مقالة منهجية

التقاط الهندسة الأوتوماتيكي القائم على الليزر لتحليل العناصر المحدودة لخرز اللحام

DOI:

10.3791/68654

⸱

يوليو 25, 2025

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of Manchester, 2Henry Royce Institute, University of Manchester

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يتم وصف عملية للحصول على مقياس شبه في الوقت الفعلي لخرز اللحام وإعداد الهندسة الناتجة تلقائيا لتحليل العناصر المحدودة.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يتطلب اللحام الانصهار للتصنيع عالي القيمة ضوابط صارمة على العملية على تشويه المكونات والتأكد من مستويات الإجهاد المتبقي المنقولة إلى المكون المكتمل. تعتمد العملية على التحكم في عدد لا يحصى من المعلمات ، مع التركيز في الغالب على ضمان الاندماج الكافي للمواد الأصلية والمواد الاستهلاكية. يمكن أن تؤدي التدرجات الحرارية العالية التي يتم نقلها أثناء العملية إلى تشويه كبير إذا تركت دون رادع ، ومستويات عالية من الإجهاد المتبقي إذا كان المكون مقيدا تماما. يتم تطبيق تحليل العناصر المحدودة بشكل شائع في عمليات اللحام بالانصهار للتنبؤ بالتشويه. ومع ذلك ، تستخدم هذه النماذج بشكل حصري تقريبا هندسة مثالية أو مبسطة محددة قبل بدء العملية ، والتي يمكن أن تكون غير ممثلة للمكون النهائي. يتم وصف بروتوكول لالتقاط الشكل الحقيقي لترسيب حبة اللحام الواحدة داخل نظام إحداثيات فريد باستخدام نظام مسح بالليزر وتحويل هذه الهندسة الملتقطة إلى شكل يمكن دمجه على الفور في تحليلات العناصر المحدودة. يسمح هذا بملء نموذج العناصر المحدودة بسرعة بهندسة تمثل الترسيب الحقيقي مع إدخال مستخدم محدود.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يستخدم اللحام الانصهار للترابط الدائم للمكونات المعدنية من خلال الذوبان الموضعي للمواد الأم والمواد الحشو. مواد الحشو هذه على شكل سلك أو قضيب. يمكن أن يختلف مصدر الحرارة لإحداث هذا الذوبان1 ، ولكن في جميع الحالات ، يتعرض كل من الوالد والحشو لدرجات حرارة وتدرجات عالية يمكن أن تؤدي هذه الرحلات الحرارية إلى تشويه كبير ، وتغييرات في خصائص المواد ، وإحداث ضغوط متبقية داخل المكون أثناء عملية اللحام وأثناء التبريد. نظرا لأن هذه الآثار الجانبية يمكن أن تكون ضارة للغاية بعمر المكونات عالية القيمة أو جدوى عملها ، فغالبا ما يتم تصميم عمليات اللحام بطريقة العناصر المحدودة (FE) لتحديد التاريخ الحراري والتشويه والإجهاد المتبقي2. تستخدم هذه النماذج عموما هندسة مبسطة أو مثالية للحام والمواد الأم ، والتي يتم تحديدها قبل حدوث أي لحام ، بدلا من استخدام هندسة تستند إلى الترسيب ثلاثي الأبعاد الكامل ، بما في ذلك مواقع بدء اللحام وتوقفه. يمكن تحقيق اللحام متعدد التمريرات القابل للتكرار باستخدام أنظمة آلية حيث يتم التلاعب بشعلة اللحام بواسطة ذراع آلية. وتجدر الإشارة إلى أنه يمكن أيضا استخدام بعض الأجهزة المستخدمة في اللحام القوسي الآلي لتصنيع المواد المضافة لترسيب الطاقة المباشر ، والذي يعرف باسم قوس ترسيب الطاقة الموجه (DED-Arc) أو تصنيع مضافات قوس الأسلاك3 (WAAM). عادة ما يتم استخدام نفس مناهج النمذجة التنبؤية أيضا ل WAAM كما هو الحال بالنسبة للانضمامإلى 4.

يمكن أن تنتج WAAM مكونات ثلاثية الأبعاد في شكل قريب من الشبكة من خلال الجمع بشكل انتقائي بين العديد من طبقات المواد المترسبة. تم استخدام WAAM في الماضي لإنشاء جدران وأشكال هندسية أخرى5 ، أنابيب6 ، بالإضافة إلى مكونات ذات طبولوجيا أكثر تعقيدا ، مثل شفرات التوربينات7. نظرا لزيادة عدد الدورات الحرارية مقارنة بالانضمام والزيادة في المواد المترسبة ، يمكن أن يصبح تشويه مكونات WAAM هذه كبيرا. على هذا النحو ، فإن أي نموذج FE يتم تنفيذه يعكس هذه العملية قد يقوض دقته من خلال هندسة الطباعة المثالية أو المفترضة. يمكن أن يكون تشويه الركيزة محدودا أثناء الترسيب عن طريق زيادة ضبط النفس الميكانيكي. ومع ذلك ، سيؤدي هذا أيضا إلى زيادة مستوى الإجهاد المتبقي في المكون النهائي ، وهو أمر غير مرغوب فيه أيضا.

تقليديا ، يمكن تحقيق فحص هندسة ما بعد اللحام يدويا باستخدام أدوات الفحص8 أو عن طريق المقطع العرضي للترسيب والركيزة للكشف عن ملف تعريف اللحام ، بما في ذلك المادة المترسبة ، والمنطقة المنصهرة للمادة الأم ، والمناطق المتأثرة بالحرارة9. وتتطلب أدوات الفحص الهندسي اليدوي، على الرغم من أنها جيدة لتوفير معلومات عن مدى الترسيب، من المشغل مقاطعة الروتين الآلي لإجراء أي قياسات ونسخ أي بيانات تم الحصول عليها. وبالمثل ، يوفر المقطع العرضي تمثيلا دقيقا للغاية للحام ولكنه مدمر ويتطلب خطوات تحضير متعددة ، والتي يجب تنفيذها خارجيا إلى مواقع التصنيع. يوفر كلا النهجين فقط معلومات حول ملف تعريف الخرزة في مواقع محددة تم قياسها ، والتي ، بالنسبة للمقطع العرضي ، قد تكون ملفا شخصيا واحدا. في المقابل ، تتمتع الماسحات الضوئية بالليزر بميزة التقييم السريع لملف تعريف اللحام دون الحاجة إلى إزالة العينة من خلية اللحام ولديها القدرة على التقاط الترسيب بأكمله بدقة عالية. تم استخدام مراقبة هندسة الخرزة الحقيقية أثناء اللحام باستخدام أنظمة الليزر10،11 بنفس الطريقة التي يتم استخدامها بشكل شائع في تشكيل المعادن12. كما تم استخدام أنظمة الليزر لالتقاط هندسة WAAM10. ومع ذلك، فإن الخطوات المحددة المتخذة لمعالجة هذه البيانات لتضمينها أو مقارنتها بتحليل FE لم يتم وصفها بشكل جيد. يقدم العمل الحالي بروتوكولا جديدا لاستخدام ماسح ضوئي ليزر آلي لمراقبة تطور هندسة اللحام بين تمريرات الترسيب ودمج الهندسة المسجلة لتحديث تحليل العناصر المحدودة (FEA) ، كما تم تحقيقه مع الحزمة التجارية ABAQUS. تعد القدرة على التقاط حبة اللحام تلقائيا في الموقع وتحويل حبة اللحام إلى هندسة إدخال FE مع مدخلات مستخدم محدودة خطوة نحو التصنيع الذكي.

الالتقاط الهندسي المستخدم في العمل الحالي هو مسح كامل للحام ، يتم تسهيله من خلال دمج الماسح الضوئي مع ذراع آلية بست درجات من الحرية مميزة ومنفصلة عن الذراع الآلية التي تتحكم في الترسيب. هذا خروج عن التنفيذ السابق لأنظمة المسح بالليزر ، والتي تم تصميمها لاستكشاف الهندسة في مواقع محددة ، إما عن طريق الوسائل المحمولةباليد 13 ، ثابتة ولكنها محدودة بمدى مرحلةالعينة 10،11 ، أو حيث يتم توصيل الماسح الضوئي بالليزر بنفس الذراع الروبوتية مثل شعلة اللحام8. يسمح النهج الحالي بالتقاط الهندسة الكاملة للحبة بغض النظر عن موقع الترسيب داخل الخلية ، في نظام الإحداثيات لخلية اللحام ، دون الحاجة إلى تركيبات مخصصة أو خوارزميات معقدة.

يمكن بعد ذلك استخدام الهندسة الملتقطة للتنبؤ بعوامل مهمة مثل تاريخ درجة الحرارة أثناء الترسيب. عند دمجها مع بيانات المزدوجة الحرارية المناسبة ، يمكن أيضا محاكاة التشويه والإجهاد المتبقي ، وهو مجاور للعمل الحالي. هذا لديه القدرة على تحسين التصنيع من خلال السماح بنمذجة العملية السريعة للحام في العالم الحقيقي. توفر الطبيعة الآلية لالتقاط الهندسة وسيلة لربط معلمات اللحام بالهندسة الناتجة. وهذا بدوره يمكن استخدامه لتطوير التحكم المحسن في العمليات وتخطيط المسار. يعتمد اللحام اليدوي الحالي على مهارة المشغل للتحكم في الإخراج. يضيف اللحام الآلي الاتساق ولكنه يحد من فرصة اتخاذ القرار أثناء التنقل. سيسمح التقاط ملف تعريف الخرزة بين التمريرات ببرمجة تمريرة الخرزة التالية ليتم تغييرها إذا رغبت في ذلك ، ودمجها مع نمذجة العملية ، لديها القدرة على تحسين معدلات الإنتاج وخصائص المواد وعمر الجزء. يتمثل البروتوكول الحالي في حالة مثال واحدة على لوحة لتوضيح سير العمل الذي تم تطويره.

إعداد خلية اللحام والمعدات المستخدمة
تتكون خلية اللحام الموضوعية من أذرع روبوتية مع المرفقات اللازمة لإجراء اللحام (يشار إليها باسم روبوت اللحام) والمسح بالليزر (يشار إليه باسم روبوت المسح). تظهر خلية الموضوع في الشكل 1. يمكن التحكم في هذه الروبوتات من خلال واجهة برمجة تفهم لغة الروبوت KUKA (KRL)14 ، وهي لغة برمجة وظيفية تعطي الروبوت التعليمات اللازمة ، والتي تفسرها الروبوتات على أنها حركات مشتركة وحركية. يعمل نظام اللحام في وضع نقل المعادن الباردة (CMT) ومجهز ب TouchSense ، وهو شكل من أشكال البحث عن النقاط الإلكترونية. كانت المادة الاستهلاكية المستخدمة عبارة عن سلك فولاذي بقطر G3Si-120n 1.2 مم في وجود خليط غاز الأرجون / ثاني أكسيد الكربون (80/20٪). كانت الركيزة المستخدمة عبارة عن صفيحة فولاذية خفيفة G43 تم تثبيتها بواسطة المشابك. كان الترسيب المفروض عبارة عن حبة على لوحة مع معلمات واردة في الجدول 1. تم اختيار هذا المزيج من معلمات اللحام لأنه كان معروفا بإنشاء ترسيب تمثيلي صناعيا. الماسح الضوئي بالليزر المستخدم قادر على مسح خط من 2048 نقطة في وقت واحد ، والذي تم استخدامه للحصول على البيانات بتردد 100 هرتز. بالإضافة إلى ذلك ، تم استخدام آلة قياس الإحداثيات (CMM) لتوفير أبعاد مكون المعايرة.

تتطلب بيانات القياس التي تم الحصول عليها من الماسحات الضوئية بالليزر المعايرة. تكون هذه الحاجة إلى المعايرة أكثر أهمية عندما يجب تحريك الماسح الضوئي لالتقاط منطقة كبيرة ذات عمليات مسح متداخلة. إذا كان الماسح الضوئي بالليزر منحرفا بالنسبة للركيزة أو لم تكن الحركة سلسة ، فسيكون هناك تشويه في الهندسة الناتجة ، كما هو موضح في الشكل 2. بالإضافة إلى ذلك ، يسجل الماسح الضوئي فقط معلومات الضوء ، والذي يعود إلى المستشعر. لذلك ، من الشائع في اللحام ، الذي ينتج سطحا منحنيا عاكس للغاية وغير موحد مع تصلب حوض الذوبان ، يمكن أن يضيع الكثير من المعلومات المكانية. لتحسين احتمالية أن يمثل الشكل الذي يتم تسجيله شكل الخرزة الحقيقي ، لذلك يلزم مستوى معين من تركيب المنحنى. في أبسط الحالات ، يمكن تقريب شكل حبة اللحام الواحدة جيدا بواسطة قطع مكافئ15. تم استخدام هذا النهج من قبل Hu et al. مع أنظمة نوع المسح بالليزر لحساب تداخلاتالخرزة 13. سيستخدم البروتوكول التالي تقنية الملاءمة هذه لحالة مثال الخرزة الفردية لإنشاء تمثيل رقمي داخل حزمة FE المحددة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

من المفترض أن كلا الروبوتين قد تم تنشيطه وخضعا لأي تشخيصات إعداد لتأكيد الامتثال الموضعي ، مثل اختبارات الفرامل ، وتم إيوائهما.

1. إجراء المعايرة

ملاحظة: قبل استخدام الماسح الضوئي بالليزر ، يجب معايرته للتأكد من أن المسافات التي يدركها تمثل المسافات الحقيقية. قد لا يكون هذا هو الحال افتراضيا ، كما لو كان الماسح الضوئي بزاوية على اللوحة ، فسيؤدي ذلك إلى حدوث تغيير مثلثي في المسافة (الشكل 2).

  1. للمعايرة ، قم بمسح مكون بأبعاد معروفة ، وهو صلب ويفضل أن يكون معدنيا ، مع إضافة نقاط ائتمانية إليه على شكل كرات.
    ملاحظة: توفر هذه الكرات شكلا سهل التعرف عليه يمكن تركيبه للعثور بشكل موثوق على مركز الكرة الإيمانية بعدد قليل من نقاط البيانات ودقة عالية. يظهر مثال على مكون في خلية اللحام في الشكل 3 أ. يظهر سير عمل الملخص المستخدم لخطوات المعايرة 1.1-1.13 في الشكل 4.
  2. ضع ما لا يقل عن ثلاث كرات إيمانية بشكل عشوائي عبر مواقع مختلفة ، على سبيل المثال ، محامل كروية قياسية أكبر من 10 مم من تصنيفات ABEC منخفضة إلى متوسطة الدرجة (على سبيل المثال ، محامل كروية بقطر 15.875 مم [0.625 ± 0.0001 بوصة]). قم بتثبيتها بالمكون بوسيط مناسب مثل راتنجات الايبوكسي الموصلة لضمان الموصلية الجيدة بين الكرة وجزء المعايرة. استخدم غسالات نصف قطرها مناسبة (على سبيل المثال ، 10 مم) لدعم الكرات لتحسين ملامسة مساحة السطح بين الكرة والمكون.
  3. حدد موقع إحداثيات عدد من النقاط على سطح الكرات الائتمانية باستخدام آلة قياس الإحداثيات (CMM) كما في الشكل 3C. سيتم استخدام هذه الإحداثيات لإنشاء مسند افتراضي يتوافق مع مركز كل من المجالات الإيمانية (الشكل 3 ب).
    1. قبل قياس المجالات الإيمانية ، قم أولا بمعايرة CCM عن طريق لصق معيار معايرة بأبعاد معروفة في فتحة CMM. يأخذ معيار المعايرة هذا شكل كرة خزفية نصف قطرها 29.993 مم مدمجة على قضيب ذو قاع ملولب بحيث يمكن تثبيته في حجرة CMM وتثبيته بإحكام.
    2. قم بربط معيار المعايرة في حاوية CMM.
    3. مع وجود طرف CMM في نفس الاتجاه الذي سيتم استخدامه لقياس المجالات الإيمانية لمكون معايرة خلية اللحام ، قم بتشغيل وظيفة المعايرة تلقائيا داخل البرنامج المناسب. لبدء تشغيل معايرة طرف CMM، مع ضبط CMM على وضع القياس ، حرك الطرف ليكون ملامسا للسطح العلوي لمعيار المعايرة. سيتولى البرنامج بعد ذلك التحكم ، ويقوم تلقائيا بتعيين الكرة المعيارية ومعايرة طرف CMM للاتجاه الحالي.
    4. بمجرد اكتمال معايرة الطرف ، احفظ المعايرة في رقم الطرف المختار ، على سبيل المثال ، رقم التلميح 1.
    5. قم بإزالة معيار المعايرة من CMM.
    6. ضع مكون المعايرة مع الكرات الإيمانية المرفقة في فتحة CMM. اختر اتجاها ولاحظ الاتجاه للرجوع إليه في المستقبل، مثل استخدام صورة فوتوغرافية مشروحة مع ترقيم كل كرة إيمانية.
    7. قم بإنشاء برنامج لتحديد النقاط في كل مجال من المجالات الائتمانية.
      1. حدد الطرف باستخدام المسبار | تغيير المسبار.
      2. حدد الكفاف | قم بقياس نقطة CNC واجعل الطرف ملامسا للكرة الإيمانية الأولى. كرر ذلك للعديد من النقاط عبر نصف الكرة العلوي من الكرة الإيمانية الأولى.
      3. افعل الشيء نفسه لكل كرة إيمانية ، وقم بإنشاء سحابة نقطية لكل سطح من سطح الكرة.
        ملاحظة: من حيث المبدأ, مطلوب ما لا يقل عن ثلاث نقاط لكل كرة لتحديد موقع المركز; ومع ذلك ، يفضل الكثير. هنا ، تم استخدام ما لا يقل عن 12 نقطة تقع على مدار النصف بأكمله ، كما يتضح من الكرة المجهزة من نقاط CMM في الشكل 3D. ستختلف الجوانب التي تنطوي على تشغيل CMM للحصول على نقاط سطحية على الكرة الائتمانية بناء على المعدات المستخدمة.
  4. احسب إحداثيات مركز الكرات الإيمانية عن طريق تركيب نقاط السطح على كرة من خلال نهج تركيب المربعات الصغرى. على سبيل المثال ، يمكن تحقيق ذلك باستخدام محلل المربعات الصغرى Numpy16.
  5. اختر أحد المجالات الإيمانية ليكون بمثابة أصل نظام إحداثيات المعايرة. اطرح هذا الإحداثي من كل مجال من المجالات الائتمانية لإنشاء نظام إحداثيات جزء.
    ملاحظة: بافتراض أن مكون المعايرة صلب ، بمجرد اكتمال إجراء CMM ومعرفة مراكز المجالات الإيمانية ، يمكن للتطبيقات المستقبلية لهذا البروتوكول تخطي الخطوات 1.2-1.5 حيث أن أبعاد مكون المعايرة ونظام الإحداثيات المرتبطة بها معروفة بالفعل.
  6. ضع مكون المعايرة في خلية اللحام في نفس الاتجاه بالنسبة إلى الأصل عند القياس في CMM.
    ملاحظة: الاتجاه ليس مهما من الناحية النظرية ولكن تكرار الاتجاه الأصلي يسمح بتحديد أي أخطاء بسهولة أكبر.
  7. قم بإعداد فحص مكون المعايرة باستخدام الماسح الضوئي بالليزر كما هو موضح في الشكل 5 أ. الإخراج في شكل ملف إحداثيات x ، y ، z.
    تنبيه: الماسح الضوئي بالليزر هو مصدر إشعاع الليزر وبالتالي يمكن أن يكون خطيرا إذا لم يتم اتباع بروتوكولات سلامة الليزر. يعد استخدام الليزر من الفئة 2M وما دون ضروري لأنه يمكن أن يؤدي الدور المطلوب وغالبا ما تكون هناك حاجة إلى شعاع مفتوح.
  8. بالنسبة لنظام الليزر التوضيحي المستخدم ، قم بقياس كل كرة ائتمانية قطرها 15.875 مم ، وقم بالمسح الضوئي عبر كل كرة ائتمانية باستخدام الماسح الضوئي بالليزر لقياس المكون (الشكل 5 أ). اقتطاع ناتج عمليات المسح الخطي هذه لإزالة أي معلومات تنشأ من الركيزة ، باستخدام مجموعة من الدوائر في x و y حول مواضع الكرة المعروفة وعتبات قيمة z. استخدم النقاط المتبقية لتناسب كرة (الشكل 5 ب) باستخدام نفس إجراء تركيب المربعات الصغرى كما في الخطوة 1.4 للحصول على إحداثيات مركزية.
    ملاحظة: قد يتفاعل التشطيب السطحي للكرات الإيمانية بشكل سيئ مع الماسح الضوئي بالليزر المستخدم. يمكن استخدام مطور اختراق الصبغة الهباء الجوي لطلاء السطح وعدم لامعه كما في الشكل 5 أ.
  9. أعد روبوت المسح الضوئي إلى موضعه الرئيسي.
  10. حدد موقع مكون المعايرة باستخدام روبوت اللحام باستخدام البحث الإلكتروني عن النقاط. استخدم طرفا معدنيا مدمجا في شعلة اللحام بأبعاد معروفة. اجعل هذا الطرف ملامسا للكرة الإيمانية في عدد من النقاط حول السطح (الشكل 6) ، على غرار نهج CMM. عندما يتصل الطرف بالكرة الإيمانية ، تكتمل دائرة الجهد المنخفض ، ويتم تسجيل موقع الروبوت الحالي مباشرة بواسطة نظام الروبوت.
    ملاحظة: يمكن تحقيق تأثير مماثل باستخدام أنواع أخرى من مكتشفات الحواف الإلكترونية المثبتة على روبوت اللحام ، والتي تعتمد على الاتصال الجسدي.
  11. استخدم هذه النقاط لتناسب الكرة وحدد موقع الموضع المركزي لكل كرة ائتمانية في نظام إحداثيات روبوت الترسيب.
  12. أعد روبوت اللحام إلى موضعه الرئيسي وقم بإزالة مكون المعايرة من خلية اللحام.
  13. استخدم نظام إحداثيات CMM لمعايرة إحداثيات خلية اللحام من خلال تحلل قيمة واحدة. يتم إعطاء مخطط تفصيلي لعملية إنشاء مصفوفات تحويل الأفيني المطلوبة في الشكل 7.
    ملاحظة: تقوم مصفوفة التحويل الأفيني الناتجة بتحويل موضع كل مركز من مراكز الكرة الإيمانية من الإحداثيات المقاسة إلى المسافات الحقيقية. سيؤدي ذلك إلى تصحيح أي اختلال في الماسح الضوئي بالليزر لاتجاه المسح.

2. حدد موضع لوحة البناء

  1. ضع الركيزة أو المادة الأم لتلقي ترسيب في خلية اللحام.
    1. قم بتشغيل الماسح الضوئي بالليزر على زوايا منطقة البناء بحيث تتدلى من حافة اللوحة ، وتبدأ تماما من اللوحة وتنتهي جزئيا على اللوحة كما في الشكل 8 أ. تأكد من أن يتم ذلك كحركة مستمرة بسرعة ثابتة ، مع معرفة تردد تسجيل البيانات. استخدم وقت الحصول على فحص معين جنبا إلى جنب مع نقطتي البداية والنهاية للمسار لتعيين موضع في الفضاء لكل مسح مسجلا في وقت معين. سجل مواقع زوايا لوحة البناء ، والتي سيتم استخدامها للحصول على هندسة مناسبة لتحليل FE.
      ملاحظة: يسمح تنفيذ الخطوة 2.1.1 بوضع زوايا اللوحة في نظام إحداثيات الماسح الضوئي بالليزر حيث ستكون هناك وظيفة خطوة مع تغيير الارتفاع بشكل كبير عند وصول الليزر فوق اللوحة (الشكل 8 ب).
    2. حدد الركيزة في نظام إحداثيات روبوت المسح عن طريق تحويل الزوايا الموجودة في الخطوة 2.1.1 إلى نظام إحداثيات روبوت اللحام عبر مصفوفة التحويل المحسوبة في الخطوة 1.13.
  2. كفحص ، باستخدام روبوت اللحام ، أحضر طرف رأس اللحام إلى كل ركن من أركان اللوحة وسجل المواقع كما هو موضح في الشكل 8C وتأكد من أن هذه المواقع كما هو متوقع.

3. إجراء الإيداع

  1. مع وجود اللوحة ، قم ببرمجة روبوت اللحام لإنتاج المسار المطلوب في الموضع الصحيح بالنسبة لموضع اللوحة في إحداثيات روبوت اللحام.
  2. ابدأ تمريرة اللحام مما يؤدي إلى ترسب حبة من المواد كما هو موضح في الشكل 9.
  3. بعد اكتمال التمرير ، اسحب رأس روبوت اللحام إلى مسافة آمنة لمنع الاصطدامات مع روبوت المسح.

4. مسح الخرزة وإنشاء هندسة FE

ملاحظة: انظر الشكل 10 للحصول على ملخص لسير العمل لمسح هندسة الخرزة واستخدام بيانات المسح لإنشاء سحابة نقطة ثلاثية الأبعاد، والتي يمكن ترسيخها وتجميعها ل FEA. توضح الخطوات التالية كيفية إجراء كل جزء من سير العمل.

  1. قم ببرمجة روبوت المسح الضوئي لاتباع مسار يسمح بمسح الخرزة. بالنسبة للخطوط البسيطة ، استخدم نقاط البداية والنهاية المماثلة لروبوت اللحام أو لطريقة أكثر قوة ، قم بإجراء مسح للوحة الكاملة.
    ملاحظة: سيستخدم هذا نفس متطلبات المسح الضوئي المستخدمة لتحديد موضع اللوحة في البداية.
  2. خذ القياسات أثناء تحريك الماسح الضوئي فوق قطعة العمل وفقا للشكل 11. لاحظ نقاط البداية والنهاية للمسار وسرعة حركة الروبوت وتردد الاستحواذ. تأكد من أن تواتر الاقتناء يتوافق مع فترات المسافة التي لا تقل عن الحد الأدنى لحجم العنصر المخصص للاستخدام في FEAاللاحقة.
  3. إذا تعذر التقاط ملف تعريف الخرزة في مسار واحد ، فقم بتمريرات متوازية متعددة مع تداخل يتوافق مع 10٪ على الأقل من مجال رؤية الماسح الضوئي بالليزر.
  4. بمجرد اكتمال عمليات المسح ، اسحب روبوت الماسح الضوئي بالليزر لمنع الاصطدامات مع روبوت اللحام في أي تمريرة لحام لاحقة.
  5. قم بملاءمة إخراج الخرزة بوظيفة تحليلية مناسبة ، يتم تسهيلها من خلال سلسلة من الأوامر المشفرة في Python. على سبيل المثال ، ترسيب حبة واحدة ، يتم استخدام وظيفة مكافئة للتركيب.
    ملاحظة: تتوفر التعليمات البرمجية Python المستخدمة لتنفيذ الخطوات 4.5.1-4.5.10 في المستودع التكميلي17. الخطوة 4.5.10 تتطلب حزمة برامج إضافية FreeCAD18، بالإضافة إلى تثبيت Python ، للعمل.
    الشكل 10 يعرض سير العمل الموضح في هذا القسم. يتم توفير مثال على الإخراج في كل مرحلة من المراحل التالية في الشكل 12 أ-ي. مثال على البرنامج النصي المستخدم للحبة الممسوحة ضوئيا في الشكل 11 جنبا إلى جنب مع الهندسة الممسوحة ضوئيا المستخدمة في الإنتاج الشكل 12 متاح أيضا في المستودع التكميلي17.
    1. قبل محاولة معالجة أو استخدام بيانات سحابة النقطة من الماسح الضوئي بالليزر بأي شكل من الأشكال ، قم بتطبيق نفس مصفوفة التحويل على إخراج الليزر كما تم العثور عليه في خطوة المعايرة 1.13.
    2. قم بقص البيانات الممسوحة ضوئيا إلى المنطقة التقريبية لحبة واحدة المراد تركيبها. تأكد من تضمين بعض اللوحة حول الخرزة ، والتي تتأثر بنسبة مئوية من عرض الخرزة للنوافذ. في هذه المرحلة، قم بإزالة أي عناصر مسح ضوئي ناتجة عن الانعكاسات باستخدام مرشحات الارتفاع.
    3. قم بتسطيح اللوحة المحلية داخل القسم الذي تم اقتصاصه من المسح الضوئي عن طريق حل الوضع الطبيعي للوحة وتطبيق مصفوفة دوران بحيث تكون البيانات الآن في نظام إحداثيات حيث تكون اللوحة العادية موازية للمحور الرأسي.
    4. حدد اتجاه الخرزة على اللوحة عن طريق تطبيق عتبة مرشح الارتفاع فوق ارتفاع لوحة القاعدة مباشرة ، ثم قم بتركيب نقاط البيانات المتبقية بكثيرالحدود من الدرجة 1. سيعطي هذا متجها لاتجاه الخرزة. إذا كان من المعروف أن الخرزة ليست مستقيمة ، فقم بتقسيم الخرزة إلى أقسام أصغر يمكن تقريبها بمقاطع مستقيمة
    5. قم بتدوير الخرزة بحيث تكون موازية للمحور y لسهولة التلاعب.
    6. قم بقص القسم المستدير لإزالة أطراف اللوحة ولكن اترك كمية صغيرة (~ 5 مم) على جانبي الخرزة للسماح بالتركيب.
    7. حدد مركز قسم الخرزة المراد تركيبه وقم بإجراء ملاءمة مكافئة للمقطع العرضي للبيانات في هذا الموضع y. ويرد سير عمل البرنامج لهذه الخطوة في الشكل 13.
    8. باستخدام الملاءمة ، استخرج نطاقات الخرزة عن طريق تقييم الملاءمة عند إحداثيات x المقابلة للحد الأقصى لارتفاع اللوحة - حيث تبدأ الخرزة.
      1. قم بتقييم الحد الأقصى لموضع y للحبة باستخدام نفس العتبة.
      2. قم بإنشاء ملفات تعريف إنهاء الخرزة باستخدام نفس الشكل المكافئ ولكن يتم نقلها إلى مستوى xy في كل طرف من طرفي الخرزة.
      3. سجل النقاط التي ستشكل المخطط التفصيلي من خلال تقييم كل القطع المكافئ في سلسلة من إحداثيات x و y التي تمتد على المدى الكامل للحبة.
    9. قم بترجمة مجال النقاط مرة أخرى إلى الإحداثيات الأصلية عن طريق بدء الخرزة أولا في أصل نظام إحداثيات جديد ، ثم تحويلها إلى نظام إحداثيات روبوت اللحام الأصلي.
    10. باستخدام أدوات الربط ، املأ سطح النقاط وقم بعمل سطح صلب يمكن استيراده إلى تحليل FE. للقيام بذلك ، استخدم برنامج FreeCAD18 للجمع بين سلسلة القطع المكافئ لإنشاء مادة صلبة ثلاثية الأبعاد كاملة مناسبة للاستيراد إلى المعالج المسبق FEA.
      1. أضف ركيزة في هذه المرحلة عن طريق تحديد إما امتدادات لوحة القاعدة الحقيقية أو الأبعاد الأخرى حسب الحاجة.
      2. استخدم وحدات الماكرو لإنشاء ملفات STL (لغة الفسيفساء القياسية) و STEP (قياسي لتبادل بيانات المنتج) باستخدام النقاط المحسوبة في الخطوة 4.5.9.
      3. بمجرد إنتاج الهندسة الصلبة ، يتم تصديرها بتنسيق ملف مناسب لتحليل FE ، وفي هذه الحالة ، تنسيق ".inp" (الإدخال). إذا رغبت في ذلك ، يمكن إنشاء شبكة العناصر المحدودة مباشرة ، بتسهيل ماكرو FreeCAD آخر. على سبيل المثال، يتم إستخدام المكون الإضافي لأداة Netgen mesh FEM إلى FreeCAD. تم إنشاء شبكة حبة المثال باستخدام دقة معتدلة داخل شبكة Netgen ، والحد الأقصى لحجم العنصر المحدد يبلغ 0.5 مم ، والحد الأدنى لحجم العنصر 0.1 مم.
        ملاحظة: في هذه المرحلة ، يمكن الآن استيراد الهندسة الحقيقية بنجاح إلى معالج تحليل FE.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يتم عرض نصف القطر والمسافات المحسوبة بين المجالات الإيمانية لمكون المعايرة في كل نظام من أنظمة الإحداثيات في الجدول 2. الخطأ بين CMM وإيجاد النقطة الإلكترونية لكل موضع كرة إمكانية صغير ، أقل من 0.1 مم. تعتمد كلتا التقنيتين على الاتصال الجسدي بين المجال الإيماني والقلم. الخطأ الناجم عن الماسح الضوئي بالليزر عند تحديد موقع الكرات كبير إلى حد ما بالمقارنة ويهيمن على 1-2 مم. يظهر تطبيق مصفوفة التحويل على مواقع الكرة الإيمانية في الشكل 14. يوضح الشكل 15

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

جودة الالتقاط
تم فحص دقة الأبعاد ودقة نظام المسح بالليزر من خلال مواضع وأنصاف أقطار المجالات الإيمانية في الجدول 2. يتم تحديد دقة كل نظام من خلال الاختلاف الموضعي للمجالات الإيمانية كما تم قياسها بواسطة أنظمة الروبوت (الماسح الضوئي بالليزر والعثور على الحواف الكهربائية) مقارنة ببيانات CMM عند تحويلها إلى نظام إحداثيات روبوت اللحام. من المعروف أن CMM يتمتع بدقة ودقة عالية ، مع عدم يقين يبلغ ±6 ميكرومتر ناتج عن دقة الماكينة الأساسية.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للإعلان عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

كما تم دعم العمل من قبل هيئة الطاقة الذرية في المملكة المتحدة من خلال برنامج صناعة الاندماج. يحفز برنامج صناعة الاندماج نمو النظام البيئي للاندماج في المملكة المتحدة ويهيئه لسوق محطات توليد الطاقة الانصهار العالمي في المستقبل. يمكن العثور على مزيد من المعلومات حول برنامج Fusion Industry على الإنترنت: https://ccfe.ukaea.uk/programmes/fusion-industry-programme/. علاوة على ذلك ، يقر جميع المؤلفين بامتنان بالوصول إلى المرافق التي يستضيفها معهد هنري رويس للمواد المتقدمة ، الممولة من منح EPSRC EP / R00661X/1 و EP / S019367 / 1 و EP / P025021 / 1 و EP / P025498 / 1. تود MJR أن تشكر السيد ستيفن برايس على الجهود المبذولة في تأكيد وظائف عناصر البرامج الواردة هنا.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
قلم روبي CMM بقطر 3 ممرينيشيوقلم يستخدم في جهاز CMM (A-5004-0422)
80٪ أرجون 20٪ غاز CO2BOCمزيج الغاز لغاز التدريع (Argosheild)
كريستا أبيكس 776ميتوتوويوآلة قياس الإحداثيات ، الدقة المقتبسة 10 µ ؛ m
سلك لحام FK 1000 MIG 1.2 ممإيابكوسلك اللحام الاستهلاكي   ؛
فري كاد 1.0فري كادبرنامج للتحكم في الأشكال الهندسية وإنشاء ملفات STL و Step و FE من سحابة النقاط. الإصدار 1.0 المستخدم
Fronius CMT 4000 GMAW لحامفرونيوسشعلة اللحام   ؛
صفيحة فولاذية خفيفة G43 50 سم × 50 سم × 2.5 سمسميث ميتالالركيزة المعدنية المستخدمة كلوحة بناء
جيوباك/ماكوسموسميتوتويو  برنامج للتحكم في CMM. الإصدار 4.0 المستخدم
كوكا KR20كوكاذراع روبوتية تستخدم كروبوت مسح ضوئي
كوكا 70 ريال كوريكوكاذراع روبوتية تستخدم كربوت لحام
LAZ3RUSجامعة مانشسترعرض ثلاثي الأبعاد قائم على LAZer في المشهد العالمي: لإنشاء هندسة FE للمسح الضوئي بالليزر. الإصدار 1.0 المستخدم
مايكرو إبسيلون LLT3010-100   مايكرو إبسيلون   ؛ماسح ضوئي بالليزر ، دقة مقتبسة 9 µ ؛ m
ميتوتوويو 30 مم مجال معايرة ديماترميتوتويو  مجال معايرة السيليكا CMM المنصهر
ScanCONTROL3000_100 مايكرو إبسيلون   ؛برنامج لالتقاط ومعالجة المعلومات من الماسح الضوئي بالليزر
استشعار اللمسفرونيوسنظام للعثور على الحافة / الميزات الإلكترونية في تنفيذ اللحام الآلي

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Shravan, C., Radhika, N., Deepak Kumar, N. H., Sivasailam, B. A review on welding techniques: properties, characterisations and engineering applications. Advances Mater Process Technol. 10 (2), 1126-1181 (2024).
  2. Smith, M. C., Smith, A. C., Ohms, C., Wimpory, R. C. The NeT Task Group 4 residual stress measurement and analysis round robin on a three-pass slot-welded plate specimen. Int J Press Vessels Pip. 164, 3-21 (2018).
  3. Ding, J., et al. Thermo-mechanical analysis of wire and arc additive layer manufacturing process on large multi-layer parts. Comput Mater Sci. 50 (12), 3315-3322 (2011).
  4. Lindgren, L. -E., Runnemalm, H., Näsström, M. O. Simulation of multipass welding of a thick plate. Int J Numer Meth Eng. 44 (9), 1301-1316 (1999).
  5. Kazanas, P., Deherkar, P., Almeida, P., Lockett, H., Williams, S. Fabrication of geometrical features using wire and arc additive manufacture. Proc Inst Mech Eng B J Eng Manuf. 226 (6), 1042-1051 (2012).
  6. Nguyen, L., Buhl, J., Israr, R., Bambach, M. Analysis and compensation of shrinkage and distortion in wire-arc additive manufacturing of thin-walled curved hollow sections. Addit Manuf. 47, 102365(2021).
  7. Dugar, J., Ikram, A., Klobčar, D., Pušavec, F. Sustainable hybrid manufacturing of AlSi5 alloy turbine blade prototype by robotic direct energy layered deposition and subsequent milling: an alternative to selective laser melting. Materials. 15 (23), 8631(2022).
  8. BS EN ISO 17637:2016: Non-destructive testing of welds: visual testing of fusion-welded joints. , British Standards Institute. (2016).
  9. BS EN ISO 17639:2022: Destructive tests on welds in metallic materials: macroscopic and microscopic examination of welds. , British Standards Institute. (2022).
  10. Aviles-Viñas, J. F., Rios-Cabrera, R., Lopez-Juarez, I. On-line learning of welding bead geometry in industrial robots. Int J Adv Manuf Tech. 83 (1), 217-231 (2016).
  11. Ye, G., Guo, J., Sun, Z., Li, C., Zhong, S. Weld bead recognition using laser vision with model-based classification. Robot Comput-Integr Manuf. 52, 9-16 (2018).
  12. Sensors & system solutions metallic flat & long products. , Micro-Epsilon. https://www.micro-epsilon.com/fileadmin/download/industries/industry-brochure--metallic-flat-long-products--en.pdf (2024).
  13. Hu, Z., Qin, X., Li, Y., Yuan, J., Wu, Q. Multi-bead overlapping model with varying cross-section profile for robotic GMAW-based additive manufacturing. J Intell Manuf. 31 (5), 1133-1147 (2020).
  14. KUKA Robot Language (KRL). , https://www.kuka.com/ (2014).
  15. Francis, J. A., Bednarz, B., Bee, J. V. Prediction of steady state dilution in multipass hardfacing overlays deposited by self-shielded flux cored arc welding. Sci Technol Weld Join. 7 (2), 95-101 (2002).
  16. Harris, C. R., et al. Array programming with NumPy. Nature. 585 (7825), 357-362 (2020).
  17. Laurence, R., Li, J., Roy, M. LAZ3RUS v0.1. Zenodo. , (2025).
  18. FreeCAD 1.0. , https://www.freecad.org/ (2025).
  19. Huang, W., Wang, Q., Ma, N., Kitano, H. Distribution characteristics of residual stresses in typical wall and pipe components built by wire arc additive manufacturing. J Manuf Process. 82, 434-447 (2022).
  20. Cambon, C., Bendaoud, I., Rouquette, S., Soulié, F. A WAAM benchmark: from process parameters to thermal effects on weld pool shape, microstructure and residual stresses. Mater Today Commun. 33, 104235(2022).
  21. Schajer, G. S., Prime, M. B., Withers, P. J. Why is it so challenging to measure residual stresses. Exp Mech. 62 (9), 1521-1530 (2022).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

Laser Geometry CaptureFinite Element AnalysisWeld Bead GeometryLaser ScanningAutomated WeldingResidual StressDigital Welding CellParabolic Curve Fitting3D Solid GeometryMesh Generation

مقالات ذات صلة