용접 비드의 유한 요소 분석을 위한 자동 레이저 기반 형상 캡처

자동 용접은 널리 사용되며 균일하고 재현 가능한 용접을 생성할 수 있습니다. 그러나 현재 숙련된 기술자가 수동 용접 중에 자연스럽게 수행할 수 있는 다중 패스 용접 공정 중 적응 능력이 부족합니다. 레이저 스캐너를 사용함으로써 당사의 프로토콜을 사용하면 물리적 게이지를 사용하여 용접 형상을 수동으로 캡처하는 것과 달리 지연을 일으키지 않고 진행 상황을 모니터링할 수 있습니다.

또한 증착의 디지털 기록 (digital record) 을 생성하며, 이는 향후 분석에 사용될 수 있습니다. 이 프로토콜은 용접 셀의 디지털 트레인인 Meta one에 의해 활성화됩니다. 그들은 맨체스터 대학교에서 개발되었습니다.

디지털 트레인을 사용하면 빌드 형상뿐만 아니라 로봇 지침, 실제 로봇 움직임, 용접 셀 및 로컬 용융 풀의 카메라 영상을 디지털 공간에서 기록하고 재생할 수 있습니다. 레이저 스캐너와 빌드 플레이트 사이의 기울기나 기울기를 수정하기 위해 레이저 스캐너를 보정해야 합니다. 이 교정 프로세스의 일환으로 레이저 스캐너 데이터는 용접 로봇의 좌표계로 가져옵니다.

용접 형상을 신속하게 캡처하면 패스 간의 의사 결정을 용이하게 하고, 기계 학습을 통해 향상될 수 있으며, 유한 요소 모델을 실제 증착 형상으로 채울 수 있습니다. 시작하려면 좌표 측정기의 원점을 기준으로 동일한 방향으로 용접 셀 내부의 교정 구성 요소를 배치합니다. 레이저 스캐너 시스템을 사용하여 교정 구성 요소의 스캔을 설정하고 X, Y 및 Z 값이 포함된 좌표 파일에 스캔 출력을 기록합니다.

레이저 스캐너를 사용하여 각 기준구를 측정합니다. 각 구를 스캔하여 캘리브레이션 구성 요소를 측정합니다. 기판에서 시작되는 점을 제외하고, 알려진 위치 주위의 X와 Y에 원형 마스크를 사용하고, Z에 임계값을 적용하여 라인 스캔 데이터를 자릅니다. 필터링된 점 세트를 사용하여 최소 제곱 구 피팅을 수행하고 중심 좌표를 결정합니다.

이제 알려진 치수의 금속 팁이 장착된 용접 로봇을 사용하여 교정 구성 요소를 찾습니다. 터치 감지 루틴을 사용하여 팁을 여러 위치에서 각 기준구의 표면과 접촉시킵니다. 접촉 시 저전압 회로가 완료되도록 하고 시스템 소프트웨어를 통해 로봇의 위치를 기록합니다.

그런 다음 증착을 받을 기판 또는 모재를 용접 셀에 배치합니다. 다음으로, 용접 로봇을 사용하여 용접 패스를 시작하여 기판 표면을 따라 재료 비드를 증착합니다. 비드 위치에 정렬된 경로를 따르도록 스캐닝 로봇을 프로그래밍합니다.

단순 선형 비드의 경우 용접 로봇과 동일한 시작점과 끝점을 사용하고 스캐닝 로봇으로 전체 플레이트 영역을 스캔하여 적용 범위를 강화합니다. 스캐너를 작업물 위로 이동하면서 측정합니다. 스캐닝 경로의 시작점과 끝점, 로봇의 이동 속도, 획득 빈도를 기록합니다.

주파수가 유한 요소 해석을 위해 계획된 최소 요소 크기보다 작지 않은 공간 간격에 해당하는지 확인합니다. 스캔한 비드 프로파일을 Python 코드를 사용하여 적절한 분석 함수로 맞춥니다. 단일 비드 증착의 경우 곡선 피팅에 포물선 함수를 사용합니다.

보정 중에 사용된 것과 동일한 아핀 변환 매트릭스를 레이저 스캔 데이터에 적용합니다. 비드를 덮고 주위에 여백을 포함하는 영역으로 스캔 데이터를 자릅니다. 높이 기반 필터를 사용하여 반사로 인한 스캔 아티팩트를 제거합니다.

그런 다음 플레이트 법선을 해결하여 잘린 스캔에서 플레이트의 로컬 영역을 평평하게 하고 회전 행렬을 적용하여 플레이트 법선을 세로축에 정렬합니다. 추가 처리를 단순화하기 위해 Y축과 정렬되도록 비드를 회전합니다. 베이스 플레이트 레벨 바로 위에 높이 필터를 적용하여 비드 방향을 감지하고 결과 데이터를 1차 다항식으로 피팅하여 비드 방향을 나타내는 벡터를 생성합니다.

구슬이 직선이 아닌 경우 직선에 가까운 더 작은 세그먼트로 나눕니다. 이제 회전된 부분을 잘라 비드의 양쪽에 약 5mm의 재료를 유지하면서 과도한 플레이트 영역을 제거합니다. 비드 몰수의 중앙 영역을 선택하고 이 위치에서 데이터의 단면에 맞는 포물선 곡선을 실행합니다.

그런 다음 피팅된 포물선 곡선을 사용하여 비드가 최대 높이에서 베이스 플레이트와 만나는 X 좌표에서 곡선을 평가하여 비드의 측면 범위를 결정합니다. 다음으로, 유사한 높이 임계값 기술을 사용하여 비드의 범위를 나타내는 Y 좌표를 평가합니다. XY 평면으로 전치된 동일한 포물선 모양을 사용하여 비드의 양쪽 끝에 종단 프로파일을 생성합니다.

이제 비드의 전체 범위를 덮는 여러 X 및 Y 좌표에서 모든 포물선을 평가하여 비드의 전체 윤곽을 계산합니다. 그런 다음 실제 범위를 지정하거나 미리 정의된 치수를 사용하여 기본 기판 형상을 추가합니다. 그런 다음 FreeCAD의 메쉬 도구를 사용하여 포물선 단면 세트를 단일 3D 솔리드 형상으로 변환합니다.

이 표면은 유한 요소 해석 환경으로 가져오기에 적합해야 합니다. 윤곽선을 원래 용접 로봇 좌표계로 변환합니다. 먼저 비드를 새 좌표계의 원점으로 재설정합니다.

그런 다음 변형을 적용하여 원래 프레임에서 해당 위치를 복원합니다. 매크로를 사용하여 이전에 계산된 형상 점을 사용하여 비드와 기판을 STL 및 스텝 파일로 내보냅니다. 마지막으로 전체 형상을 INP 형식과 같은 유한 요소 해석에 적합한 파일 형식으로 내보냅니다.

선택적으로 FreeCAD의 NETGEN 메쉬 FEM 도구를 사용하여 최대 요소 크기가 0.5mm이고 최소 0.1mm인 적당한 미세도를 사용하여 메쉬를 생성합니다. 기준구 위치에 적용된 변환 행렬은 좌표계 간에 중첩되고 눈에 띄게 뚜렷한 점 집합을 생성했습니다. 레이저 스캐너를 사용하여 측정된 기준구의 반경은 가장자리 찾기 및 좌표 측정기 기술에 비해 일관되게 약간의 과소평가를 보였습니다.

기준구 사이의 거리를 결정하는 레이저 스캐너의 위치 오차는 1.30mm에서 2.05mm 범위였으며 CMM과 전자 에지 찾기 오류는 모두 0.1mm 미만으로 유지되었습니다. 최종 메쉬된 전체 용접 비드 형상을 유한 요소 해석 소프트웨어로 성공적으로 가져왔습니다.