基于電弧熔絲增材制造的復合路徑規(guī)劃方法

劉海華，高文強，趙 淘，韓 亮，張文浩

(天津市現(xiàn)代機電裝備技術(shù)重點試驗室(天津工業(yè)大學)，天津 300387)

電弧熔絲增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturin，WAAM)是一種由三維坐標數(shù)據(jù)驅(qū)動，通過熔化同步供給的絲材，在基板上逐層堆積形成金屬零件的一種直接制造技術(shù)[1-2]。與傳統(tǒng)制造方法相比，WAAM具有裝置簡單，成形尺寸大，材料利用率高，制造成本低等優(yōu)勢[3-4]。

對電弧熔絲增材制造技術(shù)來說，最重要的是復雜構(gòu)件的成形能力和成形質(zhì)量[5]。科研人員從上述兩個方面對WAAM成形技術(shù)進行了大量研究，主要集中在：1)成套設(shè)備與過程控制研究，工業(yè)機器人和數(shù)控系統(tǒng)具有較高的加工柔性和可操作性，而且還能保持較高的成形精度，因而被廣泛應(yīng)用于增材制造技術(shù)。Zhang等人[6]開發(fā)了由工業(yè)機器人、弧焊系統(tǒng)和路徑規(guī)劃軟件組成的快速制造系統(tǒng)。路徑規(guī)劃軟件可實現(xiàn)三維模型分層、路徑規(guī)劃、加工軌跡輸出以及過程控制。焊槍和基板之間的距離對構(gòu)件成形精度和表面質(zhì)量具有較大的影響，距離過大，焊接過程易產(chǎn)生飛濺。Xiong等人[7]開發(fā)了一套視覺傳感系統(tǒng)，用于實時監(jiān)測并調(diào)整焊槍與基板之間的工作距離，使其始終維持在最佳距離，從而減少飛濺；2)堆焊工藝參數(shù)及方法優(yōu)化，楊永強等人[8]采用單因素法研究工藝參數(shù)對單層單道焊縫尺寸的影響，確定了單層單道成形質(zhì)量較好的工藝窗口。通過設(shè)計二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗，建立了基于二次回歸方程的直臂體尺寸預測模型。方學偉[9]將焊縫截面與拋物線、余弦函數(shù)和圓弧曲線進行擬合，發(fā)現(xiàn)焊縫截面和拋物線具有最高的擬合度，提出了相鄰焊縫斜頂搭接模型。Ding[10]探究了相鄰焊縫搭接情況，提出理想搭接模型(相鄰焊縫最佳中心距d=0.738w，w為熔寬)，該搭接率下焊縫上表面具有最高的平整度；3)路徑規(guī)劃算法開發(fā)，Ding[11]通過提取每一個薄壁構(gòu)件二維輪廓的中軸線，以中軸線為起始輪廓，由內(nèi)而外生成輪廓偏置路徑的MAT(Medial Axis Transformation)路徑規(guī)劃方法。MAT路徑規(guī)劃方法消除了傳統(tǒng)路徑規(guī)劃方法幾何中心形成的孔隙。Florent[12]對往復直線路徑和輪廓偏置路徑進行了對比研究，提出適用于薄壁構(gòu)件的MPP(Modular Path Planning)路徑規(guī)劃方法。該方法將復雜幾何輪廓分解為多個簡單區(qū)域，每一個區(qū)域均采用往復直線路徑規(guī)劃方法，但是會根據(jù)不同區(qū)域的幾何特征匹配最佳的工藝參數(shù)。

以上研究多集中在金屬增材制造設(shè)備的研發(fā)、成形工藝參數(shù)優(yōu)化及薄壁構(gòu)件路徑規(guī)劃算法的開發(fā)，但是對于具有復雜幾何特征的大尺寸金屬構(gòu)件的成形路徑規(guī)劃方法研究較少。

WAAM中路徑規(guī)劃方法的選擇應(yīng)考慮以下3個主要影響因素：1)起熄弧次數(shù)，成形過程中起熄弧處形成的弧坑不僅影響單層表面質(zhì)量，還能造成弧坑塌陷；2)幾何還原度，成形過程中二維輪廓的幾何還原度高，構(gòu)件后期所需要的精加工量就少；3)成形能力，應(yīng)當選擇填充能力強、靈活性好的路徑規(guī)劃方法，使其可以填充大多數(shù)復雜二維輪廓。

WAAM中常用填充路徑有：1)單向直線路徑，該方法無法形成一條連續(xù)的沉積路徑，需要反復起熄弧，易形成弧坑塌陷；2)往復直線路徑，該方法具有較高的成形能力，可以實現(xiàn)復雜輪廓的完全填充且需要的起熄弧次數(shù)較少，但是存在較多拐點路徑，拐點路徑主要位于切片輪廓處，而焊槍在拐點路徑處速度變化較大，可能造成大量的欠堆積或過堆積；3)輪廓偏置路徑，該方法是以切片輪廓為基礎(chǔ)，由外向內(nèi)等距偏置而得到整體填充路徑。該方法具有較高的幾何還原度，但是由外而內(nèi)偏置時，當內(nèi)部區(qū)域無法完成下一次等距偏置時，易在中心部位形成孔隙，當輪廓偏置次數(shù)過多時，必須要考慮多邊形的相交情形，增加了算法的復雜度；4)螺旋線路徑，該方法可以形成一條連續(xù)、平滑、沒有尖角的填充路徑，但是不適用于填充形狀過于復雜的二維輪廓，尤其是帶有孔洞的二維輪廓；5)分區(qū)路徑，分區(qū)填充路徑可以有效減少拉絲現(xiàn)象和因應(yīng)力集中所導致的翹曲變形，但是將復雜輪廓截面劃分為多個子區(qū)域，在不同子區(qū)域間過渡時會增加大量的空行程，還會增加起熄弧數(shù)量；6)分形線路徑可以打印出表面光滑、材料分布均勻的分層面，但是該路徑中90°拐點過多，會造成大量的過堆積，嚴重影響表面平整度[13-14]。

當前電弧熔絲增材制造技術(shù)一般只選用某一種填充路徑和成形工藝參數(shù)，但對于具有復雜幾何特征的大尺寸金屬構(gòu)件，采用單一的填充路徑往往不能很好地完成截面的高效率完全填充，工件也無法取得較好的成形質(zhì)量[13-14]。綜合考慮上述方法的優(yōu)缺點，針對具有復雜幾何特征的大尺寸金屬構(gòu)件提出輪廓偏置路徑和往復直線路徑相結(jié)合的復合路徑規(guī)劃方法，復合路徑規(guī)劃算法的實現(xiàn)流程如圖1所示。該算法的特點：1)切片輪廓只進行一次偏置，降低算法的復雜度，提高工作效率；2)優(yōu)化了切片輪廓向內(nèi)偏置距離d，消除了兩種路徑搭接時出現(xiàn)的缺陷，提高了表面質(zhì)量；3)外輪廓路徑用于提高幾何還原度，往復直線路徑用于填充內(nèi)部區(qū)域，在提高幾何還原度的同時避免幾何中心出現(xiàn)孔隙。

1 復合路徑規(guī)劃方法

1.1 三維模型的等厚度分層

金屬增材制造技術(shù)的原材料可按物理狀態(tài)分為粉末和絲材兩種。以金屬粉末為原料的增材制造技術(shù)成形精度高，因此需要非常高的分層精度，其主要分層算法有自適應(yīng)分層算法、基于哈希表的分層算法、基于三角面片法向量的分層算法。而以金屬絲材為原料的增材制造技術(shù)的主要優(yōu)點是成形尺寸大，成形效率高，單道焊縫的熔寬尺寸為3～6 mm之間，余高尺寸為1～2 mm之間；多層多道構(gòu)件的成形誤差相對較大，因此不需要非常高的分層精度，用計算復雜度較低的等厚度分層算法就可以達到使用要求。如圖2(a)所示為平衡結(jié)構(gòu)的三維模型，圖2(b)為等厚度分層結(jié)果示意圖。

圖1 復合路徑規(guī)劃算法流程圖

圖2 等厚度分層結(jié)果示意圖

1.2 二維輪廓的路徑規(guī)劃

通過等厚度分層算法可以得到三維模型的切片輪廓，提取任意層切片輪廓實現(xiàn)復合路徑填充。復合路徑規(guī)劃方法中最核心的問題就是：1)切片輪廓偏置時偏置點的計算方法；2)偏置得到的內(nèi)部填充區(qū)域如何實現(xiàn)往復直線填充。

1.2.1 輪廓偏置路徑中偏置點計算方法

在增材制造中，切片輪廓是STL格式的三維模型和切平面求交點得到的。STL格式是通過三角面片構(gòu)造出整個三維模型，因而切片輪廓是由多線段構(gòu)成的封閉輪廓，偏置點的計算方法如圖3所示。截取切片輪廓的一部分，切片輪廓頂點Qi偏置一定距離d后得到新頂點Pi。頂點Qi的坐標已知，只需求出矢量QiPi的值，便可以得到新頂點Pi的坐標值。設(shè)原頂點Qi+1、Qi、Qi-1的坐標分別為(xi+1,yi+1)、(xi,yi)、(xi-1,yi-1)，e1，e2分別為有向線段Qi+1Qi，QiQi-1的單位矢量，i、j分別為X軸和Y軸的單位向量。延長Pi+1Pi和PiPi-1分別與直線QiQi-1，Qi+1Qi交于N和M，得到平行四邊形PiMQiN，α=∠PiMT[15]：

圖3 偏置點計算方法示意圖

(1)

e2=x2i+y2j

(2)

(3)

sinα=|e1+e2|/(|e1|·|e2|)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

通過上式，可以求得Pi點的坐標值.

x′i=xi+

y′i=yi+

按照上述方法可以求得各點偏置后的坐標，按照順序依次連接便可以得到偏置后的幾何輪廓，即為內(nèi)部填充區(qū)域。

1.2.2 輪廓偏置距離優(yōu)化

相鄰焊縫搭接距對于單層多道焊縫表面成形質(zhì)量至關(guān)重要，不同的焊接工藝應(yīng)當采用不同的搭接距。經(jīng)過大量試驗，發(fā)現(xiàn)適用于等離子弧增材制造的理想搭接距離為相鄰焊縫中心距離d=0.738w[10]，w為熔寬。但是在試驗中發(fā)現(xiàn)，輪廓偏置路徑和往復直線路徑的搭接區(qū)域會出現(xiàn)孔隙，影響成形質(zhì)量。為了消除該搭接區(qū)域出現(xiàn)的孔隙，應(yīng)當在不同類型的路徑相互搭接時采用不同的搭接距。圖4(a)所示為復合路徑的實際成形圖，可以看到兩種路徑的搭接處存在孔隙(如圖4(b)所示)，其余地方均不存在表面缺陷。究其原因，往復直線路徑之間采用理想搭接可以得到很好的表面質(zhì)量，但是為了將其連接成一條連續(xù)的路徑，導致成形路徑中邊緣處存在過多的拐點，而焊縫在拐點處的成形為圓弧形，當相鄰的兩個拐點路徑和外輪廓路徑相互搭接時，就在該搭接處形成欠堆積區(qū)域，從而出現(xiàn)孔隙。

圖4 輪廓偏置路徑和往復直線路徑搭接處存在的問題

相鄰焊縫相互搭接時其中心距為d=0.738w，則兩個焊縫的搭接長度為0.262w。結(jié)合上述分析，相鄰的兩個拐點路徑和外輪廓路徑相互搭接時的實際搭接長度只有0.146w(推導過程較為簡單，不再贅述)。為了消除孔隙，應(yīng)將往復直線路徑拐點處和外輪廓路徑的搭接長度修正到0.262w。根據(jù)公式(10)可以求得優(yōu)化后的外輪廓偏置距離d′：

d′=d-d1-d2

(10)

式中：d為相鄰焊縫理想中心距(d=0.738w)；d1為理想搭接時兩個焊縫搭接部分的長度(d1=0.262w)；d2為拐點路徑實際搭接長度(d2=0.146w)。

經(jīng)計算優(yōu)化后的偏置距離d′=0.591w，因此在復合路徑規(guī)劃方法中外輪廓偏置距離均為過搭接(d=0.591w)，往復直線路徑之間的偏置距離均為理想搭接(d=0.738w)。

1.2.3 往復直線路徑生成方法

上文介紹了輪廓偏置的計算方法，并對偏置距離進行了優(yōu)化，提取偏置輪廓使用往復直線路徑對其進行填充。往復直線路徑是通過求一系列掃描線與輪廓的交點坐標，再將交點坐標以特定的方式讀取得到的，其具體的生成過程如下：

1)本算法中采用水平方向的掃描線進行填充，根據(jù)偏置輪廓的x坐標確定掃描線的生成范圍[xmin,xmax]，再根據(jù)公式(11)確定掃描線的個數(shù)N；

N=floor((xmax-xmin)/d)

(11)

2)根據(jù)設(shè)定的掃描線偏置間距d，生成所有掃描線的x坐標矩陣[xmin+d…xmin+id…xmin+nd];

3)根據(jù)公式(12)確定掃描線和偏置輪廓交點的Y坐標，交點的X坐標就是掃描線的x值；

(12)

4)將交點坐標數(shù)據(jù)以Z字形輸出。

以當前掃描線的終點為參考點，可根據(jù)公式(13)分別計算參考點與下一條直線兩個端點之間的距離，與參考點距離較近的端點作為下一個連接點，以此類推，直至得到完整的往復直線路徑。

(13)

通過上述步驟可以得到完整的加工路徑數(shù)據(jù)，包括內(nèi)部的往復直線路徑和用于提高幾何精度的外輪廓路徑。圖5展示了平衡結(jié)構(gòu)其中一層的整體路徑生成過程，需要注意的是，在輸出路徑時要先輸出往復直線路徑，再將外輪廓路徑輸出，這樣可以達到更好的成形效果。

1.2.4 G代碼輸出

三維模型經(jīng)過分層處理和路徑規(guī)劃后只能得到坐標點數(shù)據(jù)，必須將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)控機床可以識別的加工路徑，并由數(shù)控指令通過數(shù)控系統(tǒng)對弧焊系統(tǒng)進行實時控制，實現(xiàn)增材制造的離線編程。

在數(shù)控機床中，采用G開頭的數(shù)控代碼對加工軌跡進行控制。數(shù)控機床和弧焊系統(tǒng)屬于組合設(shè)備，因此沒有統(tǒng)一的數(shù)控代碼對弧焊系統(tǒng)進行實時控制。本文采用自主開發(fā)的二次代碼對弧焊系統(tǒng)進行控制，開發(fā)代碼如表1所示。

圖5 復合路徑規(guī)劃方法生成過程

表1 數(shù)控等離子弧增材制造系統(tǒng)二次開發(fā)代碼

2 實驗驗證

2.1 實驗設(shè)備

利用數(shù)控弧焊增材制造系統(tǒng)進行實驗驗證，實驗系統(tǒng)如圖6所示。該系統(tǒng)主要由路徑規(guī)劃軟件和數(shù)控弧焊系統(tǒng)組成。路徑規(guī)劃軟件包括3D模型的導入與分層、焊縫形貌預測、復合路徑規(guī)劃、G代碼輸出。數(shù)控弧焊系統(tǒng)由五軸數(shù)控加工系統(tǒng)、工作平臺、焊槍、弗尼斯焊接控制柜、焊接過程調(diào)控裝置AVC、送絲控制柜及保護氣組成。實驗采用的熔覆材料為304不銹鋼，其直徑為0.8 mm。焊接保護氣為純氬氣，保護氣流量為15 L/min。等離子氣為氬氣，等離子氣流量為1.3 L/min?；宀牧蠟镼235，其尺寸為340 mm×200 mm×12 mm(長×寬×高)。為了提高成形質(zhì)量減少液滴飛濺，焊槍噴嘴和基板之間的距離設(shè)定為3～5 mm。試驗所用的成形工藝參數(shù)如表2所示。

圖6 數(shù)控等離子弧增材制造系統(tǒng)

表2 成形工藝參數(shù)

2.2 試驗結(jié)果

圖7展示了“十”字結(jié)構(gòu)在不同路徑規(guī)劃方法下的成形結(jié)果，其中的紅色區(qū)域為成形缺陷。從圖中可以看出，往復直線路徑外輪廓的幾何還原度較低(圖7中①)；輪廓偏置路徑的幾何還原度較高，但是在幾何中心存在間隙(圖7中②)；未采用優(yōu)化的復合路徑規(guī)劃方法中(外輪廓和往復直線路徑之間的距離為0.738w)，兩種路徑的搭接處存在較多的孔隙，影響成形質(zhì)量(圖7中③)；采用優(yōu)化后的復合路徑規(guī)劃方法后(外輪廓和往復直線路徑之間的距離為0.591w，往復直線路徑之間的距離為0.738w)，孔隙被完全消除，幾何還原度較高，表面質(zhì)量達到了預期目標(圖7中④)。

圖7 不同路徑規(guī)劃方法下的成形結(jié)果

為了驗證復合路徑規(guī)劃方法在實際應(yīng)用中的可行性及適用性，利用本文開發(fā)的路徑規(guī)劃軟件生成圖8所示二維輪廓的填充路徑(圖中綠線為外輪廓路徑，黑線為往復直線路徑，虛線為焊槍快速移動路徑)。圖示的二維輪廓較為復雜，人工難以輸出精確的成形路徑加工數(shù)據(jù)，而采用本文開發(fā)的路徑規(guī)劃軟件可以快速輸出加工軌跡。

圖8(a)的成形尺寸為120 mm×80 mm，圖8(b)的成形尺寸為200 mm×200 mm，實際成形結(jié)果如圖8(c)和(d)所示。從成形結(jié)果可以看出，幾何輪廓內(nèi)部填充致密、均勻，不存在單一路徑中存在的缺陷，增加外輪廓路徑后，構(gòu)件的幾何輪廓還原度得到改善，實際成形件高度與設(shè)計相比誤差為-0.1～0.1 mm,實際成形件表面尺寸與設(shè)計相比誤差為0.3～1.5 mm。外輪廓路徑與往復直線路徑搭接處也不存在孔隙，構(gòu)件表面質(zhì)量達到了預期目標。

圖8 復雜二維輪廓的成形試驗

3 結(jié) 論

1)開發(fā)了復合路徑規(guī)劃算法，可以對復雜大尺寸切片幾何輪廓進行路徑規(guī)劃。

2)對外輪廓路徑和往復直線路徑的搭接距進行了優(yōu)化，可有效避免不同類型路徑搭接時出現(xiàn)的孔隙。

3)復合路徑規(guī)劃方法提高了構(gòu)件表面成形質(zhì)量且成形誤差較小，幾何還原度得到改善。