劉家俊, 黃 英, 袁自鈞, 陳向東, 高 峰

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230009)

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激光熔覆成形尖角插補(bǔ)算法優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)

劉家俊, 黃 英, 袁自鈞, 陳向東, 高 峰

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230009)

文章通過(guò)對(duì)激光熔覆過(guò)程中機(jī)器人在尖角處過(guò)渡時(shí)產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析,提出了機(jī)器人在尖角處勻速過(guò)渡的插補(bǔ)算法。通過(guò)在尖角外圍添加補(bǔ)償點(diǎn)并精確控制激光開/關(guān)設(shè)計(jì)了機(jī)器人插補(bǔ)流程,利用C#.NET編程語(yǔ)言編寫機(jī)器人插補(bǔ)軟件,并采用OpenTK實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)算后的數(shù)據(jù)可視化。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)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(jié)果為激光熔覆含有尖角特征的薄壁件提供了理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

激光熔覆;機(jī)器人;尖角薄壁件;插補(bǔ)算法;軌跡規(guī)劃

0 引 言

激光熔覆成形技術(shù)是激光直接制造金屬零件技術(shù)的一種,又稱為激光近凈成形(laser engineering net shaping,LENS)技術(shù)[1-3],多用于高價(jià)值大型復(fù)雜金屬零件的制造[4-5]、修復(fù)[6-7]及表面改性等[8-9]。激光熔覆成形薄壁類零件已經(jīng)得到了廣泛關(guān)注與研究[10-11]。然而,對(duì)于帶尖角薄壁件的研究較少,且利用激光熔覆成形技術(shù)在制造薄壁件時(shí)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(duì)簡(jiǎn)單,這緣于激光沿直線掃描時(shí)速度和方向都可保持不變,沿圓弧掃描時(shí)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(duì)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(shí)較難。

因?yàn)楹屑饨翘卣鞯谋”诩?jīng)過(guò)軟件分層處理后,截面信息中至少存在2個(gè)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(xiàn)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(shì),方向改變等。掃描速度的變化會(huì)導(dǎo)致尖角過(guò)渡區(qū)域因相對(duì)熔覆時(shí)間較長(zhǎng)產(chǎn)生凸起,很大程度上影響成形件的成形質(zhì)量,甚至于導(dǎo)致成形失敗。

為克服上述問(wèn)題,本文分析了在尖角處產(chǎn)生誤差的原因,并設(shè)計(jì)了插補(bǔ)算法和機(jī)器人路徑插補(bǔ)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(tǒng)通常由六軸機(jī)器人、同軸送粉熔覆頭、激光器和冷卻機(jī)等構(gòu)成。激光熔覆制造原理是基于三維建模軟件生成零件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design,CAD)模型,將CAD模型離散為一系列空間坐標(biāo)點(diǎn),機(jī)器人根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)依次運(yùn)動(dòng),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(guò)程中,送粉率和激光能量密度等參數(shù)是決定零件成形質(zhì)量好壞的關(guān)鍵性因素[12]。通常需要激光功率、送粉率、機(jī)器人移動(dòng)速度等均保持恒定。其中激光功率恒定和送粉率恒定的實(shí)現(xiàn)都較為簡(jiǎn)單,而機(jī)器人移動(dòng)速度則受限于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性不易保持恒定。機(jī)器人末端激光器在伺服電機(jī)帶動(dòng)下由P1點(diǎn)開始加速運(yùn)動(dòng)后勻速運(yùn)動(dòng),在抵達(dá)P2點(diǎn)前開始減速,直到在P2點(diǎn)速度為0,再開始下一段運(yùn)動(dòng),如圖1所示。同理,P2～P3段、P3～P4段都不可避免地要經(jīng)歷一個(gè)加速—恒速—減速—停止的過(guò)程。

圖1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性示意圖

正方形薄壁件如圖2所示，機(jī)器人在各點(diǎn)之間運(yùn)動(dòng)速度的變化導(dǎo)致了激光熔覆中能量密度和送粉量的變化,4個(gè)直角處因?yàn)闄C(jī)器人速度變化而出現(xiàn)了明顯的凸起,嚴(yán)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度不恒定而引起的成形誤差,文獻(xiàn)[13]提出了一種采用電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光噴頭與加工熔池之間的距離,并將檢測(cè)距離實(shí)時(shí)反饋至計(jì)算機(jī),并與原始設(shè)定值進(jìn)行比較和差值運(yùn)算。在每步結(jié)束后,將差值補(bǔ)償?shù)较乱徊街?以完成提升量的補(bǔ)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(guò)程相對(duì)復(fù)雜。

在機(jī)器人恒速控制領(lǐng)域,插補(bǔ)運(yùn)算方法常被應(yīng)用于機(jī)器人連續(xù)運(yùn)動(dòng)中,多采用三次樣條曲線或圓弧插補(bǔ)的方法使機(jī)器人在拐角處盡量平滑過(guò)渡,如圖3所示。

圖3 圓弧過(guò)渡示意圖

圖3中,lc為當(dāng)前熔道;ln為下一個(gè)熔道,在機(jī)器人接近拐角時(shí)會(huì)用逼近軌跡代替原來(lái)的軌跡。該方法雖然能讓機(jī)器人在拐角處不會(huì)停頓,但由于在拐角內(nèi)側(cè)插入了過(guò)渡曲線,從而導(dǎo)致拐角處產(chǎn)生了較大的未熔覆區(qū)域,以致造成較大的成形誤差。

2條圓弧相切時(shí)的過(guò)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(jī)器人根本無(wú)法到達(dá)P2點(diǎn),產(chǎn)生的軌跡誤差則會(huì)更大,無(wú)法滿足制造需求。

圖4 2條圓弧相切時(shí)的過(guò)渡曲線示意圖

2 機(jī)器人恒速過(guò)渡插補(bǔ)算法

2.1 尖角過(guò)渡插補(bǔ)算法

針對(duì)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(jī)器人在尖角處恒速控制的插補(bǔ)算法,其原理是利用尖角外側(cè)額外插入2個(gè)點(diǎn)以避免機(jī)器在尖角處減速。尖角過(guò)渡插補(bǔ)算法示意圖如圖5所示,圖5中,Pn為當(dāng)前點(diǎn);Pn-1為前一個(gè)點(diǎn);Pn+1為后一個(gè)點(diǎn);T和S為要插補(bǔ)的2個(gè)點(diǎn)。

圖5 尖角過(guò)渡插補(bǔ)算法示意圖

機(jī)器人實(shí)際的運(yùn)行軌跡是Pn-1—Pn—S—T—Pn—Pn+1,通過(guò)精確控制激光器的開關(guān),使第1次到達(dá)Pn點(diǎn)時(shí)關(guān)閉激光,第2次到達(dá)Pn點(diǎn)時(shí)打開激光,可以保證機(jī)器人在經(jīng)過(guò)尖角Pn時(shí)速度的大小不發(fā)生改變。其中,L的長(zhǎng)度應(yīng)不小于機(jī)器人從0加速到勻速的距離。此時(shí),Pn點(diǎn)可以被看作熔覆了2次,多層堆積后依然會(huì)產(chǎn)生凸起,為此,改進(jìn)的方法是通過(guò)設(shè)置激光器的開/關(guān)光延時(shí),來(lái)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(jì)算當(dāng)前點(diǎn)Pn分別與前一個(gè)點(diǎn)Pn-1和下一個(gè)點(diǎn)Pn+1所組成向量的夾角的大小α,根據(jù)(1)式和(2)式計(jì)算夾角大小,并判斷是否需要進(jìn)行插補(bǔ)。(1)式、(2)式具體如下：

(1)

(2)

若需要插補(bǔ),通過(guò)(3)～(6)式計(jì)算出點(diǎn)T和點(diǎn)S的坐標(biāo)，具體如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

其中,Tx、Ty、Sx、Sy分別代表點(diǎn)T和點(diǎn)S的x軸坐標(biāo)和y軸坐標(biāo)；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(biāo)和y軸坐標(biāo)。L需滿足(7)式,其中a為機(jī)器人的加速度,V為機(jī)器人設(shè)定的工作速度。L的值需根據(jù)制造零件的大小及工作臺(tái)的范圍進(jìn)行設(shè)定。

2.2 不同角度的過(guò)渡

上述算法提供了一種機(jī)器人拐角過(guò)渡的設(shè)計(jì)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(xù)的2段,需要考慮到線段與線段之間的搭接問(wèn)題。以直角過(guò)渡為例,直角過(guò)渡示意圖如圖6所示,lc為當(dāng)前熔覆段,ln為下一個(gè)熔覆段,當(dāng)機(jī)器人抵達(dá)E點(diǎn)后關(guān)閉激光器,再經(jīng)過(guò)插補(bǔ)點(diǎn)T和S,進(jìn)入下一個(gè)熔覆段ln。此時(shí),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(diǎn)距離F點(diǎn)較近，則會(huì)產(chǎn)生較大的未熔覆區(qū)；反之，開光點(diǎn)距離E點(diǎn)較近則會(huì)在直角處過(guò)度堆積,多層熔覆后會(huì)產(chǎn)生凸起。

圖6 直角過(guò)渡示意圖

由于直線與直線的搭接受多個(gè)變量相互作用,通過(guò)理論計(jì)算得到最佳開光點(diǎn)較為繁雜,本文通過(guò)試驗(yàn)得出在E和F的中點(diǎn)處開激光會(huì)使直角處的成形效果較好,不易出現(xiàn)凸起。即在激光器抵達(dá)E點(diǎn)后延遲一個(gè)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(qū)域,該區(qū)域需保證在合適的范圍內(nèi),以填補(bǔ)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(guò)大，則會(huì)堆積過(guò)多粉末,產(chǎn)生凸起;反之，若二次熔覆的面積太小，則會(huì)在2條熔道搭接處產(chǎn)生縫隙。

圖7 直角過(guò)渡中推遲距離r后開光示意圖

假設(shè)當(dāng)前熔道與下一個(gè)熔道相夾45°時(shí),關(guān)光點(diǎn)E和開光點(diǎn)F相距仍為光斑半徑,如圖8所示,由圖8可以明顯發(fā)現(xiàn)二次熔覆的區(qū)域面積變大了,意味著會(huì)有更多的粉末被熔覆在了熔道lc上,多次堆積后會(huì)產(chǎn)生凸起。由此可知,不同角度間的搭接率并不能簡(jiǎn)單地設(shè)為一個(gè)定值,對(duì)于不同的角度值的過(guò)渡所需要的開光延時(shí)是不同的。改進(jìn)方法是將開光點(diǎn)放置在當(dāng)前熔道lc的內(nèi)側(cè)邊線上,能有效減小二次熔覆區(qū)域的面積并保持在合理的范圍之內(nèi),如圖9所示,則關(guān)光點(diǎn)E與開光點(diǎn)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(guò)渡中推遲距離r后開光示意圖

圖9 尖角過(guò)渡中推遲距離d后開光示意圖

3 插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

3.1 插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)

為能驗(yàn)證并實(shí)現(xiàn)上述算法,本文采用C#.NET 編程語(yǔ)言對(duì)算法進(jìn)行編程并編譯成機(jī)器人插補(bǔ)軟件,其流程如圖10所示。

程序讀取經(jīng)過(guò)三維模型切片處理后的cli文件,將cli文件中的點(diǎn)集存入程序列表中。因?yàn)镃AD文件經(jīng)過(guò)切片處理后點(diǎn)與點(diǎn)之間的間距很小,數(shù)據(jù)量較大,所以有必要將點(diǎn)集進(jìn)行一次粗插補(bǔ),從而可以減少數(shù)據(jù)冗余、避免機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生抖動(dòng)。將粗插補(bǔ)后的點(diǎn)更新到程序列表中,再計(jì)算每個(gè)點(diǎn)所在的角度值來(lái)判斷是否需要插補(bǔ)過(guò)渡點(diǎn)并將需要插補(bǔ)的點(diǎn)作特征標(biāo)記,其特征標(biāo)記的目的是為了在標(biāo)記點(diǎn)后加入開/關(guān)光命令,之后再次更新程序列表中點(diǎn)集。更新完畢后,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成KUKA機(jī)器人可識(shí)別的DAT文件和SRC文件,其中DAT文件和SRC文件分別存儲(chǔ)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)命令和運(yùn)動(dòng)控制命令。

圖10 算法程序流程

數(shù)據(jù)可視化不僅可以方便實(shí)驗(yàn)人員觀察插補(bǔ)后的路徑是否合理,還可以模擬機(jī)器人運(yùn)行軌跡,為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可行性提供參考,提高實(shí)驗(yàn)效率。本文采用免費(fèi)的數(shù)據(jù)可視化方案OpenTK,提供了OpenGL的.NET實(shí)現(xiàn)。其程序界面及插補(bǔ)前的結(jié)果如圖11所示，插補(bǔ)后的結(jié)果如圖12所示。

圖11 程序界面及插補(bǔ)前的結(jié)果

圖12 插補(bǔ)后的三角形

由圖12可以看出,通過(guò)在每個(gè)尖角處增加2個(gè)插補(bǔ)點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)尖角處勻速過(guò)渡。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

合肥工業(yè)大學(xué)激光熔覆再制造系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要由機(jī)器人系統(tǒng)、供粉系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、激光系統(tǒng)等部分組成。機(jī)器人為KUKA KR 30 HA型六自由度關(guān)節(jié)型多功能智能機(jī)器人;供粉系統(tǒng)為 GTV PF2/2型送粉器,使用氬氣作為送粉氣和保護(hù)氣;冷卻系統(tǒng)為PH-LW190-TH2P型冷水機(jī);激光器系統(tǒng)為L(zhǎng)DF 6000-100 VGP型半導(dǎo)體激光器。

實(shí)驗(yàn)用材料為45#鋼基板和80目Ni-60合金粉末,實(shí)驗(yàn)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(yù)熱基板并除去銹跡。激光熔覆成形的工藝參數(shù)為:激光功率1 400 W,機(jī)器人移動(dòng)速度3 mm/s,光斑直徑4 mm,Z軸抬升量0.3 mm,整個(gè)成形過(guò)程均在惰性氣體氛圍下進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閹в?0°尖角的薄壁件。為了進(jìn)行對(duì)比,未進(jìn)行優(yōu)化前的激光熔覆實(shí)例如圖13所示,熔覆50層后的成形效果如圖14所示。

圖13 優(yōu)化前的激光熔覆實(shí)例

圖14 帶有60°尖角的金屬薄壁件

通過(guò)對(duì)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(guò)程產(chǎn)生的凸起。

4 結(jié) 論

為克服激光熔覆含有尖角特征薄壁零件時(shí)在尖角處出現(xiàn)凸起問(wèn)題,文中提出了一種尖角過(guò)渡插補(bǔ)算法。為驗(yàn)證插補(bǔ)算法的有效性及模擬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡,設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)可視化路徑規(guī)劃軟件,提升了工作效率。并分析了不同角度下,關(guān)光點(diǎn)與開光點(diǎn)之間的距離對(duì)熔覆效果的影響,對(duì)插補(bǔ)算法進(jìn)行改進(jìn),優(yōu)化了熔道搭接質(zhì)量。經(jīng)60°尖角熔覆實(shí)驗(yàn),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(shí)驗(yàn)結(jié)果為含有尖角特征的薄壁件激光熔覆提供了理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。基于本算法開發(fā)的應(yīng)用軟件可以實(shí)現(xiàn)角度判別、路徑插補(bǔ)、工藝參數(shù)設(shè)置、機(jī)器人路徑仿真等功能,極大地提高了操作人員的實(shí)驗(yàn)效率。

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(責(zé)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(yè)大學(xué)產(chǎn)學(xué)研校企合作資助項(xiàng)目(13-522)

劉家俊(1990-),男,安徽合肥人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生; 黃 英(1960-),女,安徽合肥人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.11.015

TG665

A

1003-5060(2016)11-1509-06