果如圖14所示。

圖13 優化前的激光熔覆實例

圖14 帶有60°尖角的金屬薄壁件

通過對比圖13、圖14可以看出，本文提出的方法可以有效地克服含有尖角特征薄壁激光熔覆過程產生的凸起。

4 結 論

為克服激光熔覆含有尖角特征薄壁零件時在尖角處出現凸起問題,文中提出了一種尖角過渡插補算法。為驗證插補算法的有效性及模擬機器人運動軌跡,設計了數據可視化路徑規劃軟件,提升了工作效率。并分析了不同角度下,關光點與開光點之間的距離對熔覆效果的影響,對插補算法進行改進,優化了熔道搭接質量。經60°尖角熔覆實驗,在熔覆50層后尖角處仍然沒有凸起,2條熔道間沒有縫隙或裂痕,實驗結果為含有尖角特征的薄壁件激光熔覆提供了理論指導和實驗依據。基于本算法開發的應用軟件可以實現角度判別、路徑插補、工藝參數設置、機器人路徑仿真等功能,極大地提高了操作人員的實驗效率。

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(責任編輯 閆杏麗)

Optimization and realization of sharp corner interpolation algorithm for laser cladding forming

LIU Jiajun, HUANG Ying, YUAN Zijun, CHEN Xiangdong, GAO Feng

(School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The error resulting from robot’s transition at sharp corner during the laser cladding process was analyzed, and an interpolation algorithm with the characteristic of uniform transition at closed angle for laser cladding robot was introduced. The interpolation process was demonstrated by using the methods of adding compensation points at the sharp corner and controlling the laser on/off precisely, and the algorithm software was programmed by C#.NET programming language. To achieve the data visualization, the corresponding display interface in OpenTK was proposed. The simulation and experimental results verified the feasibility of the robot path, and a thin-walled part with a sharp corner of 60° was successfully clad. The study can provide theoretical guidance and experimental basis for laser cladding on thin-walled part with angle characteristic.

laser cladding; robot; thin-walled part with sharp corner; interpolation algorithm; trajectory planning

2015-08-31；

2015-12-02

合肥工業大學產學研校企合作資助項目(13-522)

劉家俊(1990-),男,安徽合肥人,合肥工業大學碩士生; 黃 英(1960-),女,安徽合肥人,博士,合肥工業大學教授,博士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.11.015

TG665

A

1003-5060(2016)11-1509-06