[发明专利]一种电弧熔丝曲面增材位姿建模方法及控制方法

说明书

一种电弧熔丝曲面增材位姿建模方法及控制方法，包括空间曲面上焊道位置、焊道姿态和焊枪位置、焊枪姿态的描述与几何建模的电弧熔丝曲面增材位姿建模方法，以及采用曲面测地距离参考线偏移的焊道姿态控制方法、采用基于碰撞检测和平顺优化的焊枪自适应姿态控制方法；建立工件坐标系、焊道坐标系和焊枪坐标系来描述空间曲面上焊道和焊枪位姿；焊道姿态由焊道坐标系下的焊道倾角和焊道转角进行建模描述；焊枪姿态由焊枪侧偏角和焊枪行走角来确定；工件坐标系、焊道坐标系和焊枪坐标系可通过齐次坐标变换相互转化。本方法不仅实现对焊道和焊枪的位置与姿态精确控制，而且便于实现机器人空间曲面增材制造的自适应轨迹规划和姿态控制。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种电弧熔丝曲面增材位姿建模方法及控制方法。

背景技术

电弧熔丝增材制造作为一种金属增材制造方法之一，相比于激光、电子束增材制造，具有成形效率高、对于大型构件的成形尺寸无限制、原材料和设备成本低的特点，其主要应用目标是大尺寸复杂构件的低成本、高效快速近净成形，目前已经广泛应用于整体化航天结构件的增材制造和各类大型模具的增材修复再制造。

传统的电弧增材制造通常为基于平面分层方式的逐层堆积原理，这种方式在模型表面曲率较大时会产生明显的阶梯效应，导致表明质量差；同时，对于模具的增材修复再制造，通常要求根据模具的热应力状态进行梯度材料修复，梯度材料与模具型腔曲面结构随形分布，传统的平面分层增材制造无法实现这一目的。而电弧熔丝曲面随形增材制造可以从本质上解决上述问题。

对于电弧熔丝曲面随形增材制造，增材分层面不再水平，而是随着曲面法向连续变化，与成形零件的曲面结构相适应，焊道成形沿着曲面进行堆积，这种方式与普通水平堆焊完全不同。在电弧熔丝成形过程中，作用在熔滴上的力有电磁力、保护气吹力、重力、表面张力和等离子弧力等。在普通水平电弧熔丝成形过程中，焊道所在平面垂直于重力方向，因此焊道方向与重力方向始终垂直，也即夹角为90°；而在曲面电弧熔丝成形过程中，焊道方向受到曲面结构和成形方向的影响，其与重力方向的夹角在0°到180°之间；堆焊位置不同，成形时重力对熔池的影响也不同。另一方面焊枪位置与焊道位置一同发生变化，焊枪随着曲面结构进行偏斜，电弧轴线也相应改变，从而影响电弧力对熔池的作用。在曲面上进行电弧熔丝随形增材制造时，焊道和焊枪的位姿影响着电弧力方向和重力作用方向，从而形成不同的流动行为，最终影响着成形质量和性能，为此，有必要对电弧熔丝曲面随形增材位姿进行几何建模，以实现对焊道和焊枪的位置与姿态精确控制，便于机器人空间曲面增材制造的自适应轨迹规划和姿态控制。

曲面随形增材制造作为一种新的增材制造方式，目前的研究较少，特别是针对电弧熔丝曲面增材的位姿建模及其控制方面未见有相关专利知识产权或学术研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电弧熔丝曲面增材位姿建模方法及控制方法，以实现对焊道和焊枪的位置与姿态精确控制，便于机器人空间曲面增材制造的自适应轨迹规划和姿态控制。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种电弧熔丝曲面增材位姿建模方法，该建模方法包括以下步骤：

S1、建立工件坐标系{A}，该坐标系为笛卡尔坐标系O₀x₀y₀z₀；

其中，O₀x₀y₀面为水平平面，O₀点的位置和O₀x₀、O₀y₀的方向按照工件定位进行确定，O₀z₀方向与重力方向相反，工件坐标系{A}满足右手定则条件；

S2、建立焊道坐标系{B}，该坐标系为笛卡尔坐标系O₁x₁y₁z₁；