自動化增材制造路徑規(guī)劃與算法研究

謝宇玲

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院 機械與智能制造學(xué)院，福州 350007）

增材制造技術(shù)是促進制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵技術(shù)。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對該技術(shù)的關(guān)注度越來越高。目前，普遍采用的電弧增材制造受技術(shù)方面限制，在其應(yīng)用中存在一定的局限性。為了提升應(yīng)用水平，要注重自動化增材制造系統(tǒng)的研究，并結(jié)合實際生產(chǎn)情況，發(fā)揮出該技術(shù)的有效作用，從而推動我國制造業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

電弧增材制造具有綜合性特點，整合了增材制造、傳統(tǒng)數(shù)控加工等工藝的優(yōu)勢，能夠發(fā)揮出更大的作用。雖然傳統(tǒng)數(shù)控加工取得了較大進展，但是其自動化水平不高，生產(chǎn)需要耗費的時間較長。相比較而言，增材制造的自動化優(yōu)勢更高。

1 自動化增材制造總設(shè)計

1.1 自動化絲材電弧增材制造要求

要實現(xiàn)自動化絲材電弧增材制造需要經(jīng)過多個步驟。該技術(shù)自動化水平較高，能夠在滿足質(zhì)量要求的基礎(chǔ)上直接生成所需產(chǎn)品。工作人員在此過程中需要構(gòu)建焊道模塊，完善不同材料的焊道模型數(shù)據(jù)庫，如鈦合金焊道、鋁合金焊道等，從而滿足實際增材制造中的需求。在計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）模型切片過程中，切片算法對效率要求較高。從未來發(fā)展趨勢來看，會出現(xiàn)多種切片算法[1]，因此要注重增材制造中切片算法的研究。

1.2 自動化增材制造流程規(guī)劃

根據(jù)自動化增材制造情況來看，從CAD模型輸入環(huán)節(jié)到最終生成產(chǎn)品，包含有多個環(huán)節(jié)，如切片和路徑規(guī)劃等，具體流程規(guī)劃如圖1所示。

圖1 增材制造流程規(guī)劃圖

1.3 自動化絲材增材制造硬件平臺

機器人電弧絲材增材制造硬件平臺組成部分較多，如ABB機器人和計算機等。其不同部分發(fā)揮的作用也不相同，需通過各部分之間的協(xié)調(diào)配合，共同構(gòu)成了一個完整的運行體系。

1.4 自動化絲材增材制造軟件設(shè)計

本研究采用Java語言開發(fā)出一種絲材電弧焊接增材制造軟件系統(tǒng)，具有通用性和高效性等特點。另外，由于Java程序編譯后具有較強的適用性，該系統(tǒng)可以在多種平臺上運行，提高了軟件的應(yīng)用水平。

2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)焊道建模

根據(jù)制造活動的實際開展情況來看，通過單個焊縫的累積能夠形成逐層沉積策略。因此，單條焊縫在一定程度上有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2.1 實驗裝置

以往測量的對象只是焊縫高度和寬度，不是完整的橫截面模型，所以對焊縫橫截面積的預(yù)測誤差會比較大。本次實驗活動采用絲材電弧增材制造系統(tǒng)以及ABB機器人裝置開展，提取焊道輪廓時采用3D激光掃描系統(tǒng)。

2.2 實驗設(shè)計

絲材選用不銹鋼絲和不銹鋼板，其中不銹鋼板是一種奧式不銹鋼，含有碳、錳等化學(xué)成分，具有焊接和折彎性能好等優(yōu)勢。通過查閱相關(guān)文獻可知，影響焊道幾何形狀的因素眾多，如焊道電壓、電流等，實驗變量選擇為焊接速度、噴嘴高度等[2]。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)實況，一般為保障焊接工作順利開展，需要合理設(shè)置有關(guān)參數(shù)。在應(yīng)用絲材電弧增材制造技術(shù)時，熔焊過程中對熱量需求較少。若熱量較多對焊道成形會產(chǎn)生不利影響，所以要嚴(yán)格控制焊接參數(shù)。為了確保實驗參數(shù)選擇的正確性，在焊接實驗時需要選擇最小的送絲速度和最大的焊接速度，這樣得到的焊接效果較好。

2.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立焊道模型

通過調(diào)整不同工藝參數(shù)，可以獲得相應(yīng)的焊道輪廓。在本文研究中，通過分析焊道幾何形狀與參數(shù)設(shè)置的關(guān)系，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的支持下，計算出了不同幾何形狀的焊接參數(shù)。絲材電弧增材制造系統(tǒng)在運行過程中，可以在明確路徑規(guī)劃步進距離后匹配相對應(yīng)的焊接參數(shù)。在應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建焊道模型的過程中，需要先全面了解該網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)中存在多層節(jié)點，且不同節(jié)點計算能力不同，主要包括隱含層數(shù)、學(xué)習(xí)系數(shù)及激活函數(shù)等參數(shù)[3]。

2.4 仿真結(jié)果分析

2.4.1 焊接電流對焊道寬度、高度的影響

通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析了焊接電流對焊道寬度、高度的影響，其關(guān)系如圖2所示。

圖2 焊接電流對焊道寬度、高度的影響

由圖2可知，焊道高度隨電流的增大呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)焊接電流為205 A左右時，焊道的寬度、高度達到最大。

2.4.2 噴嘴高度對焊道寬度、高度的影響

通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型探究噴嘴高度對焊道寬度、高度的影響發(fā)現(xiàn)，這兩者之間表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的關(guān)系，即噴嘴高度值越大，焊道寬度及高度越小。

3 CAD模型切片

在絲材電弧增材制造過程中，需要重視分層切片這一步驟，這是該制造系統(tǒng)運行的關(guān)鍵步驟[4]。相關(guān)人員需要先在CAD系統(tǒng)中輸入相關(guān)模型，完成此項工作后將該模型轉(zhuǎn)變?yōu)镾TL格式，之后再進行切片操作。

3.1 等厚模型切片

在絲材電弧增材制造系統(tǒng)的研發(fā)過程中，導(dǎo)入STL模型后對STL文件的分層處理是關(guān)鍵的一步。先利用3D模型設(shè)計軟件將目標(biāo)文件轉(zhuǎn)換為STL模型，通過弦高和角度來控制偏差，同時通過步長大小控制精度，隨后將3D層切成2.5D層，并對不同層的數(shù)據(jù)信息進行處理，最終得到不同分層輪廓。

3.2 自適應(yīng)模型切片

自適應(yīng)模型切片會存在一定的階梯效應(yīng)，主要影響因素是增材制造工藝的精度。這一因素會導(dǎo)致二維截面輪廓疊加加工時產(chǎn)生重疊誤差，尤其是在模型相鄰截面面積較大的情況下，階梯效應(yīng)會更加明顯。由于對三維模型切片會形成二維輪廓，在階梯效應(yīng)的影響下成型實體質(zhì)量很難保障。為了解決這一問題，要適當(dāng)減小切片厚度，采用面積的相差程度來自適應(yīng)切片[5]。

3.3 切片截面面積計算

在對模型切片進行處理之后可以得到一個二維截面。若該截面是多邊形，則要按照相應(yīng)多邊形的計算方式來計算。若二維截面包含多個多邊形，就要根據(jù)實際情況分別探討。通過研究可知，當(dāng)三維模型切片截面包含多個多邊形時，其面積為多個多邊形面積的總和。若各圖形間有重疊現(xiàn)象，則需要減去重疊的部分。在計算多邊形面積時，要先找出面積最大的多邊形，再判斷和其他多邊形的位置關(guān)系，以保證面積計算的準(zhǔn)確性[6]。

3.4 模型切片結(jié)果

在Java程序中實現(xiàn)了切片算法，可以對復(fù)雜的STL模型進行切割，且應(yīng)用效果較好。采取本文論述的切片算法能夠有效保存3D圖形的形態(tài)，最終得到不同層的輪廓形狀。

4 沉積路徑規(guī)劃和后處理加工

4.1 現(xiàn)有路徑規(guī)劃方法

有關(guān)增材制造工藝的沉積路徑模型比較多，如柵格、Z字格等。本研究探討了各種沉積路徑的優(yōu)勢，并根據(jù)生產(chǎn)實況構(gòu)建了混合路徑模型。這一過程對于提高絲材電弧增材制造系統(tǒng)有很大幫助，能夠提高其沉積效益與精度。連續(xù)路徑規(guī)劃是一種工具路徑生成方法，可以覆蓋空間的區(qū)域，使其不和自身相交，目前在增材制造工藝中可以起到減少收縮的作用。

4.2 絲材電弧增材制造路徑規(guī)劃要求

作為自動化增材制造系統(tǒng)運行的關(guān)鍵步驟，路徑規(guī)劃至關(guān)重要。傳統(tǒng)的路徑規(guī)劃方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代自動化增材制造系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展需求。絲材電弧增材制造路徑規(guī)劃需要遵循以下要求。

第一，魯棒性。因為沉積路徑是自動生成的，所以不會受到任何幾何復(fù)雜性的影響。但是，若沉積物尺寸過大，在規(guī)劃絲材電弧增材制造路徑的過程中，可能會受到幾何形狀的影響。因此，相關(guān)人員要對該現(xiàn)象引起重視。第二，無空隙沉積。因為空隙會使后續(xù)工作產(chǎn)生一些難以預(yù)測的問題，所以在路徑規(guī)劃時要考慮無空隙沉積。尤其是在絲材電弧增材制造中，若規(guī)劃路徑不合理會增加產(chǎn)品間隙距離，最終引發(fā)嚴(yán)重問題。這在薄壁結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)得比較明顯，工作人員要對此引起重視[7]。

4.4 后處理加工

根據(jù)實際生產(chǎn)需求對完成的結(jié)構(gòu)件進行加工處理，可以得到質(zhì)量較高的結(jié)構(gòu)件。在傳統(tǒng)模式下可以采用數(shù)控銑床（Computer Numerical Control，CNC）加工，由于技術(shù)條件的限制，無法實現(xiàn)自動化。但在絲材電弧增材制造中，后處理加工可以實現(xiàn)自動化，大大提升了產(chǎn)品的加工效率。絲材電弧增材制造后處理加工包括頂部區(qū)域加工、側(cè)面區(qū)域加工和底部區(qū)域加工。其中：頂部區(qū)域加工的加工路徑比較簡單，不會涉及到自相交問題；側(cè)面區(qū)域加工需要通過偏移幾何的邊界來生成；底部區(qū)域加工在電弧焊接中會產(chǎn)生熱量，其襯底將導(dǎo)致底部區(qū)域中的尺寸發(fā)生變化，所以對基底區(qū)域進行加工十分必要。

4.5 機器人代碼生成

將CAD模型進行切片路徑規(guī)劃后，需要對生成的文本文件進行轉(zhuǎn)換，保證機器人可以識別，然后將相關(guān)信息導(dǎo)入機器人代碼轉(zhuǎn)換模塊生成代碼，再將機器人代碼文件通過硬盤導(dǎo)入機器人控制器。在后處理加工過程中，要發(fā)揮出后處理加工模塊的作用，對路徑文件和焊槍進行轉(zhuǎn)化后再加工，必要時可以采用兩臺機器人進行焊接和銑削，以滿足實際生產(chǎn)所需。

5 結(jié)語

綜上所述，為了順應(yīng)制造業(yè)發(fā)展需求，本文研發(fā)出自動化增材制造系統(tǒng)。與傳統(tǒng)工藝相比，該系統(tǒng)的應(yīng)用效果有了明顯改善。該系統(tǒng)中路徑規(guī)劃和算法是研究的重點，因此要進行深入分析，以保證其具有科學(xué)合理性。自動化增材制造系統(tǒng)的應(yīng)用價值較高，將其和實際生產(chǎn)情況相結(jié)合，能夠促進制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，朝著現(xiàn)代化方向不斷邁進。