機(jī)器人熔覆3D 打印中的成形路徑生成研究*

烏日開西·艾依提 向 杰 張連重

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

3D 打印技術(shù)(又稱快速成形技術(shù)、增材制造技術(shù))是指根據(jù)三維CAD 模型，通過逐層堆積，制造三維實(shí)體零件的一系列技術(shù)的總稱。3D 打印技術(shù)可快速制造任意復(fù)雜形狀的零件，使其迅速的被應(yīng)用于制造、建筑、醫(yī)學(xué)、藝術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域［1］。英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志認(rèn)為3D 打印技術(shù)將“與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推動(dòng)實(shí)現(xiàn)第三次工業(yè)革命”。

制作金屬零件是3D 打印技術(shù)的重要方向之一。目前能夠制造致密金屬零件的3D 打印工藝主要有:激光選區(qū)燒結(jié)(SLS)、激光選區(qū)熔化(SLM)，電子束熔融成形(EBM)，激光工程凈成形(LENS)，直接金屬沉積(DMD)等［2-6］。這些成形設(shè)備成本和運(yùn)行成本都很高，因此基于三維堆焊的金屬3D 打印技術(shù)，因具有低成本、可控參數(shù)多等特點(diǎn)，成為了低成本3D 金屬打印技術(shù)的一個(gè)研究方向［7-9］。本文中的金屬3D 打印系統(tǒng)以六自由度機(jī)器人為工作平臺(tái)，以鎢極氬弧焊堆積方式制作金屬零件。

1 成形原理

圖1 為系統(tǒng)組成圖。成形時(shí)金屬基板被固定在水冷工作臺(tái)上，焊槍由六自由度機(jī)器人控制實(shí)現(xiàn)成形運(yùn)動(dòng)。電弧在基板上形成熔池，填充金屬絲送入熔池后隨著焊槍的運(yùn)動(dòng)凝固后形成一條成形軌跡，成形軌跡間逐條搭接形成面，再逐層堆積直至完成整個(gè)零件。

圖1 成形系統(tǒng)組成圖

2 成形控制程序生成

2.1 掃描路徑生成

成形中采用的三維CAD 模型采用STL 格式，采用三角面片替代曲面，三角形面片的數(shù)量根據(jù)零件的制造精度來設(shè)定。成形前將三維CAD 數(shù)字模型進(jìn)行分層處理，得到一系列的二維層片模型。然后在成形機(jī)中按順序逐層堆積，直至完成整個(gè)零件，如圖2 所示。

圖2 成形過程示意

某一層成形過程就是對該層輪廓線中的截面區(qū)域進(jìn)行掃描填充的過程。由于CAD 模型是由三角面片組成的，因此每層的輪廓線都是由一個(gè)或多個(gè)封閉多邊形輪廓構(gòu)成。而區(qū)域填充過程即是對多邊形截面用一定的方式進(jìn)行填充。在本文的成形系統(tǒng)中根據(jù)設(shè)備的特點(diǎn)，采用的是如圖4 所示的往復(fù)掃描和偏移掃描兩種方式，如圖3 所示。往復(fù)掃描相當(dāng)于求一系列的平行線與輪廓線的交點(diǎn)，再根據(jù)順序?qū)⑦@些點(diǎn)依次連接。偏移掃描方式相當(dāng)于求若干個(gè)等距的相似多邊形，再按順序依次連接各點(diǎn)。

填充過程中掃描線(熔覆軌跡)間距的確定由分層截面的特點(diǎn)決定。對于邊界形狀比較簡單截面可采用較寬的熔覆軌跡進(jìn)行填充，可以提高效率。而對于邊界形狀比較復(fù)雜的截面可采用較窄的熔覆軌跡進(jìn)行填充，可以減小臺(tái)階效應(yīng)。具體工藝參數(shù)組合則根據(jù)前期試驗(yàn)建立的工藝參數(shù)庫來確定。

圖3 兩種掃描方式

2.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制代碼生成

在零件的分層處理、計(jì)算掃描路徑時(shí)采用的是直角坐標(biāo)系，獲得的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)不能直接輸入到機(jī)器人控制器。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用的是松下TA1800 六自由度工業(yè)機(jī)器人，其默認(rèn)工作方式是示教法添加焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡來生成機(jī)器人控制文件，這種方式無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜掃描路線的自動(dòng)生成。由于該機(jī)器人沒有提供二次開發(fā)接口，其離線編程軟件DTPS 也無法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜零件掃描路徑生成。

本文通過對機(jī)器人數(shù)控程序的分析，根據(jù)其程序文件格式，開發(fā)了代碼轉(zhuǎn)換程序，將計(jì)算生成的掃描路徑與其他工藝參數(shù)進(jìn)行組合后寫入控制程序文件。

機(jī)器人控制程序文件為文本格式，其主要組成如下:

其中:

［Description］欄目主要設(shè)置機(jī)器人型號(hào)、外部軸等;［Pose］欄目為機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵點(diǎn)集合，包括焊接路徑點(diǎn)和空走點(diǎn);

［Command］欄目為軌跡生成命令，主要的命令名稱及含義如表1 所示。

表1 主要操作指令含義

為了保證實(shí)現(xiàn)焊槍按照分層截面的掃描路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)坐標(biāo)與掃描路徑關(guān)鍵點(diǎn)間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。如圖4 所示為六自由度機(jī)器人簡圖，(X0，Y0，Z0)為機(jī)器人坐標(biāo)系，(X1，Y1，Z1)為工具坐標(biāo)系(即焊槍坐標(biāo)系，控制焊槍位置);在/Name，Type，X，Y，Z，U，V，W 語句中的(X，Y，Z)工件坐標(biāo)系，(U，V，W)為工具坐標(biāo)系對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，即控制焊槍角度。

在確定對應(yīng)關(guān)系后，根據(jù)零件的具體要求在工藝參數(shù)空中選擇成形過程中的電弧電流、掃描速度、氣流量等關(guān)鍵工藝參數(shù)，通過VC ++編制的轉(zhuǎn)換程序(圖5)將其組合為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制程序。

以下為自動(dòng)生成的部分控制程序代碼:

圖4 六自由度機(jī)器人簡圖

圖5 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制代碼轉(zhuǎn)換程序

在控制程序完成后，可用機(jī)器人DTPS 模擬軟件進(jìn)行成形路徑軌跡的仿真，如圖6 所示。

圖6 成形路徑軌跡仿真

3 成形實(shí)驗(yàn)

利用轉(zhuǎn)換程序生成了單道薄壁件和單層截面填充的控制代碼，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，圖7 所示為單道多層的試件，圖8 為往復(fù)掃描方式進(jìn)行的單層多道成形實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖7 單道多層的試件

圖8 單層往復(fù)掃描成形

4 結(jié)語

構(gòu)建了一種基于六自由度機(jī)器人的金屬熔覆3D打印成形系統(tǒng)。開發(fā)了機(jī)器人掃描路徑文件自動(dòng)生成程序，將成形路徑數(shù)據(jù)與工藝參數(shù)設(shè)定組合，實(shí)現(xiàn)了打印過程。

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