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

Le soudage automatisé est largement utilisé et capable de créer des soudures uniformes et reproductibles. Cependant, il n’a actuellement pas la capacité de s’adapter pendant les processus de soudage à plusieurs passes, ce qu’un technicien qualifié ferait naturellement lors du soudage manuel. En utilisant un scanner laser, notre protocole permet de surveiller l’avancement sans causer de retards, contrairement à la capture manuelle de la géométrie de la soudure à l’aide de jauges physiques.

Il produit également un enregistrement numérique de la déposition, qui peut être utilisé pour une analyse future. Ce protocole est activé par Meta one, qui est le train numérique de la cellule de soudage. Ils sont développés à l’Université de Manchester.

Le train numérique permet d’enregistrer et de lire dans un espace numérique non seulement la géométrie de construction, mais aussi les instructions du robot, le mouvement réel du robot et les images de la cellule de soudage et du bassin de fusion local. Le scanner laser doit être calibré pour corriger toute inclinaison ou inclinaison entre celui-ci et la plaque de construction. Dans le cadre de ce processus d’étalonnage, les données du scanner laser sont intégrées dans le système de coordonnées du robot de soudage.

La capture rapide de la géométrie de la soudure peut faciliter la prise de décision entre les passes, éventuellement l’améliorer grâce à l’apprentissage automatique et permettre aux modèles d’éléments finis d’être alimentés avec une véritable géométrie de dépôt. Pour commencer, placez le composant d’étalonnage à l’intérieur de la cellule de soudage dans la même orientation par rapport à l’origine dans la machine à mesurer tridimensionnelle. Configurez le balayage du composant d’étalonnage à l’aide du système de balayage laser et enregistrez la sortie du balayage dans le fichier de coordonnées contenant les valeurs X, Y et Z.

Mesurez chaque sphère de repère à l’aide du scanner laser. Balayez chaque sphère pour mesurer le composant d’étalonnage. Tronquez les données de balayage linéaire en excluant les points provenant du substrat, en utilisant des masques circulaires en X et Y autour des positions connues et en appliquant des seuils en Z.Utilisez l’ensemble de points filtrés pour effectuer un ajustement de sphère la moins carrée et déterminer les coordonnées centrales.

Localisez maintenant le composant d’étalonnage à l’aide du robot de soudage équipé d’une pointe métallique de dimensions connues. À l’aide de la routine de détection tactile, mettez la pointe en contact avec la surface de chaque sphère de repère à plusieurs endroits. Laissez le circuit basse tension se terminer au contact et enregistrez la position du robot via le logiciel système.

Placez ensuite le substrat ou le matériau de base qui recevra le dépôt dans la cellule de soudage. Ensuite, lancez une passe de soudure à l’aide du robot de soudage pour déposer un cordon de matériau le long de la surface du substrat. Programmez le robot de balayage pour qu’il suive une trajectoire alignée avec l’emplacement du talon.

Pour des cordons linéaires simples, utilisez les mêmes points de départ et d’arrivée que le robot de soudage et scannez toute la surface de la plaque avec le robot de balayage pour une meilleure couverture. Prenez des mesures tout en déplaçant le scanner sur la pièce. Enregistrez les points de départ et d’arrivée de la trajectoire de balayage, la vitesse de déplacement du robot et la fréquence d’acquisition.

Vérifiez que la fréquence correspond à un intervalle spatial, qui n’est pas inférieur à la taille minimale d’élément prévue pour l’analyse par éléments finis. Ajustez le profil de cordon numérisé avec une fonction analytique appropriée à l’aide de code Python. Pour les dépôts à cordon unique, utilisez une fonction parabolique pour l’ajustement de la courbe.

Appliquez la même matrice de transformation affine aux données de balayage laser que celle utilisée lors de l’étalonnage. Recadrez les données de numérisation dans une zone qui recouvre le talon et inclut une marge autour de celle-ci. Supprimez tous les artefacts de balayage causés par des reflets à l’aide de filtres basés sur la hauteur.

Aplatissez ensuite la région locale de la plaque dans le balayage recadré en résolvant la normale de la plaque et appliquez une matrice de rotation pour aligner la normale de la plaque avec l’axe vertical. Faites pivoter le cordon de manière à ce qu’il s’aligne sur l’axe Y afin de simplifier le traitement ultérieur. Détectez l’orientation du cordon en appliquant un filtre de hauteur juste au-dessus du niveau de la plaque de base et ajustez les données résultantes avec un polynôme de premier ordre pour générer un vecteur représentant la direction du talon.

Si la perle n’est pas droite, divisez-la en petits segments qui se rapprochent des lignes droites. Maintenant, recadrez la section tournée pour enlever la surface de plaque en excès tout en conservant environ cinq millimètres de matériau de chaque côté du talon. Choisissez la région centrale de la perle confisquée et exécutez un ajustement de la courbe parabolique à la section transversale des données à cet emplacement.

Ensuite, à l’aide de la courbe parabolique ajustée, déterminez les étendues latérales du talon en évaluant la courbe aux coordonnées X où le talon rencontre la plaque de base à sa hauteur maximale. Ensuite, évaluez les coordonnées Y, qui indiquent l’étendue de la perle à l’aide de techniques de seuillage de hauteur similaires. Créez des profils de terminaison aux deux extrémités du cordon en utilisant la même forme parabolique transposée dans le plan XY.

Calculez maintenant le contour complet de la perle en évaluant toutes les paraboles à plusieurs coordonnées X et Y couvrant toute la portée de la perle. Ajoutez ensuite la géométrie du substrat de base en spécifiant son étendue réelle ou en utilisant des dimensions prédéfinies. Utilisez ensuite les outils de maillage de FreeCAD pour convertir l’ensemble des sections paraboliques en une seule géométrie solide 3D.

Cette surface doit pouvoir être importée dans un environnement d’analyse par éléments finis. Traduisez les points de contour dans le système de coordonnées original du robot de soudage. Tout d’abord, réinitialisez la perle à l’origine d’un nouveau système de coordonnées.

Appliquez ensuite la transformation pour restaurer sa position dans le cadre d’origine. Utilisez des macros pour exporter le cordon et le substrat sous forme de fichiers STL et de pas en utilisant les points géométriques précédemment calculés. Enfin, exportez la géométrie complète dans un format de fichier approprié pour l’analyse par éléments finis, tel que le format INP.

Si vous le souhaitez, utilisez l’outil FEM de maillage NETGEN dans FreeCAD pour créer le maillage en utilisant une finesse modérée avec une taille d’élément maximale de 0,5 millimètre et un minimum de 0,1 millimètre. La matrice de transformation appliquée aux emplacements des sphères repères a entraîné des ensembles de points superposés et visiblement distincts entre les systèmes de coordonnées. Les rayons mesurés des sphères repères à l’aide du scanner laser ont montré une légère sous-estimation constante par rapport aux techniques de recherche d’arêtes et de machine à mesurer tridimensionnelle.

L’erreur de position du scanner laser dans la détermination des distances entre les sphères de repère variait de 1,30 millimètre à 2,05 millimètres, tandis que les erreurs de détection des bords CMM et électroniques restaient inférieures à 0,1 millimètre. La géométrie finale du cordon de soudure entièrement maillé a été importée avec succès dans le logiciel d’analyse par éléments finis.