礦用鏈輪鏈窩電弧增材制造路徑規(guī)劃

董曼淑，朱晗，張曉超，白凱，劉龍，高洪明

(1.寧夏天地奔牛實業(yè)集團有限公司,寧夏 石嘴山 753001; 2.寧夏天地重型裝備科技有限公司,寧夏 石嘴山 753001; 3.哈爾濱工業(yè)大學,先進焊接與連接國家重點實驗室,哈爾濱 150001)

0 前言

在刮板輸送機[1]的工作過程中，鏈輪的鏈窩面由于與鏈條相互嚙合傳動，往往磨損過快，傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)和淬火往往所得鏈窩難以滿足實際需求，為此提出在鏈窩表面增材[2-3]一定厚度的高硬度耐磨損層[4-5]。電弧增材制造的關鍵是如何提取待堆焊區(qū)域的特征并進行處理，形成一系列的二維平面或者三維曲面，在此基礎上規(guī)劃出焊道的排布方案和焊槍的行走路徑，以實現(xiàn)分層堆積的目的。

國內(nèi)外關于增材制造路徑規(guī)劃的研究主要集中在分層方法和路徑規(guī)劃兩個方面。李冉[6]提出基于分層關系矩陣的鄰邊搜索分層算法，減小了搜索范圍，提高分層效率，并且提出以輪廓偏置路徑掃描內(nèi)外輪廓附近區(qū)域，以鋸齒路徑填充內(nèi)部區(qū)域的復合路徑算法。類似地，蒲英釗[7]開發(fā)了一套增材制造離線編程系統(tǒng)，分別對STL文件格式和空間點云模型，進行可視化分層切片，然后對每層的不同輪廓形狀分別進行路徑規(guī)劃。王昊[8]針對水輪機葉片進行了CMT增材制造路徑規(guī)劃。對三維模型進行平面分層切片，并采用鋸齒路徑規(guī)劃的方法填充。此外為了避免邊緣區(qū)域流淌的問題，設計了焊槍角度控制算法，最后試驗驗證成形優(yōu)良。

除平面分層堆積外，部分國內(nèi)外學者對于曲面分層的增材制造技術研究更加關注。Ezair等人[9]針對平面分層導致的機械強度和表面光潔度問題，提出一種采用曲面覆蓋的分層方案，最終實現(xiàn)了彎管類模型的制造。Xu 等人[10]提出一種五軸自由曲面實體加工的通用工藝方案，引入測地值的概念。首先得到曲面上測地值相同的一組曲線，然后進行三角剖分和調(diào)和映射插值形成一組曲面層，實現(xiàn)曲面分層的概念。Mao等人[11]提出一種沿模型整體輪廓方向的分層方案，避免了傳統(tǒng)自適應切片僅僅基于局部誤差進行評估而導致的計算量大的問題。

縱觀路徑規(guī)劃的研究，目前主要集中在平面增材領域，關于曲面增材的研究還較少[12]，且多限于樹脂打印機等。研究更多的是針對在平面增材過程中，需要增加額外支撐結構、表面光潔度不夠和力學性能存在各向異性等問題，所規(guī)劃的曲面曲率較小，較為平整，而針對曲率較大的鏈窩曲面上進行增材的研究鮮有發(fā)現(xiàn)。文中針對大曲率鏈窩表面的增材制造，提出了曲面分層的方案，并對即將增材的區(qū)域進行分層設計和施焊路徑規(guī)劃，為工程中鏈輪鏈窩修復工作提供解決方案。

1 曲面分層設計

相比于傳統(tǒng)平面分層處理，曲面分層是利用一組曲面對待增材部分進行切片，得到一系列的三維曲面。曲面分層的流程如圖1所示。其核心思想是利用曲面等距和曲面切割處理的原則，利用的主要工具是Solidworks軟件。

根據(jù)需要增材的厚度hsum和單層堆敷厚度hi來確定層數(shù)N和各層間的間距Δh。取待增材的基體表面作為第一層切片曲面S0，然后曲面S0上各點沿該點在曲面上的法向矢量Fn方向平移Δh，得到新的離散點，多曲面S0上所有點進行平移、篩選、擬合得到切片曲面S1。同樣對第二層切片曲面S1各點法相矢量方向等距Δh得到曲面S2，如此循環(huán)直至∑Δh≥hsum時停止，從而得到一組空間曲面S。得到空間曲面組后，曲面將與待增材區(qū)域外表面φ發(fā)生干涉相交，根據(jù)曲面裁剪原理，利用外表面φ將空間曲面S中輪廓以外的部分裁剪去除，從而得到一組新的曲面層S’，即為曲面切片得到最終分層結果。

圖1 曲面分層流程

按照上述方案對鏈窩表面待增材模型進行曲面分層處理，如圖2所示。首先對基體鏈窩表面進行等距處理得到曲面層S，等距的間距由工藝試驗確定。然后再根據(jù)待增材區(qū)域各個邊界面φi，對曲面層S進行切割裁剪得到最終的曲面輪廓S’。

圖2 鏈窩表面曲面分層處理過程

觀察得到的各層輪廓可以發(fā)現(xiàn)，對待焊區(qū)域曲面分層得到的每層輪廓較上一層輪廓位置、形狀和邊界變化不大，呈現(xiàn)漸變趨勢，容易保證每層堆積成形。鏈輪工作時鏈窩受承載力較大，鏈窩成形的致密和平整度對于表面受力狀況影響很大。采用曲面分層，焊道沿曲面分布均勻，易于獲得更好的表面平整度，減少了由于焊道分布不均勻引起的應力集中和裂紋擴展，有助于延長鏈輪的使用壽命[13]。同時，良好的平整度可以減小機械加工量，在提升生產(chǎn)效率的同時，節(jié)省了焊接材料。

2 特征點提取與路徑規(guī)劃

利用曲面分層得到各層的曲面輪廓S’后，需要在各曲面上規(guī)劃出焊槍的行走路線，提取路徑特征點，實現(xiàn)焊槍在鏈窩曲面上的堆敷填充。為表征鏈窩相對位置，在鏈輪上選取創(chuàng)建了如圖3所示的用戶坐標系U。

圖3 用戶坐標系U的確定

需要將分層得到的曲面離散化，得到鏈窩曲面的STL文件。STL格式文件是利用一系列相互連接的小三角面片來近似模型輪廓，將曲面模型轉化為STL文件即可實現(xiàn)將連續(xù)曲面信息轉化為可處理的離散點信息。如圖4所示，為方便進行處理和路徑點規(guī)劃，采用平面分層方式進行處理得到沿z方向的一系列離散點層。

圖4 曲面模型離散化

縱向填充時要保證相鄰焊道間間距始終保持一致，且等于工藝試驗確定的焊道間距，同時也要保證整個堆敷層不同焊道間的間距一致。根據(jù)鏈窩加工特性和形狀特征分析可以看出得到的曲面上的離散點左側以x=0平面作為邊界，每層離散點均平行于xy平面，沿x增加方向呈現(xiàn)圓弧曲線形狀分布。

以z=8 mm層離散點為例展開。如圖5所示，圖中紅色的離散點分布呈曲線形狀，間距較小且無規(guī)律，左側起始離散點Ps(x1,y1,z1)在x=0平面上，即x1=0。依據(jù)輪廓偏置距離lout和焊道搭接偏移量l，從x=0邊界上點作為起始，對得到的離散點依次進行分割、提取，得到圖中綠色的分割點。首先P1為起始分割點，表示內(nèi)部填充路徑中最左側路徑在z=8 mm層的路徑點，由于在內(nèi)部填充結束后還要沿輪廓邊緣進行偏置掃描處理，所以P1到輪廓邊緣的距離不光包括焊道間的搭接偏移量l，還需要考慮到偏置掃描路徑沿輪廓線向內(nèi)部偏移的距離lout，即lbd1=k(lout+l)。其中k為調(diào)整系數(shù)，通過實際堆敷情況確定，在0.9～1.1之間。然后確定中間分割點Pi到Pi+1之間的距離li，li表示焊道間偏移距離，即li=l，i=1，2……,n。最后，隨著分割點不斷增加直至Pn距離右邊界點Pe的距離lbd2≤k(lout+l)時終止分割，并調(diào)整Pn點，使得lbd2=k(lout+l)。

圖5 z=8 mm層離散點及分割點信息

整個曲面上所有離散點按以上步驟進行處理，得到曲面上間距相同的所有特征點，然后將同一縱向位置的點集合生成了最終的曲面上路徑點的提取，如圖6所示。

圖6 焊道路徑點信息

為保證內(nèi)部填充時焊道連續(xù)，不在曲面內(nèi)部發(fā)生熄弧和重新燃弧，需要在底面上規(guī)劃出路徑，使焊道自上而下一直延伸至底面。如圖7所示為底部焊道排布示意圖，以曲面與平面相交處曲線上的分割點進行規(guī)劃，連接最外側兩點然后取其法線方向，作為底面焊槍行走方向，然后分別于距離x，y軸相距l(xiāng)bd處相交形成最終路徑點，將得到的各點加入到各道路徑中形成最終內(nèi)部縱向填充路徑信息。

圖7 底部焊道示意圖

內(nèi)部焊道填充完成后，對鏈窩輪廓邊緣施焊能夠有效的降低起熄弧對整體焊道表面的影響，提高堆敷層表面的平整度。輪廓邊緣以圖4中層信息邊緣點作為邊界向曲面內(nèi)進行偏移即可得到，將得到的所有路徑點整合到一起，最終得到施焊路徑如圖8所示，焊接時先進行內(nèi)部單向填充，然后繞輪廓邊緣進行掃描去除內(nèi)部焊道起熄弧端的影響。

圖8 堆敷路徑示意圖

3 焊槍姿態(tài)設計

弧焊機器人[14]為六軸系統(tǒng)，包含六個自由度。除了需要確定參考坐標系下，該點的空間位置M(x0,y0,z0)外，還必須確定機器人在該點時的姿態(tài)信息R。R用工具坐標系T相對用戶坐標系U的旋轉矩陣表示。其中規(guī)定工具坐標系T中心點O在焊絲端頭，x軸正方向為焊絲延伸方向，z軸正方向為焊槍前進方向，y軸正方向利用右手法則確定。

工具坐標系T的x方向表示焊絲延伸方向，根據(jù)堆敷時焊絲始終與堆敷表面垂直的原則，x方向確定為曲面上該路徑點處的法相矢量Fn方向，且Fn指向曲面內(nèi)部。

工具坐標系z方向和y方向分別決定了焊槍前進和左右移動的方向，為保證堆敷時機器人各軸關節(jié)均在靈活運動范圍內(nèi)，z方向和y方向的不同將直接決定機器人相對鏈輪的位置。如圖9中①②為曲面某條路徑上，工具坐標系T設定不同z方向所對應的情況，此時機器人相對鏈輪位置如圖10所示。圖9中①是指焊槍由上到下進行堆敷時，將路徑點M到上一路徑點P處的矢量作為z方向，堆敷時焊槍呈現(xiàn)‘倒退’行走。但在曲面上進行堆敷時，由于曲面與水平面傾斜大約60°，極易出現(xiàn)第四軸和第五軸在同一直線上情況，即機器人的奇異點。如圖10b所示。此時微小的位移變化可能就導致第四軸急劇轉動，產(chǎn)生很大加速度，出現(xiàn)明顯震顫現(xiàn)象甚至產(chǎn)生超速、超程報警，因此舍棄此方案。②情況是將路徑點M’到下一路徑點N的方向作為工具坐標系z方向，堆敷時焊槍以‘前進’方式行走，第四軸和第五軸不可能位于同一直線上，如圖10b所示。同時根據(jù)得到的各道縱向曲線路徑可以看出將下一點作為前進方向時，方向變化平緩均勻，不存在突變的情況。輪廓偏置路徑姿態(tài)與縱向填充路徑類似，保證運動過程中不出現(xiàn)奇異點，避免出現(xiàn)突變現(xiàn)象。

圖9 工具坐標系T不同z方向設計

圖10 工具坐標系T不同z方向對應機器人姿態(tài)

4 堆敷驗證試驗

通過路徑軌跡規(guī)劃和姿態(tài)設計，得到了在用戶坐標系U下，鏈窩上各路徑點處空間位置坐標和旋轉矩陣，在此基礎上需要將得到的位置姿態(tài)信息轉化為機器人離線編程文件，導入到機器人控制器中，實現(xiàn)實際堆敷過程。以安川機器人JBI文件為例，如圖11所示，文件規(guī)定了文件名、特征點數(shù)量、坐標系號、工具坐標系等，其中最主要的是特征點的空間坐標、位姿和指令集合。

圖11 安川機器人程序文件

空間坐標值為相對用戶坐標系U的x，y，z值；位姿需要將路徑上各點相對用戶坐標系U的工具坐標系T的旋轉矩陣按式(1)轉化為相對于用戶坐標系U各軸的歐拉角α，β，γ。

(1)

焊接試驗所用焊絲牌號為GFC-103(藥芯堆焊焊絲)，直徑1.2 mm，鏈輪材料為42CrMo超高強度鋼。焊機采用奧地利Fronius公司生產(chǎn)的CMT焊機，型號為TransPuls Synergic 4000。焊接方法為CMT焊接，使用堆焊專家?guī)臁Ｋ徒z速度為3.0 m/min，焊接電流約為110 A，電弧電壓由焊機自動控制給出。焊接速度內(nèi)部填充時為60 cm/min，輪廓偏置掃描時為45 cm/min。復合法得到的成形結果如圖12所示。表面均勻平整，邊緣與周圍輪廓相適應，第二層選擇堆敷曲面后，得到成形厚度增加，成形效果良好，說明路徑規(guī)劃方案能夠很好的實現(xiàn)鏈窩曲面上增材制造成形[15]。

圖12 復合法掃描處理成形結果

5 結論

(1)通過路徑軌跡規(guī)劃和姿態(tài)設計，得到了在用戶坐標系U下，鏈窩上各路徑點處空間位置坐標和旋轉矩陣，在此基礎上需針對鏈窩曲面上待增材區(qū)域進行了分層設計和路徑規(guī)劃研究，采用曲面分層方案得到的各層曲面輪廓變化更平緩，形狀更規(guī)則。

(2)針對得到的某一層曲面規(guī)劃出縱向填充路徑和邊緣輪廓偏置掃描路徑方案。得到的內(nèi)部焊道路徑點平滑且連續(xù)，邊緣焊道適應輪廓曲線且平滑均勻。

(3)通過對比各種姿態(tài)和鏈輪位置發(fā)現(xiàn)，針對縱向路徑，當鏈輪周向平面與機器人主體平行放置，焊槍以前進姿態(tài)從上到下進行掃描時，機器人各關節(jié)變化平緩，機器人各軸在行走過程中不出現(xiàn)奇異點位置，不存在速度突變。邊緣偏置路徑施焊時姿態(tài)與縱向路徑堆敷時類似。

(4) 將得到的各路徑點的位置信息和姿態(tài)信息轉化為機器人程序代碼，導入機器人控制柜內(nèi)部，在實際鏈窩上進行了縱向填充驗證試驗，采用送絲速度為3 m/min，內(nèi)部填充行走速度為60 cm/min，輪廓偏置掃描時行走速度為45 cm/min的焊接參數(shù)時成形效果良好，說明此路徑規(guī)劃方案能夠很好地實現(xiàn)鏈窩曲面上增材制造成形。