לכידת גיאומטריה אוטומטית מבוססת לייזר לניתוח אלמנטים סופיים של חרוזי ריתוך

סיכום

מתואר תהליך לרכישת מטרולוגיה כמעט בזמן אמת של חרוזי ריתוך והכנת הגיאומטריה המתקבלת באופן אוטומטי לניתוח אלמנטים סופיים.

תקציר

ריתוך היתוך לייצור בעל ערך גבוה דורש בקרות תהליך קפדניות על עיוות רכיבים ובדיקת רמות המתח השיורי המועברות לרכיב שהושלם. התהליך תלוי בשליטה במספר עצום של פרמטרים, תוך התמקדות בעיקר בהבטחת היתוך הולם של חומר אב וחומרים מתכלים. שיפועים תרמיים גבוהים המוענקים במהלך התהליך עלולים לגרום לעיוות משמעותי אם לא בודקים אותם, ולרמות גבוהות של מתח שיורי אם הרכיב מרוסן לחלוטין. ניתוח אלמנטים סופיים מיושם בדרך כלל בתהליכי ריתוך היתוך כדי לחזות עיוותים. עם זאת, מודלים אלה משתמשים כמעט אך ורק בגיאומטריה אידיאלית או מפושטת שהוגדרה לפני תחילת התהליך, שיכולה להיות לא מייצגת את הרכיב הסופי. מתואר פרוטוקול ללכידת הצורה האמיתית של תצהיר חרוזי ריתוך בודד בתוך מערכת קואורדינטות ייחודית באמצעות מערכת סריקת לייזר והמרת הגיאומטריה שנלכדה לצורה שניתן לשלב באופן מיידי בניתוחי אלמנטים סופיים. זה מאפשר לאכלס במהירות את מודל האלמנטים הסופיים בגיאומטריה המייצגת את התצהיר האמיתי עם קלט משתמש מוגבל.

מבוא

ריתוך היתוך משמש להדבקה קבועה של רכיבים מתכתיים באמצעות התכה מקומית של חומרי אב ומילוי. חומרי מילוי אלה הם בצורת חוט או מוט. מקור החום לביצוע התכה זו יכול להשתנות¹, אך בכל המקרים, גם ההורה וגם המילוי חשופים לטמפרטורות גבוהות ושיפועים. חריגות תרמיות אלו עלולות לגרום לעיוות משמעותי, שינויים בתכונות החומר ולגרום למתחים שיוריים בתוך הרכיב הן בתהליך הריתוך והן במהלך הקירור. מכיוון שתופעות לוואי אלו עלולות להזיק ביותר לתוחלת החיים או לכדאיות של רכיבים בעלי ערך גבוה, תהליכי ריתוך מעוצבים לרוב בשיטת האלמנט הסופי (FE) כדי לקבוע היסטוריה תרמית, עיוות ומתח שיורי². מודלים כאלה משתמשים בדרך כלל בגיאומטריה פשוטה או אידיאלית של הריתוך וחומר האב, אשר נקבעת לפני כל ריתוך, במקום להשתמש בגיאומטריה המבוססת על התצהיר התלת מימדי המלא, כולל מיקומי התחלה ועצירה של ריתוך. ניתן להשיג ריתוך רב מעברים הניתן לשחזור באמצעות מערכות אוטומטיות שבהן לפיד הריתוך מופעל על ידי זרוע רובוטית. יש לציין כי מכשירים מסוימים המשמשים לריתוך קשת אוטומטי יכולים לשמש גם לייצור תוספי שקיעת אנרגיה ישירה, המכונה קשת שקיעת אנרגיה מכוונת (DED-Arc) או ייצור תוסף קשת תיל³ (WAAM). אותן גישות מודלים חיזוי מופעלות בדרך כלל גם עבור WAAM כמו עבור צירוף⁴.

WAAM יכול לייצר רכיבים תלת מימדיים בצורה כמעט נטו על ידי שילוב סלקטיבי של שכבות רבות של חומר מופקד. WAAM שימש בעבר ליצירת קירות וצורות גיאומטריות אחרות⁵, צינורות⁶, כמו גם רכיבים עם טופולוגיות מורכבות יותר, כגון להבי טורבינה⁷. בשל המספר המוגבר של מחזורים תרמיים בהשוואה להצטרפות והגידול בחומר המופקד, העיוות של רכיבי WAAM כאלה יכול להיות משמעותי. ככזה, כל מודל FE המיושם המשקף תהליך זה עלול להתערער על ידי גיאומטריית ההדפסה האידיאלית או המשוערת. ניתן להגביל את עיוות המצע במהלך התצהיר על ידי ריסון מכני מוגבר. עם זאת, זה גם יגדיל את רמת הלחץ השיורי ברכיב הסופי, שגם הוא לא רצוי.

באופן מסורתי, ניתן לבצע בדיקת גיאומטריה לאחר ריתוך באופן ידני עם כלי בדיקה⁸ או על ידי חתך רוחב של התצהיר והמצע כדי לחשוף את פרופיל הריתוך, כולל החומר המופקד, האזור המומס של חומר האב והאזורים המושפעים מהחום⁹. כלי בדיקה גיאומטריים ידניים, למרות שהם טובים למתן מידע על היקפי התצהיר, דורשים מהמפעיל להפסיק את השגרה האוטומטית כדי לבצע מדידות כלשהן ולתמלל את כל הנתונים שהתקבלו. באופן דומה, חתך רוחב מספק ייצוג מדויק מאוד של הריתוך אך הוא הרסני ודורש שלבי הכנה מרובים, אותם יש לבצע חיצונית לאתרי הייצור. שתי הגישות מספקות מידע על פרופיל החרוז רק במיקומים ספציפיים שנמדדו, אשר, לצורך חתך רוחב, עשוי להיות פרופיל יחיד. לעומת זאת, לסורקי לייזר יש את היתרון של הערכה מהירה של פרופיל הריתוך ללא צורך בהוצאת הדגימה מתא הריתוך ויש להם פוטנציאל ללכידה ברזולוציה גבוהה של כל התצהיר. ניטור גיאומטריית החרוזים האמיתית במהלך ריתוך עם מערכות לייזר הופעל^10,11 באותו אופן שבו הוא משמש בדרך כלל ביצירת מתכת¹². מערכות לייזר שימשו גם ללכידת גיאומטריית WAAM¹⁰. עם זאת, הצעדים הספציפיים שננקטו כדי לעבד נתונים אלה כדי להיכלל או להשוות לניתוח FE לא תוארו היטב. העבודה הנוכחית מציגה פרוטוקול חדש לשימוש בסורק לייזר אוטומטי כדי לנטר את התפתחות גיאומטריית הריתוך בין מעברי תצהיר ולשלב את הגיאומטריה המוקלטת כדי לעדכן ניתוח אלמנטים סופיים (FEA), כפי שמומש עם החבילה המסחרית ABAQUS. היכולת ללכוד אוטומטית את חרוז הריתוך באתרו ולהמיר את חרוז הריתוך לגיאומטריית קלט FE עם קלט משתמש מוגבל היא צעד לקראת ייצור חכם.

לכידת הגיאומטריה המשמשת בעבודה הנוכחית היא סריקה מלאה של ריתוך, המתאפשרת על ידי שילוב הסורק עם זרוע רובוטית בעלת שש דרגות חופש נפרדת ונפרדת מהזרוע הרובוטית השולטת בתצהיר. זוהי סטייה מיישום קודם של מערכות סריקת לייזר, שתוכננו לחקור את הגיאומטריה במקומות ספציפיים, או באמצעים ידניים¹³, קבועים אך מוגבלים בהיקף של שלב דגימה^10,11, או כאשר סורק הלייזר מחובר לאותה זרוע רובוטית כמו לפיד הריתוך⁸. הגישה הנוכחית מאפשרת ללכוד את הגיאומטריה המלאה של החרוז ללא קשר למיקום התצהיר בתוך התא, במערכת הקואורדינטות של תא הריתוך, ללא צורך במתקנים מותאמים אישית או אלגוריתמים מסובכים.

לאחר מכן ניתן להשתמש בגיאומטריה שנלכדה כדי לחזות גורמים חשובים כגון היסטוריית הטמפרטורה במהלך השקיעה. בשילוב עם נתוני צמד תרמי מתאימים, ניתן לדמות גם עיוות ומתח שיורי, הצמוד לעבודה הנוכחית. יש לכך פוטנציאל לשפר את הייצור על ידי מתן אפשרות למידול תהליכים מהיר של ריתוך בעולם האמיתי. האופי האוטומטי של לכידת הגיאומטריה מספק דרך לקשר פרמטרי ריתוך לגיאומטריה המתקבלת. זה, בתורו, יכול לשמש לפיתוח בקרת תהליכים משופרת ותכנון נתיבים. ריתוך ידני נוכחי מסתמך על מיומנות המפעיל כדי לשלוט בתפוקה. הריתוך הרובוטי מוסיף עקביות אך מגביל את ההזדמנות לקבלת החלטות תוך כדי תנועה. לכידת פרופיל החרוז בין מעברים תאפשר לשנות את התכנות של מעבר החרוז הבא במידת הצורך, ובשילוב עם מידול תהליכים, יש פוטנציאל לשפר את שיעורי הייצור, תכונות החומר ואורך החיים של חלקים. הפרוטוקול הנוכחי מודגם על ידי מקרה דוגמה יחיד של חרוז על צלחת כדי להדגים את זרימת העבודה שפותחה.

הגדרת תא הריתוך והציוד המשמש
תא הריתוך הנבדק מורכב מזרועות רובוטיות עם הקבצים המצורפים הדרושים לביצוע ריתוך (המכונה רובוט הריתוך) וסריקת לייזר (המכונה רובוט הסריקה). תא הנושא מוצג באיור 1. ניתן לשלוט ברובוטים אלה באמצעות ממשק תכנות המבין את שפת הרובוטים KUKA (KRL)¹⁴, שפת תכנות פונקציונלית המעניקה לרובוט את ההוראות הדרושות, המתפרשות על ידי הרובוטים כתנועות מפרקים ומוטוריים. מערכת הריתוך פועלת במצב העברת מתכת קרה (CMT) ומצוידת ב-TouchSense, סוג של איתור נקודות אלקטרוני. החומר המתכלה ששימש היה חוט פלדה בקוטר 1.2 מ"מ G3Si-120n בנוכחות תערובת גז ארגון/פחמן דו חמצני (80/20%). המצע ששימש היה לוח פלדה עדין G43 שקובע על ידי מלחציים. התצהיר שהוטל היה חרוז על צלחת עם פרמטרים המופיעים בטבלה 1. שילוב זה של פרמטרי ריתוך נבחר מכיוון שהיה ידוע כיוצר תצהיר מייצג תעשייתי. סורק הלייזר המופעל מסוגל לסרוק קו של 2048 נקודות בו זמנית, ששימש לרכישת נתונים בתדר של 100 הרץ. בנוסף, נעשה שימוש במכונת מדידת קואורדינטות (CMM) כדי לספק את הממדים של רכיב כיול.

נתוני מטרולוגיה המתקבלים מסורקי לייזר דורשים כיול. צורך זה בכיול חשוב עוד יותר כאשר יש להזיז את הסורק כדי ללכוד אזור גדול עם סריקות חופפות. אם סורק הלייזר היה מוטה ביחס למצע או שהתנועה לא הייתה חלקה, היה נוצר עיוות בגיאומטריה המתקבלת, כפי שמוצג באיור 2. בנוסף, הסורק מתעד רק מידע לאור, שחוזר לחיישן; לכן, נפוץ בריתוך, המייצר משטח רפלקטיבי מאוד, לא אחיד ומעוקל ככל שבריכת ההיתוך מתמצקת, שחלק גדול מהמידע המרחבי יכול ללכת לאיבוד. כדי לשפר את הסבירות שהצורה המתועדת מייצגת את צורת החרוז האמיתית, נדרשת רמה מסוימת של התאמת עקומה. במקרה הפשוט ביותר, ניתן להעריך היטב צורת חרוז ריתוך בודדת על ידי פרבולה¹⁵. גישה זו שימשה את Hu et al. עם מערכות מסוג סריקת לייזר לחישוב חפיפות חרוזים¹³. הפרוטוקול הבא ישתמש בטכניקה המתאימה הזו למקרה לדוגמה של חרוז בודד כדי ליצור ייצוג דיגיטלי בתוך חבילת ה-FE שנבחרה.

פרוטוקול

ההנחה היא ששני הרובוטים הופעלו ועברו כל אבחון התקנה כדי לאשר תאימות מיקום, כגון בדיקות בלמים, והם הועברו הביתה.

1. בצע כיול

הערה: לפני שניתן יהיה להשתמש בסורק הלייזר, יש לכייל אותו כדי להבטיח שהמרחקים שהוא תופס מייצגים מרחקים אמיתיים. ייתכן שזה לא המקרה כברירת מחדל, שכן אם הסורק נמצא בזווית ללוחית, הדבר ייצור שינוי טריגונומטרי במרחק (איור 2).

1. כדי לכייל יש לסרוק רכיב בעל ממדים ידועים, שהוא קשיח ורצוי מתכתי, עם נקודות נאמנות שנוספו לו בצורת כדורים.
   הערה: כדורים אלה מספקים צורה קלה לזיהוי הניתנת להתאמה כדי למצוא באופן אמין את מרכז הכדור הפידוציאלי עם מספר נמוך של נקודות נתונים ודיוק גבוה. רכיב לדוגמה מוצג בתא הריתוך באיור 3A. זרימת העבודה המסכמת המשמשת לשלבי הכיול 1.1-1.13 מוצגת באיור 4.
2. מקם מינימום של שלושה כדורים פידוציאליים באופן אקראי על פני מיקומים שונים, למשלample, מיסבים כדוריים סטנדרטיים גדולים מ-10 מ"מ מדירוגי ABEC בדרגה נמוכה עד בינונית (למשל, מיסבים כדוריים בקוטר 15.875 מ"מ [0.625 ± 0.0001 אינץ']). חבר אותם לרכיב עם מדיום מתאים כגון שרף אפוקסי מוליך כדי להבטיח מוליכות טובה בין הכדור לחלק הכיול. השתמש במכונות כביסה ברדיוס מתאים (למשל, 10 מ"מ) כדי לתמוך בכדורים כדי לשפר את מגע שטח הפנים בין הכדור לרכיב.
3. אתר את הקואורדינטות של מספר נקודות על פני השטח של הכדורים הנאמנים עם מכונת מדידת קואורדינטות (CMM) כמו באיור 3C. קואורדינטות אלה ישמשו ליצירת נתון וירטואלי המתאים למרכז של כל אחת מהספירות הנאמנות (איור 3B).
   1. לפני מדידת הכדורים הפידוציאליים, כייל תחילה את ה-CCM על ידי הדבקת מדד כיול עם מידות ידועות לתוך מפרץ ה-CMM. מדד כיול זה לובש צורה של כדור קרמי ברדיוס 29.993 מ"מ המוטבע על מוט עם תחתית הברגה כך שניתן להבריג אותו לתוך תא ה-CMM ולהחזיק אותו בצורה נוקשה.
   2. הברג את מדד הכיול לתוך מפרץ CMM.
   3. עם קצה ה-CMM באותו כיוון שישמש למדידת הכדורים הפידוציאליים עבור רכיב כיול תא הריתוך, הפעל את פונקציית הכיול באופן אוטומטי בתוך התוכנה המתאימה. כדי להתחיל בהפעלת הכיול של קצה ה-CMM, כאשר ה-CMM מוגדר למצב מדידה , הזז את הקצה למגע עם המשטח העליון של מדד הכיול. לאחר מכן התוכנית תשתלט, תמפה אוטומטית את כדור הבנצ'מרק ותכייל את קצה ה-CMM לכיוון הנוכחי.
   4. לאחר השלמת כיול הקצה, שמור את הכיול במספר קצה שנבחר, לדוגמה, טיפ מספר 1.
   5. הסר את מדד הכיול מה-CMM.
   6. הנח את רכיב הכיול עם הכדורים הפידוציאליים המחוברים לתוך מפרץ CMM. בחר כיוון ורשום את הכיוון לעיון עתידי, כגון באמצעות תצלום עם הערות עם כל כדור ממוספר.
   7. צור תוכנית לזיהוי נקודות בכל אחד מהספירות הנאמנות.
      1. בחר את הטיפ באמצעות בדיקה | שנה בדיקה.
      2. בחר את קווי המתאר | מדוד נקודת CNC והביא את הקצה למגע עם הכדור הפידוציאלי הראשון. חזור על הפעולה עבור נקודות רבות על פני חצי הכדור העליון של הכדור הפידוציאלי הראשון.
      3. עשו את אותו הדבר עבור כל כדור פידוציאלי, וצרו ענן נקודות לכל אחד משטחי הכדור.
         הערה: באופן עקרוני, נדרשות מינימום של שלוש נקודות לכל כדור כדי לאתר את המרכז; עם זאת, עדיפים רבים נוספים. כאן, נעשה שימוש במינימום של 12 נקודות הממוקמות על פני מחצית אחת, כפי שמודגם על ידי הכדור המותאם מנקודות ה-CMM באיור 3D. היבטים הכרוכים בפעולת CMM להשגת נקודות משטח על הכדור הפידוציאלי ישתנו בהתאם לציוד המשמש.
4. חשב את הקואורדינטות של מרכז הכדורים הנאמנים על ידי התאמת נקודות פני השטח לכדור על ידי גישת התאמה של הריבועים הפחותים. לדוגמה, ניתן להשיג זאת באמצעות פותר הריבועים הפחותים של Numpy¹⁶.
5. בחר אחד מהספירות הפידוציאליות שישמש כמקור של מערכת קואורדינטות הכיול. הפחיתו קואורדינטה זו מכל אחד מהספירות הפידוציאליות כדי ליצור מערכת קואורדינטות חלק.
   הערה: בהנחה שרכיב הכיול קשיח, לאחר השלמת הליך ה-CMM ומרכזי הכדורים הפידוציאליים ידועים, יישומים עתידיים של פרוטוקול זה יכולים לדלג על שלבים 1.2-1.5 מכיוון שממדי רכיב הכיול ומערכת הקואורדינטות הנלווית כבר ידועים.
6. הנח את רכיב הכיול בתא הריתוך באותו כיוון ביחס למקור כאשר נמדד ב-CMM.
   הערה: התמצאות אינה חשובה מבחינה תיאורטית, אך שכפול הכיוון המקורי מאפשר לזהות שגיאות ביתר קלות.
7. הגדר את הסריקה של רכיב הכיול עם סורק הלייזר כפי שמוצג באיור 5A. הפלט הוא בצורה של קובץ קואורדינטות x,y,z.
   זהירות: סורק הלייזר הוא המקור לקרינת לייזר ולכן עלול להיות מסוכן אם לא מקפידים על פרוטוקולי בטיחות לייזר. השימוש בלייזרים מסוג 2M ומטה הוא הכרחי מכיוון שאלו יכולים למלא את התפקיד הנדרש ולעתים קרובות נדרשת קרן פתוחה.
8. עבור מערכת הלייזר להמחשה שנעשה בה שימוש, מדוד כל כדור פידוציאלי בקוטר 15.875 מ"מ, וסרוק על פני כל כדור פידוציאלי עם סורק הלייזר כדי למדוד את הרכיב (איור 5A). חתוך את הפלט של סריקות הקווים הללו כדי להסיר כל מידע שמקורו במצע, באמצעות שילוב של עיגולים ב-x ו-y סביב מיקומי הכדור הידועים וסף ערכי z. השתמש בנקודות הנותרות כדי להתאים כדור (איור 5B) תוך שימוש באותו הליך התאמת ריבועים מינימליים כמו בשלב 1.4 כדי לקבל קואורדינטה מרכזית.
   הערה: גימור פני השטח של הכדורים הפידוציאליים עשוי לקיים אינטראקציה גרועה עם סורק הלייזר המופעל. ניתן להשתמש במפתח חודר צבע אירוסול לציפוי ולמט של פני השטח כמו באיור 5A.
9. החזר את רובוט הסריקה למצב הבית שלו.
10. אתר את רכיב הכיול עם רובוט הריתוך באמצעות איתור נקודה אלקטרוני. השתמש בקצה מתכתי המשולב בלפיד הריתוך במידות ידועות. הביאו את הקצה הזה למגע עם הכדור הפידוציאלי במספר נקודות סביב פני השטח (איור 6), בדומה לגישת CMM. כאשר הקצה יוצר קשר עם הכדור הפידוציאלי, מעגל מתח נמוך הושלם, ומיקום הרובוט הנוכחי נרשם ישירות על ידי מערכת הרובוט.
    הערה: ניתן להשיג אפקט דומה באמצעות סוגים אחרים של מוצאי קצה אלקטרוניים המותאמים לרובוט הריתוך, המסתמכים על מגע פיזי.
11. השתמש בנקודות אלה כדי להתאים כדור ולאתר את המיקום המרכזי של כל כדור נאמנות במערכת הקואורדינטות של רובוט התצהיר.
12. החזר את רובוט הריתוך למצב הבית שלו והסר את רכיב הכיול מתא הריתוך.
13. השתמש במערכת הקואורדינטות CMM כדי לכייל את קואורדינטות תא הריתוך באמצעות פירוק בעל ערך יחיד. מתאר של התהליך ליצירת מטריצות הטרנספורמציה האפיניות הנדרשות ניתן באיור 7.
    הערה: מטריצת הטרנספורמציה האפינית המתקבלת הופכת את המיקום של כל אחד ממרכזי הכדור הפידוציאליים מהקואורדינטות הנמדדות למרחקים אמיתיים. זה יתקן כל חוסר יישור של סורק הלייזר לכיוון הסריקה.

2. אתר את מיקום לוחית הבנייה

1. הנח את המצע או חומר האב כדי לקבל תצהיר לתוך תא הריתוך.
   1. הפעל את סורק הלייזר על פינות אזור הבנייה כך שהוא תלוי על קצה הצלחת, מתחיל לחלוטין מהצלחת ומסתיים חלקית על הצלחת כמו באיור 8A. ודא שהדבר נעשה כתנועה רציפה במהירות קבועה, כאשר תדירות הקלטת הנתונים ידועה. השתמש בזמן הרכישה של סריקה מסוימת יחד עם נקודות ההתחלה והסיום של הנתיב כדי להקצות מיקום במרחב לכל סריקה שהוקלטה בזמן מסוים. רשום את מיקומי הפינות של לוחית הבנייה, שישמשו לרכישת גיאומטריה המתאימה לניתוח FE.
      הערה: ביצוע שלב 2.1.1 מאפשר למקם את פינות הצלחת במערכת הקואורדינטות של סורק הלייזר מכיוון שתהיה פונקציית מדרגה עם הגובה המשתנה משמעותית כאשר הלייזר מגיע מעל הצלחת (איור 8B).
   2. זהה את המצע במערכת הקואורדינטות של רובוט הסריקה על ידי הפיכת הפינות שנמצאות בשלב 2.1.1 למערכת הקואורדינטות של רובוט הריתוך באמצעות מטריצת הטרנספורמציה המחושבת בשלב 1.13.
2. כבדיקה, עם רובוט הריתוך, הביאו את קצה ראש הריתוך לכל פינה של הצלחת ורשמו את המיקומים כפי שמוצג באיור 8C ואשרו שהמיקומים הללו הם כצפוי.

3. ערכו את התצהיר

1. כשהצלחת ממוקמת, תכנת את רובוט הריתוך כך שייצר את הנתיב הרצוי במיקום הנכון ביחס למיקום הצלחת בקואורדינטות של רובוט הריתוך.
2. התחל מעבר ריתוך וכתוצאה מכך תצהיר של חרוז חומר כפי שמוצג באיור 9.
3. לאחר השלמת המעבר, החזר את ראש רובוט הריתוך למרחק בטוח כדי למנוע התנגשויות עם רובוט הסריקה.

4. סרוק את החרוז וצור גיאומטריית FE

הערה: ראה איור 10 לסיכום זרימת העבודה לסריקת גיאומטריית החרוזים ושימוש בנתוני הסריקה ליצירת ענן נקודות תלת מימדי, שניתן למצק ולרשת עבור FEA. השלבים הבאים מתארים את אופן ההתנהלות של כל חלק בזרימת העבודה.

1. תכנת את רובוט הסריקה לעקוב אחר נתיב שיאפשר לסרוק את החרוז. עבור קווים פשוטים, השתמש בנקודות התחלה וסיום דומות לרובוט הריתוך או לשיטה חזקה יותר, בצע סריקה של הצלחת המלאה.
   הערה: פעולה זו תשתמש באותן דרישות סריקה המשמשות לאיתור מיקום הצלחת בתחילה.
2. בצע מדידות כאשר הסורק מועבר מעל חומר העבודה לפי איור 11. שימו לב לנקודות ההתחלה והסיום של הנתיב, מהירות תנועת הרובוט ותדירות הרכישה. ודא שתדירות הרכישה תואמת למרווחי מרחק לא פחות מגודל האלמנט המינימלי המיועד לשימוש ב-FEA.
3. אם לא ניתן ללכוד את פרופיל החרוז במעבר אחד, בצע מספר מעברים מקבילים עם חפיפה המתאימה לפחות ל-10% משדה הראייה של סורק הלייזר.
4. לאחר השלמת הסריקות, החזר את רובוט סורק הלייזר כדי למנוע התנגשויות עם רובוט הריתוך בכל מעבר ריתוך שלאחר מכן.
5. התאם את פלט החרוז לפונקציה אנליטית מתאימה, המאפשרת באמצעות סדרה של פקודות מקודדות ב-Python. לתצהיר לדוגמה של חרוז בודד, פונקציה פרבולית משמשת להתאמה.
   הערה: קוד Python המשמש לביצוע שלבים 4.5.1-4.5.10 זמין במאגר המשלים¹⁷. שלב 4.5.10 דורש חבילת תוכנה נוספת FreeCAD¹⁸כמו גם התקנת Python, כדי לתפקד.,
   איור 10 מציג את זרימת העבודה המתוארת בסעיף זה. פלט לדוגמה בכל אחד מהשלבים הבאים מסופק ב איור 12א-י. סקריפט לדוגמה המשמש עבור החרוז שנסרק ב איור 11 יחד עם הגיאומטריה הסרוקה המשמשת לייצור איור 12 זמין גם במאגר המשלים¹⁷.
   1. לפני שתנסה לתפעל או להשתמש בנתוני ענן הנקודות מסורק הלייזר בכל דרך שהיא, החל את אותה מטריצת טרנספורמציה אפינית על פלט הלייזר כפי שנמצאה בשלב הכיול 1.13.
   2. חתוך את הנתונים הסרוקים לאזור המחוספס של חרוז בודד להתאמה. הקפד לכלול חלק מהצלחת סביב החרוז, המושפעת מאחוז מסוים מרוחב החרוז לחלונות. בשלב זה, הסר את כל חפצי הסריקה הנובעים מהשתקפויות באמצעות מסנני גובה.
   3. שטח את הלוח המקומי בתוך החלק הקצוץ של הסריקה על ידי פתרון הנורמלי עבור הלוח והחלת מטריצת סיבוב כך שהנתונים נמצאים כעת במערכת קואורדינטות שבה הלוח הנורמלי מקביל לציר האנכי.
   4. אתר את כיוון החרוז על הצלחת על ידי החלת סף מסנן גובה ממש מעל גובה לוחית הבסיס, ולאחר מכן התאם את נקודות הנתונים הנותרות עם פולינום^מסדר 1. זה ייתן וקטור לכיוון החרוז. אם ידוע שהחרוז אינו ישר, פצל את החרוז למקטעים קטנים יותר שניתן להעריך על ידי קטעים ישרים
   5. סובב את החרוז כך שיהיה מקביל לציר ה- y כדי להקל על המניפולציה.
   6. חתוך את החלק המסובב כדי להסיר את קצוות הצלחת אך השאר כמות קטנה (~5 מ"מ) משני צידי החרוז כדי לאפשר התאמה.
   7. בחר את מרכז חתך החרוז להתאמה ובצע התאמה פרבולית לחתך הנתונים במיקום y זה. זרימת העבודה של התוכנית עבור שלב זה ניתנת באיור 13.
   8. באמצעות ההתאמה, חלץ את היקפי החרוז על ידי הערכת ההתאמה בקואורדינטות x המתאימות לגובה המרבי של הצלחת - היכן שהחרוז מתחיל.
      1. הערך את מיקום ה-y המרבי של החרוז באמצעות אותו סף.
      2. צור פרופילי סיום חרוזים באמצעות אותה צורה פרבולית אך מועבר למישור x-y בכל קצה של החרוז.
      3. רשום את הנקודות שירכיבו את המתאר על ידי הערכת כל הפרבולה בסדרה של קואורדינטות x ו-y המשתרעות על פני מלוא היקף החרוז.
   9. תרגם את תחום הנקודות בחזרה לקואורדינטות המקוריות על ידי הפעלת החרוז תחילה במקור של מערכת קואורדינטות חדשה, ולאחר מכן הפיכתו למערכת הקואורדינטות המקורית של רובוט הריתוך.
   10. בעזרת כלי רשת, מלאו את פני הנקודות וצרו משטח מוצק שניתן לייבא לניתוח FE. לשם כך, השתמש בתוכנית FreeCAD¹⁸ כדי לשלב את סדרת הפרבולות ליצירת מוצק תלת מימד מלא המתאים לייבוא למעבד המקדים של FEA.
       1. הוסף מצע בשלב זה על ידי הגדרת היקפי לוחית הבסיס האמיתיים או מידות אחרות לפי הצורך.
       2. השתמש בפקודות מאקרו כדי ליצור קבצי STL (Standard Tessellation Language) ו- STEP (Standard for the Exchange of Product Data) באמצעות הנקודות המחושבות בשלב 4.5.9.
       3. לאחר הפקת הגיאומטריה המוצקה, היא מיוצאת בפורמט קובץ המתאים לניתוח FE, במקרה זה, פורמט ".inp" (קלט). אם תרצה, ניתן ליצור את רשת האלמנטים הסופיים ישירות, בסיוע מאקרו אחר של FreeCAD. לדוגמא זו, נעשה שימוש בתוסף הכלי Netgen mesh FEM ל-FreeCAD. רשת החרוזים לדוגמה נוצרה באמצעות עדינות בינונית בתוך רשת Netgen, גודל אלמנט מקסימלי מוגדר של 0.5 מ"מ וגודל אלמנט מינימלי של 0.1 מ"מ.
          הערה: בשלב זה ניתן כעת לייבא בהצלחה את הגיאומטריה האמיתית למעבד ניתוח FE.

תוצאות

הרדיוסים המחושבים והמרחקים בין כדורים פידוציאליים עבור רכיב הכיול בכל אחת ממערכות הקואורדינטות מוצגים בטבלה 2. השגיאה בין ה-CMM למציאת הנקודה האלקטרונית עבור כל מיקום כדור פידוציאלי היא קטנה, מתחת ל-0.1 מ"מ. שתי הטכניקות הללו מסתמכות על מגע פיזי בין הכדור הנאמנות לעט. השגיאה הנגרמת על ידי סורק הלייזר בעת איתור הכדורים גדולה במקצת בהשוואה ושולטת ב-1-2 מ"מ. היישום של מטריצת הטרנספורמציה על מיקומי הכדורים הפידוציאליים מוצג באיור 14. איור 15 מציג חר...

דיון

איכות צילום
הדיוק הממדי והדיוק של מערכת סריקת הלייזר נחקרו על ידי המיקומים והרדיוסים של הכדורים הפידוציאליים בטבלה 2. הדיוק של כל מערכת נקבע על ידי הפרש המיקום של הכדורים הפידוציאליים כפי שנמדד על ידי מערכות הרובוט (סורק לייזר ומציאת קצה חשמלי) בהשוואה לנתוני ה-CMM כאשר הופכים למערכת הקואורדינטות של רובוט הריתוך. ה-CMM ידוע כבעל דיוק ודיוק גבוהים כאחד, עם אי-ודאות של ±6 מיקרומטר הנובעת מהדיוק הבסיסי של המכונה.

עבור סורק הלי...

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
חרט רובי CMM בקוטר 3 מ"מ	רנישו		חרט בשימוש במכונת CMM (A-5004-0422)
80% ארגון 20% גז CO2	BOC		תערובת גז לגז מגן (ארגושילד)
קריסטה-איפקס 776	מיטוטויו		מכונת מדידה קואורדינטה, מצוטטת דיוק 10 ומיקרו; m
חוט ריתוך FK 1000 MIG 1.2 מ"מ	איבקו		חוט ריתוך מתכלה
פריקאד - FreeCAD 1.0	פריקאד		תוכנה לזיהוי גיאומטריות ויצירת קבצי stl, step ו-FE מענן הנקודות. גרסה משומשת 1.0
רתך Fronius CMT 4000 GMAW	פרוניוס		לפיד ריתוך
לוח פלדה עדין G43 50 ס"מ x 50 ס"מ x 2.5 ס"מ	סמיתס מטאל		מתכת מצע המשמשת כלוחית הבנייה
גאופק/MCOSMOS	מיטוטויו		תוכנה לשליטה ב-CMM. גרסה משומשת 4.0
קוקה KR20	קוקה		זרוע רובוטית המשמשת כרובוט סורק
קוקה KR70	קוקה		זרוע רובוטית המשמשת כרובוט ריתוך
LAZ3RUS	אוניברסיטת מנצ'סטר		עיבוד תלת מימד מבוסס LAZer בסצנה אוניברסלית: ליצירת גיאומטריית FE לסריקת הלייזר. גרסה משומשת 1.0
מיקרו אפסילון LLT3010-100	מיקרו אפסילון		סורק לייזר, מצוטט דיוק 9 ומיקרו; m
כדור כיול דימטר Mitutoyo 30 מ"מ	מיטוטויו		כדור כיול CMM סיליקה התמזגה
ScanCONTROL3000_100	מיקרו אפסילון		תוכנה ללכידת ועיבוד המידע מסורק הלייזר
טאצ'סנס	פרוניוס		מערכת למציאת קצה/תכונה אלקטרונית במימוש ריתוך רובוטי