溶接ビードの有限要素解析のためのレーザーベースの自動形状キャプチャ

自動溶接は広く使用されており、均一で再現性のある溶接を作成できます。しかし、現在、熟練した技術者が手動溶接中に自然に行うマルチパス溶接プロセス中に適応する能力が欠けています。レーザースキャナーを使用することにより、当社のプロトコルでは、物理ゲージを使用して溶接形状を手動でキャプチャするのとは異なり、遅延を引き起こすことなく進行状況を監視できます。

また、将来の分析に使用できる蒸着のデジタル記録も生成します。このプロトコルは、溶接セルのデジタルトレインであるMeta oneによって有効になります。それらはマンチェスター大学で開発されています。

デジタルトレインにより、ビルド形状だけでなく、ロボットの指示、実際のロボットの動き、溶接セルとローカルメルトプールのカメラ映像もデジタル空間で記録および再生できます。レーザースキャナーは、レーザースキャナーとビルドプレートの間の傾きを補正するために校正する必要があります。この校正プロセスの一環として、レーザー スキャナー データは溶接ロボットの座標系に取り込まれます。

溶接形状を迅速にキャプチャすることで、パス間の意思決定が容易になり、機械学習によって強化され、有限要素モデルに真の堆積形状を入力できるようになります。まず、座標測定機の原点に対して同じ方向で溶接セル内の校正コンポーネントを配置します。レーザースキャナーシステムを使用してキャリブレーションコンポーネントのスキャンを設定し、X、Y、Z値を含む座標ファイルにスキャン出力を記録します。

レーザースキャナーを使用して各基準球を測定します。各球をスキャンして、キャリブレーションコンポーネントを測定します。基板から始まる点を除外し、既知の位置の周りのXとYに円形のマスクを使用し、Zにしきい値を適用することで、ラインスキャンデータを切り捨てます。フィルタリングされた点セットを使用して、最小二乗球フィッティングを実行し、中心座標を決定します。

次に、既知の寸法の金属チップを備えた溶接ロボットを使用して、校正コンポーネントを見つけます。タッチセンスルーチンを使用して、いくつかの場所でチップを各基準球の表面に接触させます。接触時に低電圧回路が完成するまで待ち、システムソフトウェアを通じてロボットの位置を記録します。

次に、蒸着を受ける基板または母材を溶接セルに入れます。次に、溶接ロボットを使用して溶接パスを開始し、基板表面に沿って材料のビードを堆積させます。ビードの位置に揃った経路をたどるようにスキャンロボットをプログラムします。

単純な線形ビーズの場合は、溶接ロボットと同じ始点と終点を使用し、スキャンロボットでプレート領域全体をスキャンしてカバレッジを強化します。スキャナーをワークピースの上で動かしながら測定を行います。スキャンパスの開始点と終了点、ロボットの移動速度、および取得頻度を記録します。

周波数が、有限要素解析で計画された最小要素サイズ以下の空間間隔に対応していることを確認します。スキャンしたビーズプロファイルをPythonコードを使用して適切な解析関数に適合させます。シングルビード堆積の場合は、曲線フィッティングに放物線関数を使用します。

キャリブレーション中に使用したのと同じアフィン変換行列をレーザースキャンデータに適用します。スキャンデータを、ビードを覆い、その周囲に余白を含む領域にトリミングします。高さベースのフィルターを使用して、反射によって発生するスキャンアーティファクトをすべて除去します。

次に、プレート法線を解くことで、クロップスキャンでプレートのローカル領域を平坦化し、回転行列を適用してプレート法線を垂直軸に揃えます。ビードを回転させて Y 軸に合わせると、さらなる処理が簡単になります。ベースプレートレベルのすぐ上に高さフィルターを適用してビードの向きを検出し、結果のデータを1次多項式であてはめて、ビードの方向を表すベクトルを生成します。

ビーズが真っ直ぐでない場合は、直線に近い小さなセグメントに分割します。次に、回転した部分をトリミングして、ビードの両側に約5ミリメートルの材料を保持しながら、余分なプレート領域を取り除きます。ビードの没収の中心領域を選択し、この位置でデータの断面に放物線曲線をフィットさせます。

次に、フィットした放物線曲線を使用して、ビードが最大高さでベースプレートと交わるX座標で曲線を評価して、ビードの横方向の範囲を決定します。次に、同様の高さしきい値処理手法を使用して、ビードの範囲を示す Y 座標を評価します。同じ放物線形状をXY平面に転置して、ビードの両端に終端プロファイルを作成します。

次に、ビーズのスパン全体をカバーする複数のX座標とY座標ですべての放物線を評価して、ビードの完全な輪郭を計算します。次に、実際の範囲を指定するか、事前定義された寸法を使用して、ベース基板ジオメトリを追加します。次に、FreeCADのメッシュツールを使用して、放物線断面のセットを単一の3Dソリッドジオメトリに変換します。

このサーフェスは、有限要素解析環境へのインポートに適している必要があります。アウトラインポイントを元の溶接ロボット座標系に変換します。まず、ビードを新しい座標系の原点にリセットします。

次に、変換を適用して、元のフレーム内の位置を復元します。マクロを使用して、以前に計算されたジオメトリポイントを使用して、ビードと基板をSTLおよびステップファイルとしてエクスポートします。最後に、完全なジオメトリを、INP形式などの有限要素解析に適したファイル形式にエクスポートします。

オプションで、FreeCADのNETGENメッシュFEMツールを使用して、最大要素サイズが0.5 mm、最小0.1 mmの中程度の細かさを使用してメッシュを作成します。基準球の位置に適用された変換行列により、座標系間で重なり合い、目に見えて異なる点セットが作成されました。レーザースキャナーを使用して測定された基準球の半径は、エッジファインディングおよび座標測定機の技術と比較して、一貫してわずかな過小評価を示しました。

基準球間の距離を決定する際のレーザースキャナーの位置誤差は1.30ミリメートルから2.05ミリメートルの範囲でしたが、CMMと電子エッジファインディングエラーはどちらも0.1ミリメートル未満にとどまりました。最終的なメッシュ化されたフル溶接ビード形状は、有限要素解析ソフトウェアに正常にインポートされました。