Acquisizione automatica della geometria basata su laser per l'analisi agli elementi finiti dei cordoni di saldatura

Summary

Viene descritto un processo per l'acquisizione della metrologia quasi in tempo reale dei cordoni di saldatura e la preparazione automatica della geometria risultante per l'analisi degli elementi finiti.

Abstract

La saldatura per fusione per la produzione di alto valore richiede rigorosi controlli di processo sulla distorsione del componente e l'accertamento dei livelli di sollecitazione residua impartita al componente completato. Il processo dipende dal controllo di una miriade di parametri, concentrandosi principalmente sulla garanzia di un'adeguata fusione del materiale di base e dei materiali di consumo. Gli elevati gradienti termici che vengono impartiti durante il processo possono causare una distorsione significativa se non controllati e alti livelli di stress residuo se il componente è completamente trattenuto. L'analisi degli elementi finiti è comunemente applicata nei processi di saldatura per fusione per prevedere la distorsione. Questi modelli, tuttavia, utilizzano quasi esclusivamente una geometria idealizzata o semplificata definita prima dell'inizio del processo, che può essere non rappresentativa del componente finale. Viene descritto un protocollo per catturare la vera forma di una singola deposizione di cordone di saldatura all'interno di un unico sistema di coordinate utilizzando un sistema di scansione laser e convertire questa geometria catturata in una forma che può essere immediatamente incorporata nelle analisi degli elementi finiti. Ciò consente di popolare rapidamente il modello agli elementi finiti con una geometria rappresentativa della vera deposizione con un input limitato da parte dell'utente.

Introduction

La saldatura per fusione viene utilizzata per l'incollaggio permanente di componenti metallici attraverso la fusione localizzata di materiali di base e d'apporto. Questi materiali di riempimento hanno la forma di un filo o di una barra. La fonte di calore per effettuare questa fusione può variare¹, ma in tutti i casi, sia il genitore che il riempitivo sono esposti a temperature e gradienti elevati. Queste escursioni termiche possono provocare distorsioni significative, modifiche alle proprietà del materiale e indurre sollecitazioni residue all'interno del componente sia durante il processo di saldatura che durante il raffreddamento. Poiché questi effetti collaterali possono essere estremamente dannosi per la durata o la vitalità dei componenti di alto valore, i processi di saldatura sono spesso modellati con il metodo degli elementi finiti (FE) per determinare la storia termica, la distorsione e lo stress residuo². Tali modelli generalmente utilizzano una geometria semplificata o idealizzata della saldatura e del materiale di base, che viene determinata prima che avvenga qualsiasi saldatura, piuttosto che utilizzare una geometria basata sulla deposizione 3D completa, comprese le posizioni di inizio e fine della saldatura. La saldatura multi pass riproducibile può essere ottenuta utilizzando sistemi automatizzati in cui la torcia di saldatura viene manipolata da un braccio robotico. Va notato che alcuni apparecchi utilizzati per la saldatura ad arco automatizzata possono essere utilizzati anche per la produzione additiva a deposizione diretta di energia, nota come produzione additiva ad arco di energia diretta (DED-Arc) o produzione additiva ad arco a filo³ (WAAM). Gli stessi approcci di modellazione predittiva sono tipicamente impiegati anche per WAAM come per l'unione⁴.

WAAM è in grado di produrre componenti 3D in una forma quasi netta combinando selettivamente molti strati di materiale depositato. WAAM è stato utilizzato in passato per creare pareti e altre forme geometriche⁵, tubi⁶, nonché componenti con topologie più complicate, come le pale delle turbine⁷. A causa dell'aumento del numero di cicli termici rispetto alla giunzione e dell'aumento del materiale depositato, la distorsione di tali componenti WAAM può diventare significativa. Pertanto, qualsiasi modello FE implementato che rifletta questo processo può avere la sua accuratezza minata dalla geometria di stampa idealizzata o presunta. La distorsione del substrato può essere limitata durante la deposizione da una maggiore ritenzione meccanica. Tuttavia, ciò aumenterà anche il livello di stress residuo nel componente finale, il che è anche indesiderabile.

Tradizionalmente, l'ispezione della geometria post-saldatura può essere ottenuta manualmente con strumenti di ispezione⁸ o sezionando trasversalmente la deposizione e il substrato per rivelare il profilo della saldatura, compreso il materiale depositato, la regione fusa del materiale di base e le zone termicamente alterate⁹. Gli strumenti di ispezione geometrica manuale, sebbene utili per fornire informazioni sull'entità della deposizione, richiedono all'operatore di interrompere la routine automatizzata per eseguire qualsiasi misurazione e trascrivere tutti i dati ottenuti. Allo stesso modo, il sezionamento trasversale fornisce una rappresentazione molto accurata della saldatura, ma è distruttivo e richiede più fasi di preparazione, che devono essere eseguite esternamente ai luoghi di produzione. Entrambi gli approcci forniscono solo informazioni sul profilo del cordone in posizioni specifiche misurate, che, per il sezionamento trasversale, possono essere un profilo singolo. Al contrario, gli scanner laser hanno il vantaggio di valutare rapidamente il profilo di saldatura senza la necessità di rimuovere il campione dalla cella di saldatura e hanno il potenziale per l'acquisizione ad alta risoluzione dell'intera deposizione. Il monitoraggio della geometria reale del cordone durante la saldatura con sistemi laser è stato impiegato^10,11 più o meno allo stesso modo in cui è comunemente impiegato nella formatura dei metalli¹². I sistemi laser sono stati utilizzati anche per catturare la geometria WAAM¹⁰. Tuttavia, le misure specifiche adottate per elaborare questi dati da includere o confrontare con l'analisi FE non sono state ben descritte. Il presente lavoro presenta un nuovo protocollo per l'utilizzo di uno scanner laser automatizzato per monitorare l'evoluzione della geometria della saldatura tra i passaggi di deposizione e integrare la geometria registrata per aggiornare un'analisi agli elementi finiti (FEA), come realizzato con il pacchetto commerciale ABAQUS. La capacità di acquisire automaticamente il cordone di saldatura in situ e di convertirlo in una geometria di input FE con un input limitato da parte dell'utente è un passo avanti verso la produzione intelligente.

L'acquisizione della geometria impiegata nel presente lavoro è una scansione completa di una saldatura, facilitata dall'integrazione dello scanner con un braccio robotico con sei gradi di libertà che è distinto e separato dal braccio robotico che controlla la deposizione. Si tratta di un allontanamento dalla precedente implementazione dei sistemi di scansione laser, che sono stati progettati per sondare la geometria in posizioni specifiche, sia con mezzi portatili¹³, fissi ma limitati dall'estensione di uno stadio di campionamento^10,11, sia in cui lo scanner laser è collegato allo stesso braccio robotico della torcia di saldatura⁸. L'approccio attuale consente di acquisire l'intera geometria del cordone indipendentemente dalla posizione di deposizione all'interno della cella, nel sistema di coordinate della cella di saldatura, senza la necessità di dispositivi personalizzati o algoritmi complicati.

La geometria catturata può quindi essere utilizzata per prevedere fattori importanti come la storia della temperatura durante la deposizione. Se combinati con dati di termocoppia adeguati, è possibile simulare anche la distorsione e la tensione residua, che è adiacente al presente lavoro. Ciò ha il potenziale per migliorare la produzione consentendo una rapida modellazione del processo di saldatura nel mondo reale. La natura automatizzata dell'acquisizione della geometria fornisce una strada per collegare i parametri di saldatura alla geometria risultante. Questo, a sua volta, può essere utilizzato per lo sviluppo di un migliore controllo dei processi e della pianificazione dei percorsi. L'attuale saldatura manuale si basa sull'abilità dell'operatore per controllare l'uscita. La saldatura robotizzata aggiunge coerenza ma limita l'opportunità di prendere decisioni al volo. L'acquisizione del profilo del cordone tra una passata e l'altra consente di modificare la programmazione della passata successiva del cordone e, combinata con la modellazione del processo, ha il potenziale per migliorare i tassi di produzione, le proprietà dei materiali e la durata delle parti. Il presente protocollo è esemplificato da un singolo caso di esempio di perlina su piastra per dimostrare il flusso di lavoro sviluppato.

Messa a punto della cella di saldatura e dell'attrezzatura utilizzata
La cella di saldatura in oggetto è costituita da bracci robotici con gli accessori necessari per condurre la saldatura (denominati robot di saldatura) e la scansione laser (denominati robot di scansione). La cella del soggetto è mostrata nella Figura 1. Questi robot possono essere controllati attraverso un'interfaccia di programmazione che comprende il KUKA Robot Language (KRL)¹⁴, un linguaggio di programmazione funzionale che fornisce al robot le istruzioni necessarie, che vengono interpretate dai robot come movimenti articolari e motori. Il sistema di saldatura funziona in modalità di trasferimento a freddo del metallo (CMT) ed è dotato di TouchSense, una forma di ricerca elettronica dei punti. Il materiale di consumo utilizzato è stato un filo di acciaio G3Si-120n di diametro 1,2 mm in presenza di miscela di gas argon/anidride carbonica (80/20%). Il substrato utilizzato era una piastra in acciaio dolce G43 fissata da morsetti. La deposizione imposta era una perlina su piastra con i parametri riportati nella Tabella 1. Questa combinazione di parametri di saldatura è stata selezionata in quanto era nota per creare una deposizione rappresentativa a livello industriale. Lo scanner laser utilizzato è in grado di scansionare una linea di 2048 punti contemporaneamente, che è stata utilizzata per acquisire dati a una frequenza di 100 Hz. Inoltre, è stata utilizzata una macchina di misura a coordinate (CMM) per fornire le dimensioni di un componente di calibrazione.

I dati metrologici ottenuti dagli scanner laser richiedono una calibrazione. Questa necessità di calibrazione è ancora più importante quando lo scanner deve essere spostato per acquisire un'ampia regione con scansioni sovrapposte. Se lo scanner laser fosse inclinato rispetto al substrato o il movimento non fosse regolare, si verificherebbe una distorsione nella geometria risultante, come illustrato nella Figura 2. Inoltre, lo scanner registra solo le informazioni relative alla luce, che ritorna al sensore; È comune, quindi, nella saldatura, che produce una superficie curva altamente riflettente, non uniforme man mano che il bagno di fusione si solidifica, che gran parte delle informazioni spaziali possano andare perse. Per migliorare la probabilità che la forma registrata rappresenti la vera forma del cordone, è quindi necessario un certo livello di adattamento della curva. Nel caso più semplice, una singola forma del cordone di saldatura può essere ben approssimata da una parabola¹⁵. Questo approccio è stato utilizzato da Hu et al. con sistemi di scansione laser per calcolare le sovrapposizioni delle perline¹³. Il seguente protocollo impiegherà questa tecnica di adattamento al singolo caso di esempio di perlina per creare una rappresentazione digitale all'interno del pacchetto FE selezionato.

Protocol

Si presume che entrambi i robot siano stati attivati e sottoposti a qualsiasi diagnostica di configurazione per confermare la conformità alla posizione, come i test dei freni, e siano stati ospitati.

1. Eseguire la calibrazione

NOTA: Prima di poter utilizzare lo scanner laser, è necessario calibrarlo per garantire che le distanze percepite siano rappresentative delle distanze reali. Questo potrebbe non essere il caso per impostazione predefinita, poiché se lo scanner è inclinato rispetto alla lastra, questo creerà un cambiamento trigonometrico della distanza (Figura 2).

1. Per calibrare, scansionare un componente di dimensioni note, che è rigido e preferibilmente metallico, con l'aggiunta di punti fiduciali sotto forma di sfere.
   NOTA: Queste sfere forniscono una forma facile da identificare che può essere montata per trovare in modo affidabile il centro della sfera fiduciale con un numero ridotto di punti dati e un'elevata precisione. Un componente di esempio è mostrato nella cella di saldatura nella Figura 3A. Il flusso di lavoro riassuntivo utilizzato per le fasi di calibrazione 1.1-1.13 è mostrato nella Figura 4.
2. Posizionare un minimo di tre sfere fiduciali in modo casuale in posizioni diverse, ad esempio cuscinetti a sfere standard più grandi di 10 mm da valori ABEC di bassa a media (ad esempio, cuscinetti a sfere con diametro di 15,875 mm [0,625 ± 0,0001 pollici]). Fissarli al componente con un mezzo adatto come una resina epossidica conduttiva per garantire una buona conduttività tra la sfera e la parte di calibrazione. Utilizzare rondelle di raggio adeguato (ad es. 10 mm) per sostenere le sfere per migliorare la superficie di contatto tra la sfera e il componente.
3. Localizzare le coordinate di un certo numero di punti sulla superficie delle sfere fiduciali con una macchina di misura a coordinate (CMM) come nella Figura 3C. Queste coordinate verranno utilizzate per generare un datum virtuale corrispondente al centro di ciascuna delle sfere fiduciali (Figura 3B).
   1. Prima di misurare le sfere fiduciali, calibrare il CCM apponendo un benchmark di calibrazione con dimensioni note nell'alloggiamento della CMM. Questo benchmark di calibrazione assume la forma di una sfera in ceramica con raggio di 29,993 mm incorporata su un'asta con un fondo filettato in modo che possa essere avvitata nell'alloggiamento della CMM e tenuta rigida.
   2. Avvitare il benchmark di calibrazione nell'alloggiamento della CMM.
   3. Con la punta della CMM nello stesso orientamento che verrà utilizzato per misurare le sfere fiduciali per il componente di calibrazione della cella di saldatura, eseguire la funzione di calibrazione automatica all'interno del software appropriato. Per iniziare a eseguire la calibrazione della punta della CMM, con la CMM impostata sulla modalità di misurazione , spostare la punta a contatto con la superficie superiore del benchmark di calibrazione. Il programma prenderà quindi il controllo, mappando automaticamente la sfera di riferimento e calibrando la punta della CMM per l'orientamento corrente.
   4. Una volta completata la calibrazione del puntale, salvare la calibrazione con un numero di puntale scelto, ad esempio il numero di punta 1.
   5. Rimuovere il benchmark di calibrazione dalla CMM.
   6. Posizionare il componente di calibrazione con le sfere fiducial collegate nell'alloggiamento della CMM. Scegliere un orientamento e annotare l'orientamento per riferimento futuro, ad esempio utilizzando una fotografia annotata con ogni sfera fiduciale numerata.
   7. Crea un programma per identificare i punti su ciascuna delle sfere fiduciali.
      1. Selezionare la punta utilizzando la sonda | cambiare la sonda.
      2. Seleziona il contorno | misura il punto CNC e porta la punta a contatto con la prima sfera fiduciale. Ripeti per molti punti nell'emisfero superiore della prima sfera fiduciale.
      3. Fai lo stesso per ogni sfera fiduciale, creando una nuvola di punti per ciascuna delle superfici della sfera.
         NOTA: In linea di principio, è necessario un minimo di tre punti per sfera per localizzare il centro; tuttavia, ne sono preferiti molti di più. In questo caso, è stato impiegato un minimo di 12 punti situati sull'intera metà, come illustrato dalla sfera montata dai punti CMM nella Figura 3D. Gli aspetti che coinvolgono il funzionamento della CMM per ottenere punti di superficie sulla sfera fiduciale variano in base all'attrezzatura utilizzata.
4. Calcolare le coordinate del centro delle sfere fiducial adattando i punti di superficie a una sfera con un approccio di adattamento dei minimi quadrati. Ad esempio, ciò potrebbe essere ottenuto utilizzando il risolutore dei minimi quadrati^{Numpy 16}.
5. Scegliere una delle sfere fiducial che fungano da origine del sistema di coordinate di calibrazione. Sottrarre questa coordinata da ciascuna delle sfere fiducial per creare un sistema di coordinate della parte.
   NOTA: Supponendo che il componente di calibrazione sia rigido, una volta completata la procedura CMM e noti i centri delle sfere fiduciali, le future implementazioni di questo protocollo possono saltare i passaggi 1.2-1.5 poiché le dimensioni del componente di calibrazione e il sistema di coordinate associato sono già noti.
6. Posizionare il componente di calibrazione nella cella di saldatura con lo stesso orientamento rispetto all'origine misurata nella CMM.
   NOTA: L'orientamento non è teoricamente importante, ma replicare l'orientamento originale consente di identificare più facilmente eventuali errori.
7. Impostare la scansione del componente di calibrazione con lo scanner laser come mostrato nella Figura 5A. L'output è sotto forma di file di coordinate x,y,z.
   ATTENZIONE: Lo scanner laser è la fonte di radiazioni laser e può quindi essere pericoloso se non vengono seguiti i protocolli di sicurezza del laser. L'uso di laser di classe 2M e inferiori è necessario in quanto questi possono svolgere il ruolo richiesto ed è spesso richiesto un raggio aperto.
8. Per il sistema laser illustrativo utilizzato, misurare ogni fiducial sphere di 15,875 mm di diametro ed eseguire la scansione di ciascuna fiducial sphere con lo scanner laser per misurare il componente (Figura 5A). Troncare l'output di queste scansioni lineari per rimuovere qualsiasi informazione proveniente dal substrato, utilizzando una combinazione di cerchi in x e y attorno alle posizioni note della sfera e alle soglie del valore z. Utilizzare i punti rimanenti per adattare una sfera (Figura 5B) utilizzando la stessa procedura di adattamento dei minimi quadrati del passaggio 1.4 per ottenere una coordinata centrale.
   NOTA: La finitura superficiale delle sfere fiduciali può interagire male con lo scanner laser utilizzato. Uno sviluppatore di colorante penetrante aerosol può essere utilizzato per rivestire e opacizzare la superficie come nella Figura 5A.
9. Riportare il robot di scansione nella posizione iniziale.
10. Localizzare il componente di calibrazione con il robot di saldatura utilizzando la ricerca elettronica del punto. Utilizzare una punta metallica integrata nella torcia di saldatura con dimensioni note. Portare questa punta a contatto con la sfera fiduciale in un certo numero di punti intorno alla superficie (Figura 6), in modo simile all'approccio CMM. Quando la punta entra in contatto con la fiducial sphere, viene completato un circuito a bassa tensione e la posizione corrente del robot viene registrata direttamente dal sistema robotico.
    NOTA: Un effetto simile può essere ottenuto utilizzando altri tipi di cercabordi elettronici montati sul robot di saldatura, che si basano sul contatto fisico.
11. Usa questi punti per adattare una sfera e individuare la posizione centrale di ciascuna sfera fiduciale nel sistema di coordinate del robot di deposizione.
12. Riportare il robot di saldatura nella posizione iniziale e rimuovere il componente di calibrazione dalla cella di saldatura.
13. Utilizzare il sistema di coordinate CMM per calibrare le coordinate della cella di saldatura attraverso la scomposizione a valore singolo. Una descrizione del processo per creare le matrici di trasformazione affini richieste è fornita nella Figura 7.
    NOTA: La matrice di trasformazione affine risultante trasforma la posizione di ciascuno dei centri della sfera fiduciale dalle coordinate misurate alle distanze reali. Questo correggerà eventuali disallineamenti dello scanner laser rispetto alla direzione di scansione.

2. Individua la posizione della piastra di costruzione

1. Posizionare il substrato o il materiale di base in modo che riceva una deposizione nella cella di saldatura.
   1. Far scorrere lo scanner laser sugli angoli dell'area di costruzione in modo che sporga dal bordo della lastra, iniziando completamente dalla lastra e terminando parzialmente sulla lastra come nella Figura 8A. Assicurarsi che ciò avvenga come un movimento continuo a velocità costante, con la frequenza di registrazione dei dati nota. Utilizzare il tempo di acquisizione di una particolare scansione insieme ai punti di inizio e fine del percorso per assegnare una posizione nello spazio a ciascuna scansione registrata in un determinato momento. Registra le posizioni degli angoli della piastra di costruzione, che verranno utilizzate per acquisire la geometria adatta per l'analisi FE.
      NOTA: L'esecuzione del passaggio 2.1.1 consente di posizionare gli angoli della lastra nel sistema di coordinate dello scanner laser poiché ci sarà una funzione di gradino con l'altezza che cambia in modo significativo man mano che il laser arriva sopra la lastra (Figura 8B).
   2. Identificare il substrato nel sistema di coordinate del robot di scansione trasformando gli angoli trovati nel passaggio 2.1.1 nel sistema di coordinate del robot di saldatura tramite la matrice di trasformazione calcolata nel passaggio 1.13.
2. Come controllo, con il robot di saldatura, portare la punta della testa di saldatura su ciascun angolo della piastra e registrare le posizioni come mostrato nella Figura 8C e confermare che queste posizioni siano quelle previste.

3. Condurre la deposizione

1. Con la piastra posizionata, programmare il robot di saldatura in modo che produca il percorso desiderato nella posizione corretta rispetto alla posizione della piastra nelle coordinate del robot di saldatura.
2. Avviare una passata di saldatura con conseguente deposizione di un cordone di materiale come mostrato nella Figura 9.
3. Al termine del passaggio, ritrarre la testa del robot di saldatura a una distanza di sicurezza per evitare collisioni con il robot di scansione.

4. Scansiona il cordone e genera la geometria FE

NOTA: Vedere la Figura 10 per un riepilogo del flusso di lavoro per la scansione della geometria del cordone e l'utilizzo dei dati di scansione per creare una nuvola di punti 3D, che può essere solidificata e meshata per FEA. Nei passaggi seguenti viene descritto il modo in cui viene eseguita ogni parte del flusso di lavoro.

1. Programma il robot di scansione in modo che segua un percorso che consenta la scansione del cordone. Per linee semplici, utilizzare punti di inizio e fine simili a quelli del robot di saldatura o, per un metodo più robusto, eseguire una scansione dell'intera lastra.
   NOTA: In questo modo verranno utilizzati gli stessi requisiti di scansione utilizzati per individuare inizialmente la posizione della targa.
2. Effettuare le misurazioni mentre lo scanner viene spostato sul pezzo in lavorazione come indicato nella Figura 11. Annotare i punti di inizio e fine del percorso, la velocità di movimento del robot e la frequenza di acquisizione. Assicurarsi che la frequenza di acquisizione corrisponda a intervalli di distanza non inferiori alla dimensione minima dell'elemento destinata all'uso nella successiva FEA.
3. Se il profilo del cordone non può essere acquisito in un unico passaggio, eseguire più passaggi paralleli con una sovrapposizione corrispondente ad almeno il 10% del campo visivo dello scanner laser.
4. Una volta completate le scansioni, ritrarre il robot scanner laser per evitare collisioni con il robot di saldatura in qualsiasi passaggio di saldatura successivo.
5. Dotare l'output del bead di un'appropriata funzione analitica, facilitata attraverso una serie di comandi codificati in Python. Per l'esempio di deposizione di un singolo cordone, viene utilizzata una funzione parabolica per il raccordo.
   NOTA: Il codice Python utilizzato per eseguire i passaggi 4.5.1-4.5.10 è disponibile nel repository supplementare¹⁷. Il passaggio 4.5.10 richiede un pacchetto software aggiuntivo FreeCAD¹⁸, così come un'installazione di Python, per funzionare.
   Figura 10 Mostra il flusso di lavoro descritto in questa sezione. Un esempio di output in ciascuna delle seguenti fasi è fornito in Figura 12A-J. Un esempio di script utilizzato per il tallone scansionato in Figura 11 insieme alla geometria scansionata utilizzata per produrre Figura 12 è disponibile anche nell'archivio supplementare¹⁷.
   1. Prima di tentare di manipolare o utilizzare in qualsiasi modo i dati della nuvola di punti dallo scanner laser, applicare la stessa matrice di trasformazione affine all'uscita laser come è stato trovato nel passaggio di calibrazione 1.13.
   2. Ritagliare i dati scansionati nell'area approssimativa di un singolo cordone da montare. Assicurati di includere parte della piastra attorno al tallone, influenzata da una certa percentuale della larghezza del tallone per la finestra. A questo punto, rimuovere eventuali artefatti di scansione derivanti dalle riflessioni utilizzando i filtri altezza.
   3. Appiattire la lastra locale all'interno della sezione ritagliata della scansione risolvendo la normale per la lastra e applicando una matrice di rotazione in modo che i dati si trovino ora in un sistema di coordinate in cui la normale alla lastra è parallela all'asse verticale.
   4. Individuare l'orientamento del cordone sulla piastra applicando una soglia del filtro di altezza appena sopra l'altezza della piastra di base, quindi adattare i punti dati rimanenti con un polinomio^{di 1°} ordine. Questo darà un vettore per la direzione del tallone. Se si sa che il cordone non è dritto, dividerlo in sezioni più piccole che possono essere approssimate da sezioni diritte
   5. Ruotare il cordone in modo che sia parallelo all'asse y per facilitarne la manipolazione.
   6. Ritagliare la sezione ruotata per rimuovere le estremità della piastra, ma lasciare una piccola quantità (~5 mm) su entrambi i lati del tallone per consentire il montaggio.
   7. Selezionare il centro della sezione del tallone da montare ed eseguire un accoppiamento parabolico alla sezione trasversale dei dati in questa posizione y. Il flusso di lavoro del programma per questo passaggio è illustrato nella Figura 13.
   8. Utilizzando l'adattamento, estrarre le estensioni del cordone valutando l'adattamento alle coordinate x corrispondenti all'altezza massima della piastra, dove inizia il cordone.
      1. Valutare la posizione y massima del cordone utilizzando la stessa soglia.
      2. Create profili di terminazione del cordone utilizzando la stessa forma parabolica ma trasposta nel piano x-y a ciascuna estremità del cordone.
      3. Registra i punti che comporrebbero il contorno valutando tutta la parabola con una serie di coordinate x e y che coprono l'intera estensione del cordone.
   9. Traslare il dominio dei punti nelle coordinate originali avviando prima il cordone all'origine di un nuovo sistema di coordinate, quindi trasformandolo nel sistema di coordinate originale del robot di saldatura.
   10. Utilizzando gli strumenti di meshing, riempire la superficie dei punti e creare una superficie solida che può essere importata in un'analisi EF. Per fare ciò, utilizzare il programma FreeCAD¹⁸ per combinare la serie di parabole per creare un solido 3D completo adatto per l'importazione nel preprocessore FEA.
       1. A questo punto, aggiungere un substrato definendo le estensioni reali della piastra di base o altre dimensioni, se necessario.
       2. Utilizzare le macro per generare file STL (Standard Tessellation Language) e STEP (Standard for the Exchange of Product Data) utilizzando i punti calcolati nel passaggio 4.5.9.
       3. Una volta prodotta, la geometria solida viene esportata in un formato di file adatto all'analisi FE, in questo caso un formato ".inp" (input). Se lo si desidera, la mesh agli elementi finiti può essere creata direttamente, facilitata da un'altra macro di FreeCAD. Per questo esempio, viene utilizzato il plug-in Netgen mesh FEM tool per FreeCAD. La mesh di bead di esempio è stata generata utilizzando una finezza moderata all'interno della mesh Netgen, una dimensione massima dell'elemento definita di 0,5 mm e una dimensione minima dell'elemento di 0,1 mm.
          NOTA: A questo punto la geometria reale può ora essere importata con successo in un processore di analisi FE.

Results

I raggi e le distanze calcolati tra le sfere fiducial per il componente di calibrazione in ciascuno dei sistemi di coordinate sono mostrati nella Tabella 2. L'errore tra la CMM e il punto di ricerca elettronico per ogni posizione della sfera fiduciale è piccolo, inferiore a 0,1 mm. Entrambe queste tecniche si basano sul contatto fisico tra la sfera fiduciale e lo stilo. L'errore indotto dallo scanner laser durante la localizzazione delle sfere è piuttosto grande in confronto e domina a 1-2 mm. L'applicaz...

Discussion

Qualità di acquisizione
L'accuratezza dimensionale e la precisione del sistema di scansione laser sono state studiate dalle posizioni e dai raggi delle sfere fiduciali nella Tabella 2. La precisione di ciascun sistema è determinata dalla differenza di posizione delle sfere fiduciali misurata dai sistemi robotici (scanner laser e rilevamento elettrico dei bordi) rispetto ai dati della CMM quando vengono trasformati nel sistema di coordinate del robot d...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Stilo CMM in rubino da 3 mm di diametro	Renishaw		Stilo utilizzato sulla macchina CMM (A-5004-0422)
80% Argon 20% CO2 gassoso	BOC		Miscela di gas per gas di protezione (Argosheild)
Crysta-Apex 776	Mitutoyo		Macchina di misura a coordinate, precisione quotata 10 & micro; m
FK 1000 MIG 1,2 mm filo per saldatura	Iabco		Filo di consumo per saldatura
FreeCAD 1.0	FreeCAD		Software per la visualizzazione delle geometrie e la creazione di file stl, step e FE dalla nuvola di punti. Versione usata 1.0
Saldatrice Fronius CMT 4000 GMAW	Fronius		Torcia di saldatura
Piastra in acciaio dolce G43 50 cm x 50 cm x2,5 cm	Smiths Metal		Substrato metallico utilizzato come piastra di costruzione
GEOPAK/MCOSMOS	Mitutoyo		Software per il controllo della CMM. Versione usata 4.0
KUKA KR20	IL BUCO		Braccio robotico utilizzato come robot di scansione
KUKA KR70	IL BUCO		Braccio robotico utilizzato come robot di saldatura
LAZ3RUS	Università di Manchester		LAZer-based 3d Rendering in Universal Scene: per la creazione della geometria FE per la scansione laser. Versione usata 1.0
Micro Epsilon LLT3010-100	Micro Epsilon		Laser scanner, quotazione precisione 9 µ m
Sfera di calibrazione Mitutoyo da 30 mm di diametro	Mitutoyo		Sfera di calibrazione CMM in silice fusa
ScanCONTROL3000_100	Micro Epsilon		Software per l'acquisizione e l'elaborazione delle informazioni dallo scanner laser
Senso tattile	Fronius		Sistema per la ricerca elettronica di spigoli/caratteristiche in un'implementazione di saldatura robotizzata