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

La saldatura automatizzata è ampiamente utilizzata e in grado di creare saldature uniformi e riproducibili. Tuttavia, attualmente manca la capacità di adattamento durante i processi di saldatura multipass, cosa che un tecnico qualificato farebbe naturalmente durante la saldatura manuale. Utilizzando uno scanner laser, il nostro protocollo consente di monitorare l'avanzamento senza causare ritardi, a differenza dell'acquisizione manuale della geometria della saldatura mediante calibri fisici.

Produce anche una registrazione digitale della deposizione, che può essere utilizzata per analisi future. Questo protocollo è abilitato da Meta one, che è il treno digitale della cella di saldatura. Sono sviluppati presso l'Università di Manchester.

Il treno digitale consente la registrazione e la riproduzione in uno spazio digitale non solo della geometria di costruzione, ma anche delle istruzioni del robot, del movimento effettivo del robot e delle riprese della cella di saldatura e del bagno di fusione locale. Lo scanner laser deve essere calibrato per correggere eventuali inclinazioni o inclinazioni tra esso e la piastra di costruzione. Nell'ambito di questo processo di calibrazione, i dati dello scanner laser vengono inseriti nel sistema di coordinate del robot di saldatura.

L'acquisizione rapida della geometria di saldatura può facilitare il processo decisionale tra le passate, eventualmente migliorare attraverso l'apprendimento automatico e consentire ai modelli a elementi finiti di essere popolati con una vera geometria di deposizione. Per iniziare, posizionare il componente di calibrazione all'interno della cella di saldatura con lo stesso orientamento rispetto all'origine nella macchina di misura a coordinate. Impostare la scansione del componente di calibrazione utilizzando il sistema di scansione laser e registrare l'output della scansione nel file di coordinate contenente i valori X, Y e Z.

Misura ogni sfera fiduciale utilizzando lo scanner laser. Scansiona ogni sfera per misurare il componente di calibrazione. Troncare i dati di scansione lineare escludendo i punti originati dal substrato, utilizzando maschere circolari in X e Y attorno alle posizioni note e applicando soglie in Z.Utilizzare il set di punti filtrati per eseguire un adattamento della sfera del minimo quadrato e determinare le coordinate centrali.

Ora individua il componente di calibrazione utilizzando il robot di saldatura dotato di una punta metallica di dimensioni note. Utilizzando la routine di rilevamento tattile, portare la punta a contatto con la superficie di ciascuna sfera fiduciale in diversi punti. Lasciare che il circuito a bassa tensione si completi al contatto e registrare la posizione del robot tramite il software del sistema.

Quindi posizionare il substrato o il materiale di base che riceverà la deposizione nella cella di saldatura. Successivamente, avviare una passata di saldatura utilizzando il robot di saldatura per depositare un cordone di materiale lungo la superficie del substrato. Programmare il robot di scansione in modo che segua un percorso allineato con la posizione del cordone.

Per semplici cordoni lineari, utilizzare gli stessi punti di inizio e fine del robot di saldatura e scansionare l'intera area della lastra con il robot di scansione per una maggiore copertura. Effettuare le misurazioni mentre si sposta lo scanner sul pezzo da lavorare. Registra i punti di inizio e fine del percorso di scansione, la velocità di movimento del robot e la frequenza di acquisizione.

Verificare che la frequenza corrisponda a un intervallo spaziale, non inferiore alla dimensione minima dell'elemento pianificata per l'analisi degli elementi finiti. Montare il profilo del cordone scansionato con una funzione analitica appropriata utilizzando il codice Python. Per le deposizioni di cordoni singoli, utilizzare una funzione parabolica per l'adattamento della curva.

Applicare ai dati di scansione laser la stessa matrice di trasformazione affine utilizzata durante la calibrazione. Ritagliare i dati di scansione in una regione che copra il cordone e includa un margine attorno ad esso. Rimuovi eventuali artefatti di scansione causati dai riflessi utilizzando filtri basati sull'altezza.

Quindi appiattire la regione locale della lastra nella scansione ritagliata risolvendo la normale della lastra e applicare una matrice di rotazione per allineare la normale alla lastra con l'asse verticale. Ruotare il cordone in modo che si allinei con l'asse Y per semplificare l'ulteriore lavorazione. Rileva l'orientamento del cordone applicando un filtro di altezza appena sopra il livello della piastra di base e adatta i dati risultanti con un polinomio del primo ordine per generare un vettore che rappresenta la direzione del cordone.

Se il cordone non è dritto, dividerlo in segmenti più piccoli che si avvicinino alle linee rette. Ora ritaglia la sezione ruotata per rimuovere l'area della piastra in eccesso mantenendo circa cinque millimetri di materiale su entrambi i lati del cordone. Scegliere la regione centrale del forfait del cordone ed eseguire un adattamento della curva parabolica alla sezione trasversale dei dati in questa posizione.

Quindi, utilizzando la curva parabolica adattata, determinare le estensioni laterali del cordone valutando la curva alle coordinate X in cui il tallone incontra la piastra di base alla sua altezza massima. Successivamente, valuta le coordinate Y, che indicano l'estensione del cordone utilizzando tecniche di soglia dell'altezza simili. Creare profili di terminazione su entrambe le estremità del cordone utilizzando la stessa forma parabolica trasposta nel piano XY.

Ora calcola il contorno completo della perlina valutando tutte le parabole a più coordinate X e Y che coprono l'intera estensione della perlina. Quindi aggiungere la geometria del substrato di base specificando le sue estensioni effettive o utilizzando dimensioni predefinite. Quindi utilizzare gli strumenti di meshing in FreeCAD per convertire l'insieme di sezioni trasversali paraboliche in un'unica geometria solida 3D.

Questa superficie deve essere adatta per l'importazione in un ambiente di analisi agli elementi finiti. Traslate i punti di contorno nel sistema di coordinate originale del robot di saldatura. Innanzitutto, reimpostare il cordone all'origine di un nuovo sistema di coordinate.

Quindi applica la trasformazione per ripristinare la sua posizione nel fotogramma originale. Utilizzare le macro per esportare il cordone e il substrato come file STL e step utilizzando i punti geometrici calcolati in precedenza. Infine, esportare la geometria completa in un formato di file appropriato per l'analisi degli elementi finiti, ad esempio il formato INP.

Facoltativamente, utilizzare lo strumento mesh FEM NETGEN in FreeCAD per creare la mesh utilizzando una finezza moderata con una dimensione massima dell'elemento di 0,5 millimetri e un minimo di 0,1 millimetri. La matrice di trasformazione applicata alle posizioni della sfera fiduciale ha portato a insiemi di punti sovrapposti e visibilmente distinti tra i sistemi di coordinate. I raggi misurati delle sfere fiduciali utilizzando lo scanner laser hanno mostrato una leggera sottostima costante rispetto alle tecniche di ricerca dei bordi e delle macchine di misura a coordinate.

L'errore di posizione dello scanner laser nel determinare le distanze tra le sfere fiduciali variava da 1,30 millimetri a 2,05 millimetri, mentre sia gli errori di CMM che quelli di ricerca elettronica dei bordi sono rimasti al di sotto di 0,1 millimetri. La geometria finale del cordone di saldatura a maglia completa è stata importata con successo nel software di analisi agli elementi finiti.