Capture automatique de la géométrie par laser pour l’analyse par éléments finis des cordons de soudure

Résumé

Un processus est décrit pour acquérir une métrologie en temps quasi réel des cordons de soudure et préparer automatiquement la géométrie résultante pour l’analyse par éléments finis.

Résumé

Le soudage par fusion pour la fabrication à haute valeur ajoutée nécessite des contrôles stricts du processus sur la distorsion des composants et la détermination des niveaux de contraintes résiduelles infligées au composant fini. Le processus dépend du contrôle d’une myriade de paramètres, en se concentrant principalement sur la garantie d’une fusion adéquate du matériau parent et des consommables. Les gradients thermiques élevés qui sont conférés au cours du processus peuvent entraîner une distorsion importante s’ils ne sont pas contrôlés, et des niveaux élevés de contraintes résiduelles si le composant est complètement retenu. L’analyse par éléments finis est couramment utilisée dans les procédés de soudage par fusion pour prédire la distorsion. Cependant, ces modèles utilisent presque exclusivement une géométrie idéalisée ou simplifiée définie avant le début du processus, qui peut ne pas être représentative du composant final. Un protocole est décrit pour capturer la forme réelle d’un dépôt de cordon de soudure unique dans un système de coordonnées unique à l’aide d’un système de balayage laser et convertir cette géométrie capturée en une forme qui peut être immédiatement incorporée dans les analyses par éléments finis. Cela permet au modèle d’éléments finis d’être rapidement peuplé avec une géométrie représentative du dépôt réel avec une entrée limitée de l’utilisateur.

Introduction

Le soudage par fusion est utilisé pour le collage permanent de composants métalliques par fusion localisée des matériaux de base et d’apport. Ces matériaux d’apport se présentent sous la forme d’un fil ou d’une tige. La source de chaleur pour effectuer cette fusion peut varier¹, mais dans tous les cas, le parent et la charge sont exposés à des températures et des gradients élevés. Ces excursions thermiques peuvent entraîner une distorsion importante, des modifications des propriétés du matériau et induire des contraintes résiduelles à l’intérieur du composant pendant le processus de soudage et pendant le refroidissement. Comme ces effets secondaires peuvent être extrêmement préjudiciables à la durée de vie ou à la viabilité des composants de grande valeur, les procédés de soudage sont souvent modélisés par la méthode des éléments finis (EF) pour déterminer l’histoire thermique, la distorsion et la contrainte résiduelle². Ces modèles utilisent généralement une géométrie simplifiée ou idéalisée de la soudure et du matériau parent, qui est déterminée avant toute soudure, plutôt que d’utiliser une géométrie basée sur le dépôt 3D complet, y compris les emplacements de début et d’arrêt du soudage. Le soudage multi-passes reproductible peut être réalisé à l’aide de systèmes automatisés où la torche de soudage est manipulée par un bras robotisé. Il convient de noter que certains appareils utilisés pour le soudage à l’arc automatisé peuvent également être utilisés pour la fabrication additive par dépôt d’énergie directe, connue sous le nom d’arc de dépôt d’énergie dirigée (DED-Arc) ou de fabrication additive à l’arc métallique³ (WAAM). Les mêmes approches de modélisation prédictive sont généralement utilisées pour le WAAM que pour l’assemblage⁴.

WAAM peut produire des composants 3D dans une forme proche du filet en combinant sélectivement de nombreuses couches de matériau déposé. WAAM a été utilisé dans le passé pour créer des murs et d’autres formes géométriques⁵, des tuyaux⁶, ainsi que des composants avec des topologies plus compliquées, tels que des pales de turbine⁷. En raison de l’augmentation du nombre de cycles thermiques par rapport à l’assemblage et de l’augmentation des matériaux déposés, la distorsion de ces composants WAAM peut devenir importante. En tant que tel, toute précision de modèle EF mise en œuvre reflétant ce processus peut être compromise par la géométrie d’impression idéalisée ou présumée. La distorsion du substrat peut être limitée pendant le dépôt par une retenue mécanique accrue. Cependant, cela augmentera également le niveau de contrainte résiduelle dans le composant final, ce qui est également indésirable.

Traditionnellement, l’inspection de la géométrie post-soudure peut être réalisée manuellement à l’aide d’outils d’inspection⁸ ou en sectionnant le dépôt et le substrat pour révéler le profil de la soudure, y compris le matériau déposé, la région fondue du matériau de base et les zones affectées thermiquement⁹. Les outils d’inspection géométrique manuelle, bien qu’ils soient bons pour fournir des informations sur l’étendue du dépôt, obligent l’opérateur à interrompre la routine automatisée pour effectuer des mesures et transcrire les données obtenues. De même, la section transversale fournit une représentation très précise de la soudure mais est destructrice et nécessite plusieurs étapes de préparation, qui doivent être effectuées à l’extérieur des sites de fabrication. Les deux approches ne fournissent des informations sur le profil du cordon qu’à des endroits spécifiques mesurés, qui, pour la coupe transversale, peuvent être un seul profil. En revanche, les scanners laser ont l’avantage d’évaluer rapidement le profil de soudure sans qu’il soit nécessaire de retirer l’échantillon de la cellule de soudure et ont le potentiel de capturer à haute résolution l’ensemble du dépôt. La surveillance de la géométrie réelle du cordon pendant le soudage avec des systèmes laser a été utilisée^10,11 de la même manière qu’elle est couramment utilisée dans le formage des métaux¹². Des systèmes laser ont également été utilisés pour capturer la géométrie WAAM¹⁰. Cependant, les étapes spécifiques prises pour traiter ces données afin de les inclure ou de les comparer à l’analyse EF n’ont pas été bien décrites. Le présent travail présente un nouveau protocole d’utilisation d’un scanner laser automatisé pour surveiller l’évolution de la géométrie de la soudure entre les passes de dépôt et intégrer la géométrie enregistrée pour mettre à jour une analyse par éléments finis (FEA), comme réalisé avec le progiciel commercial ABAQUS. La possibilité de capturer automatiquement le cordon de soudure in situ et de convertir le cordon de soudure en une géométrie d’entrée EF avec une entrée limitée de l’utilisateur est un pas vers la fabrication intelligente.

La capture géométrique utilisée dans le présent travail est un balayage complet d’une soudure, facilité par l’intégration du scanner à un bras robotique à six degrés de liberté qui est distinct et séparé du bras robotique contrôlant le dépôt. Il s’agit d’une rupture par rapport à la mise en œuvre précédente des systèmes de balayage laser, qui étaient conçus pour sonder la géométrie à des endroits spécifiques, soit par des moyens portatifs¹³, fixes mais limités par l’étendue d’un étage d’échantillon^10,11, soit lorsque le scanner laser est fixé au même bras robotique que la torche de soudage⁸. L’approche actuelle permet de capturer la géométrie complète du cordon quel que soit l’emplacement de dépôt dans la cellule, dans le système de coordonnées de la cellule de soudage, sans avoir besoin de montages personnalisés ou d’algorithmes compliqués.

La géométrie capturée peut ensuite être utilisée pour prédire des facteurs importants tels que l’historique de la température pendant le dépôt. Lorsqu’elles sont combinées avec des données de thermocouple appropriées, la distorsion et la contrainte résiduelle peuvent également être simulées, ce qui est adjacent au travail actuel. Cela a le potentiel d’améliorer la fabrication en permettant une modélisation rapide du processus de soudage dans le monde réel. La nature automatisée de la capture de la géométrie permet de relier les paramètres de soudage à la géométrie résultante. Celui-ci peut à son tour être utilisé pour le développement d’un meilleur contrôle des processus et d’une meilleure planification des trajectoires. Le soudage manuel actuel repose sur l’habileté de l’opérateur à contrôler le rendement. Le soudage robotisé ajoute de la cohérence, mais limite les possibilités de prise de décision à la volée. La capture du profil du cordon entre les passes permettra de modifier la programmation de la prochaine passe de cordon si vous le souhaitez et, combinée à la modélisation du processus, a le potentiel d’améliorer les taux de production, les propriétés des matériaux et la durée de vie des pièces. Le protocole actuel est illustré par un seul exemple de cas de perle sur plaque pour illustrer le flux de travail développé.

Mise en place de la cellule de soudage et des équipements utilisés
La cellule de soudage concernée se compose de bras robotiques avec les accessoires nécessaires pour effectuer le soudage (appelé robot de soudage) et le balayage laser (appelé robot de balayage). La cellule en question est illustrée à la figure 1. Ces robots peuvent être contrôlés via une interface de programmation qui comprend le KUKA Robot Language (KRL)¹⁴, un langage de programmation fonctionnel qui donne au robot les instructions nécessaires, qui sont interprétées par les robots comme des mouvements articulaires et moteurs. Le système de soudage fonctionne en mode transfert de métal froid (CMT) et est équipé de TouchSense, une forme de recherche électronique de points. Le consommable utilisé était un fil d’acier G3Si-120n de 1,2 mm de diamètre en présence d’un mélange de gaz argon/dioxyde de carbone (80/20 %). Le substrat utilisé était une plaque d’acier doux G43 qui a été fixée par des pinces. Le dépôt imposé était un cordon sur plaque avec les paramètres indiqués dans le tableau 1. Cette combinaison de paramètres de soudage a été sélectionnée car elle était connue pour créer un dépôt représentatif de l’industrie. Le scanner laser utilisé est capable de balayer simultanément une ligne de 2048 points, qui a été utilisée pour acquérir des données à une fréquence de 100 Hz. De plus, une machine de mesure de coordonnées (CMM) a été utilisée pour fournir les dimensions d’un composant d’étalonnage.

Les données de métrologie obtenues à partir de scanners laser nécessitent un étalonnage. Ce besoin d’étalonnage est encore plus important lorsque le scanner doit être déplacé pour capturer une grande région avec des numérisations qui se chevauchent. Si le scanner laser était incliné par rapport au substrat ou si le mouvement n’était pas régulier, il y aurait une distorsion dans la géométrie résultante, comme illustré à la figure 2. De plus, le scanner n’enregistre que des informations pour la lumière, qui retourne au capteur ; Il est donc courant dans le soudage, qui produit une surface incurvée hautement réfléchissante et non uniforme à mesure que le bain de fusion se solidifie, qu’une grande partie de l’information spatiale puisse être perdue. Pour améliorer la probabilité que la forme enregistrée représente la forme réelle du bourdon, un certain niveau d’ajustement de la courbe est donc nécessaire. Dans le cas le plus simple, la forme d’un seul cordon de soudure peut être bien approximée par une parabole¹⁵. Cette approche a été utilisée par Hu et al. avec des systèmes de type balayage laser pour calculer les chevauchements de billes¹³. Le protocole suivant utilisera cette technique d’ajustement au cas d’exemple de bille unique pour créer une représentation numérique dans le boîtier EF sélectionné.

Protocole

On suppose que les deux robots ont été activés et ont subi tous les diagnostics de configuration pour confirmer la conformité de la position, tels que des tests de freinage, et qu’ils ont été installés.

1. Effectuer l’étalonnage

REMARQUE : Avant de pouvoir utiliser le scanner laser, il doit être calibré pour s’assurer que les distances qu’il perçoit sont représentatives des distances réelles. Ce n’est peut-être pas le cas par défaut, car si le scanner est incliné par rapport à la plaque, cela créera un changement trigonométrique de distance (Figure 2).

1. Pour calibrer, scannez un composant de dimensions connues, qui est rigide et de préférence métallique, avec des points de repère ajoutés à celui-ci sous forme de sphères.
   REMARQUE : Ces sphères offrent une forme facile à identifier qui peut être ajustée pour trouver de manière fiable le centre de la sphère de repère avec un faible nombre de points de données et une grande précision. Un exemple de composant est illustré dans la cellule de soudure de la figure 3A. Le flux de travail récapitulatif utilisé pour les étapes d’étalonnage 1.1 à 1.13 est illustré à la figure 4.
2. Placez un minimum de trois sphères repères au hasard à différents endroits, par exemple, des roulements à billes standard de plus de 10 mm de calibres ABEC de qualité faible à moyenne (par exemple, des roulements à billes de 15,875 mm de diamètre [0,625 ± 0,0001 pouce]). Fixez-les sur le composant avec un support adapté tel qu’une résine époxy conductrice pour assurer une bonne conductivité entre la sphère et la pièce de calibrage. Utilisez des rondelles de rayon approprié (par exemple, 10 mm) pour soutenir les sphères afin d’améliorer la surface de contact entre la sphère et le composant.
3. Localisez les coordonnées d’un certain nombre de points à la surface des sphères repères à l’aide d’une machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) comme à la figure 3C. Ces coordonnées seront utilisées pour générer un datum virtuel correspondant au centre de chacune des sphères repères (Figure 3B).
   1. Avant de mesurer les sphères repères, étalonnez d’abord le CCM en apposant un repère d’étalonnage avec des dimensions connues dans la baie de la MMT. Ce repère d’étalonnage prend la forme d’une sphère en céramique de rayon 29,993 mm encastrée sur une tige à fond fileté afin qu’elle puisse être vissée dans la baie de la MMT et maintenue rigidement.
   2. Vissez le repère d’étalonnage dans la baie de la MMT.
   3. Avec la pointe de la MMT dans la même orientation que celle utilisée pour mesurer les sphères de repère pour le composant d’étalonnage de la cellule de soudage, exécutez la fonction d’étalonnage automatique dans le logiciel approprié. Pour commencer l’étalonnage de la pointe de la MMT, lorsque la MMT est réglée sur le mode de mesure , placez la pointe en contact avec la surface supérieure de l’étalon de référence. Le programme prend alors le contrôle, cartographie automatiquement la sphère de référence et étalonnage de la pointe de la MMT en fonction de l’orientation actuelle.
   4. Une fois l’étalonnage de l’embout terminé, enregistrez l’étalonnage sous le numéro d’embout de votre choix, par exemple, l’embout numéro 1.
   5. Retirez le repère d’étalonnage de la MMT.
   6. Placez le composant d’étalonnage avec les sphères de repère attachées dans la baie de la MMT. Choisissez une orientation et notez-la pour référence future, par exemple en utilisant une photographie annotée avec chaque sphère de repère numérotée.
   7. Créez un programme pour identifier des points sur chacune des sphères repères.
      1. Sélectionnez l’astuce à l’aide de sonde | changer de sonde.
      2. Sélectionnez le contour | mesurez le point CNC et mettez la pointe en contact avec la première sphère de repère. Répétez l’opération pour de nombreux points sur l’hémisphère supérieur de la première sphère repère.
      3. Faites de même pour chaque sphère repère, en créant un nuage de points pour chacune des surfaces de la sphère.
         REMARQUE : En principe, un minimum de trois points par sphère est nécessaire pour localiser le centre ; Cependant, beaucoup d’autres sont préférés. Ici, un minimum de 12 points situés sur l’ensemble d’une moitié a été utilisé, comme l’illustre la sphère ajustée des points CMM de la figure 3D. Les aspects de l’utilisation de la MMT pour obtenir des points de surface sur la sphère de repère varient en fonction de l’équipement utilisé.
4. Calculez les coordonnées du centre des sphères repères en ajustant les points de surface à une sphère par une approche d’ajustement par les moindres carrés. Par exemple, cela pourrait être réalisé à l’aide du solveur des moindres carrés^{Numpy 16}.
5. Choisissez l’une des sphères repères qui servira d’origine au système de coordonnées d’étalonnage. Soustrayez cette coordonnée de chacune des sphères de repère pour créer un système de coordonnées de pièce.
   REMARQUE : En supposant que le composant d’étalonnage est rigide, une fois la procédure CMM terminée et les centres des sphères repères connus, les futures implémentations de ce protocole peuvent sauter les étapes 1.2 à 1.5 car les dimensions du composant d’étalonnage et le système de coordonnées associé sont déjà connus.
6. Placez le composant d’étalonnage dans la cellule de soudage dans la même orientation par rapport à l’origine lorsqu’il est mesuré dans la MMT.
   REMARQUE : L’orientation n’est pas importante en théorie, mais la reproduction de l’orientation d’origine permet d’identifier plus facilement les erreurs.
7. Configurez le balayage du composant d’étalonnage à l’aide du scanner laser, comme illustré à la Figure 5A. La sortie se présente sous la forme d’un fichier de coordonnées x,y,z.
   ATTENTION : Le scanner laser est la source de rayonnement laser et peut donc être dangereux si les protocoles de sécurité laser ne sont pas respectés. L’utilisation de lasers de classe 2M et inférieure est nécessaire car ils peuvent remplir le rôle requis et un faisceau ouvert est souvent nécessaire.
8. Pour le système laser d’illustration utilisé, mesurez chaque sphère de repère de 15,875 mm de diamètre et balayez chaque sphère de repère avec le scanner laser pour mesurer le composant (Figure 5A). Tronquez la sortie de ces balayages linéaires pour supprimer toute information provenant du substrat, en utilisant une combinaison de cercles en x et y autour des positions de balle connues et des seuils de valeur z. Utilisez les points restants pour ajuster une sphère (figure 5B) en utilisant la même procédure d’ajustement des moindres carrés qu’à l’étape 1.4 pour obtenir une coordonnée centrale.
   REMARQUE : La finition de surface des sphères de repère peut mal interagir avec le scanner laser utilisé. Un révélateur ressuaturisé en aérosol peut être utilisé pour enduire et mater la surface, comme sur la figure 5A.
9. Remettez le robot de numérisation dans sa position d’origine.
10. Localisez le composant d’étalonnage avec le robot de soudage à l’aide de la recherche électronique de points. Utilisez une pointe métallique intégrée dans la torche de soudage dont les dimensions sont connues. Mettre cette pointe en contact avec la sphère de repère en un certain nombre de points autour de la surface (figure 6), à l’instar de l’approche CMM. Lorsque la pointe entre en contact avec la sphère de référence, un circuit basse tension est effectué et la position actuelle du robot est enregistrée directement par le système robotisé.
    REMARQUE : Un effet similaire peut être obtenu en utilisant d’autres types de détecteurs de bords électroniques montés sur le robot de soudage, qui reposent sur le contact physique.
11. Utilisez ces points pour ajuster une sphère et localiser la position centrale de chaque sphère de repère dans le système de coordonnées du robot de dépôt.
12. Remettez le robot de soudage dans sa position d’origine et retirez le composant d’étalonnage de la cellule de soudage.
13. Utilisez le système de coordonnées CMM pour calibrer les coordonnées de la cellule de soudage par décomposition à valeur unique. La figure 7 donne un aperçu du processus de création des matrices de transformation affine requises.
    REMARQUE : La matrice de transformation affine résultante transforme la position de chacun des centres de sphère repère des coordonnées mesurées en distances réelles. Cela corrigera tout désalignement du scanner laser dans la direction du balayage.

2. Localisez la position de la plaque de construction

1. Placez le substrat ou le matériau de base à recevoir un dépôt dans la cellule de soudage.
   1. Passez le scanner laser sur les coins de la zone de construction de sorte qu’il surplombe le bord de la plaque, commençant complètement hors de la plaque et se terminant partiellement sur la plaque comme dans la figure 8A. Assurez-vous que cela se fait comme un mouvement continu à une vitesse constante, la fréquence d’enregistrement des données étant connue. Utilisez l’heure d’acquisition d’un balayage particulier ainsi que les points de départ et d’arrivée du chemin pour attribuer une position dans l’espace à chaque balayage enregistré à un moment donné. Enregistrez l’emplacement des coins de la plaque de construction, qui sera utilisé pour acquérir une géométrie adaptée à l’analyse EF.
      REMARQUE : L’exécution de l’étape 2.1.1 permet de localiser les coins de la plaque dans le système de coordonnées du scanner laser, car il y aura une fonction de pas avec la hauteur changeant considérablement lorsque le laser arrive sur la plaque (Figure 8B).
   2. Identifiez le substrat dans le système de coordonnées du robot de balayage en transformant les coins trouvés à l’étape 2.1.1 en système de coordonnées du robot de soudage via la matrice de transformation calculée à l’étape 1.13.
2. À l’aide du robot de soudage, placez la pointe de la tête de soudage à chaque coin de la plaque et notez les emplacements, comme illustré à la figure 8C , et confirmez que ces emplacements sont conformes aux attentes.

3. Effectuer la déposition

1. Une fois la plaque localisée, programmez le robot de soudage pour qu’il produise la trajectoire souhaitée dans la position correcte par rapport à la position de la plaque dans les coordonnées du robot de soudage.
2. Amorcez une passe de soudure entraînant le dépôt d’un cordon de matériau, comme illustré à la figure 9.
3. Une fois le passage terminé, rétractez la tête du robot de soudage à une distance de sécurité pour éviter les collisions avec le robot de balayage.

4. Scannez le cordon et générez une géométrie EF

REMARQUE : reportez-vous à la Figure 10 pour un résumé du flux de travail permettant de scanner la géométrie du cordon et d’utiliser les données de balayage pour créer un nuage de points 3D, qui peut être solidifié et maillé pour l’analyse par éléments finis. Les étapes suivantes décrivent comment chaque partie du flux de travail est menée.

1. Programmez le robot de numérisation pour qu’il suive un chemin qui permettra de scanner le bille. Pour les lignes simples, utilisez des points de départ et d’arrivée similaires à ceux du robot de soudage ou pour une méthode plus robuste, effectuez un balayage de la plaque entière.
   REMARQUE : Cela utilisera les mêmes exigences de balayage que celles utilisées pour localiser la position de la plaque initialement.
2. Prenez les mesures lorsque le scanner est déplacé sur la pièce comme indiqué à la Figure 11. Notez les points de départ et d’arrivée du chemin, la vitesse de déplacement du robot et la fréquence d’acquisition. S’assurer que la fréquence d’acquisition correspond à des intervalles de distance qui ne sont pas inférieurs à la taille minimale de l’élément destiné à être utilisé dans l’analyse par éléments finis ultérieure.
3. Si le profil du cordon ne peut pas être capturé en un seul passage, effectuez plusieurs passes parallèles avec un chevauchement correspondant à au moins 10 % du champ de vision du scanner laser.
4. Une fois les numérisations terminées, rétractez le robot de balayage laser pour éviter les collisions avec le robot de soudage lors de toute passe de soudage ultérieure.
5. Ajustez la sortie de la bille avec une fonction analytique appropriée, facilitée par une série de commandes codées en Python. Pour l’exemple du dépôt d’un seul talon, une fonction parabolique est utilisée pour l’ajustement.
   REMARQUE : Le code Python utilisé pour entreprendre les étapes 4.5.1 à 4.5.10 est disponible dans le dépôt supplémentaire¹⁷. L’étape 4.5.10 nécessite un progiciel supplémentaire FreeCAD¹⁸, ainsi qu’une installation Python, pour fonctionner.
   Graphique 10 affiche le flux de travail décrit dans cette section. Un exemple de sortie à chacune des étapes suivantes est fourni dans Graphique 12A-J. Un exemple de script utilisé pour la perle numérisée dans Graphique 11 ainsi que la géométrie numérisée utilisée pour produire Graphique 12 est également disponible dans le référentiel supplémentaire¹⁷.
   1. Avant d’essayer de manipuler ou d’utiliser les données du nuage de points du scanner laser de quelque manière que ce soit, appliquez la même matrice de transformation affine à la sortie laser que celle trouvée à l’étape d’étalonnage 1.13.
   2. Recadrez les données numérisées sur la zone rugueuse d’un seul cordon à installer. Assurez-vous d’inclure une partie de la plaque autour du talon, affectée par un certain pourcentage de la largeur du talon pour le fenêtrage. À ce stade, supprimez tous les artefacts de numérisation résultant de reflets à l’aide de filtres de hauteur.
   3. Aplatissez la plaque locale dans la section recadrée du balayage en résolvant la normale de la plaque et en appliquant une matrice de rotation de sorte que les données soient maintenant dans un système de coordonnées où la normale de la plaque est parallèle à l’axe vertical.
   4. Localisez l’orientation de la perle sur la plaque en appliquant un seuil de filtre de hauteur juste au-dessus de la hauteur de la plaque de base, puis ajustez les points de données restants avec un polynôme de 1^er ordre. Cela donnera un vecteur pour la direction de la perle. Si l’on sait que le cordon n’est pas droit, divisez-le en sections plus petites qui peuvent être approchées par des sections droites
   5. Faites pivoter la perle de manière à ce qu’elle soit parallèle à l’axe des y pour faciliter la manipulation.
   6. Recadrez la section tournée pour enlever les extrémités de la plaque, mais laissez une petite quantité (~5 mm) de chaque côté du cordon pour permettre l’ajustement.
   7. Sélectionnez le centre de la section de cordon à monter et effectuez un ajustement parabolique à la section transversale des données à cette position y. Le flux de travail du programme pour cette étape est illustré à la figure 13.
   8. À l’aide de l’ajustement, extrayez l’étendue de la perle en évaluant l’ajustement aux coordonnées x correspondant à la hauteur maximale de la plaque, où commence la perle.
      1. Évaluez la position y maximale du cordon en utilisant le même seuillage.
      2. Créez des profils de terminaison de cordon en utilisant la même forme parabolique mais transposée dans le plan x-y à chaque extrémité du talon.
      3. Notez les points qui constitueraient le contour en évaluant toutes les paraboles à une série de coordonnées x et y qui couvrent toute l’étendue de la perle.
   9. Traduisez le domaine des points dans les coordonnées d’origine en commençant d’abord le cordon à l’origine d’un nouveau système de coordonnées, puis en le transformant en système de coordonnées original du robot de soudage.
   10. À l’aide d’outils de maillage, remplissez la surface des points et créez une surface solide qui peut être importée dans une analyse EF. Pour ce faire, utilisez le programme FreeCAD¹⁸ pour combiner la série de paraboles afin de créer un solide 3D complet qui peut être importé dans le préprocesseur FEA.
       1. Ajoutez un substrat à ce stade en définissant soit l’étendue réelle de la plaque de base, soit d’autres dimensions si nécessaire.
       2. Utilisez des macros pour générer des fichiers STL (Standard Tessellation Language) et STEP (Standard for the Exchange of Product Data) à l’aide des points calculés à l’étape 4.5.9.
       3. Une fois la géométrie solide produite, elle est exportée dans un format de fichier adapté à l’analyse EF, dans ce cas, un format « .inp » (entrée). Si vous le souhaitez, le maillage d’éléments finis peut être créé directement, facilité par une autre macro FreeCAD. Pour cet exemple, le plugin d’outil FEM de maillage Netgen pour FreeCAD est utilisé. L’exemple de maillage de billes a été généré en utilisant une finesse modérée dans le maillage Netgen, une taille d’élément maximale définie de 0,5 mm et une taille d’élément minimale de 0,1 mm.
          REMARQUE : À ce stade, la géométrie réelle peut maintenant être importée avec succès dans un processeur d’analyse EF.

Résultats

Le Tableau 2 indique les rayons et les distances calculés entre les sphères de repère pour le composant d’étalonnage dans chacun des systèmes de coordonnées. L’erreur entre la MMT et la recherche électronique du point pour chaque position de sphère de repère est faible, inférieure à 0,1 mm. Ces deux techniques reposent sur le contact physique entre la sphère de repère et le stylet. L’erreur induite par le scanner laser lors de la localisation des sphères est un peu importante en comparaison et domine à 1...

Discussion

Qualité de capture
L’exactitude dimensionnelle et la précision du système de balayage laser ont été étudiées par les positions et les rayons des sphères repères dans le tableau 2. La précision de chaque système est déterminée par la différence de position des sphères de repère mesurée par les systèmes robotiques (scanner laser et détection électrique des bords) par rapport aux données de la MMT lorsqu’elles sont transformées dans le système de coordon...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Stylet CMM en rubis de 3 mm de diamètre	Renishaw		Stylet utilisé sur la machine MMT (A-5004-0422)
80 % Argon 20 % CO2 gaz	BOC		Mélange de gaz pour gaz de protection (Argosheild)
Crysta-Apex 776	Mitutoyo		Machine de mesure tridimensionnelle, précision cotée 10 & micro ; m
Fil de soudage FK 1000 MIG 1,2 mm	Iabco		Consommable de fil de soudage  ;
GratuitCAD 1.0	GratuitCAD		Logiciel permettant de visualiser les géométries et de créer des fichiers stl, step et FE à partir du nuage de points. Version 1.0 utilisée
Soudeuse Fronius CMT 4000 GMAW	Fronius		Torche de soudage  ;
Plaque d’acier doux G43 50 cm x 50 cm x2,5 cm	Métal Smiths		Substrat métallique utilisé comme plaque de construction
GEOPAK/MCOSMOS	Mitutoyo  ;		Logiciel de contrôle de la MMT. Version 4.0 utilisée
KUKA KR20	KUKA		Bras robotique utilisé comme robot de balayage
KUKA KR70	KUKA		Bras robotique utilisé comme robot de soudage
LAZ3RUS	Université de Manchester		Rendu 3d basé sur LAZer dans Universal Scene : pour la création de la géométrie EF pour le balayage laser. Version 1.0 utilisée
Micro Epsilon LLT3010-100  ;   ;	Micro Epsilon  ;		Scanner laser, coté précision 9 & micro ; m
Sphère d’étalonnage Mitutoyo 30 mm dimater	Mitutoyo  ;		Sphère d’étalonnage de MMT en silice fondue
ScanCONTROL3000_100  ;	Micro Epsilon  ;		Logiciel de capture et de traitement des informations du scanner laser
TouchSense	Fronius		Système de recherche électronique de bords/caractéristiques dans une mise en œuvre de soudage robotisé