Automatyczne laserowe przechwytywanie geometrii do analizy elementów skończonych ściegów spoiny

Summary

Opisano proces pozyskiwania danych metrologicznych ściegów spoiny w czasie zbliżonym do rzeczywistego i automatycznego przygotowania wynikowej geometrii do analizy elementów skończonych.

Abstract

Spawanie w przypadku produkcji o wysokiej wartości wymaga ścisłej kontroli procesu pod kątem zniekształceń komponentów i ustalenia poziomów naprężeń szczątkowych przenoszonych na gotowy element. Proces ten jest uzależniony od kontrolowania niezliczonej ilości parametrów, koncentrując się przede wszystkim na zapewnieniu odpowiedniego połączenia materiału macierzystego i materiałów eksploatacyjnych. Wysokie gradienty termiczne, które są przekazywane podczas procesu, mogą powodować znaczne zniekształcenia, jeśli nie są kontrolowane, oraz wysoki poziom naprężeń szczątkowych, jeśli element jest całkowicie unieruchomiony. Analiza metodą elementów skończonych jest powszechnie stosowana w procesach spawania do przewidywania zniekształceń. Modele te wykorzystują jednak prawie wyłącznie wyidealizowaną lub uproszczoną geometrię zdefiniowaną przed rozpoczęciem procesu, która może być niereprezentatywna dla końcowego komponentu. Opisano protokół służący do uchwycenia prawdziwego kształtu osadzania pojedynczego ściegu spoiny w unikalnym układzie współrzędnych za pomocą systemu skanowania laserowego i przekształcania tej przechwyconej geometrii w formę, którą można natychmiast włączyć do analiz elementów skończonych. Pozwala to na szybkie wypełnienie modelu elementów skończonych geometrią reprezentatywną dla rzeczywistego osadzania przy ograniczonym udziale użytkownika.

Introduction

Spawanie termojądrowe służy do trwałego łączenia elementów metalowych poprzez miejscowe topienie materiałów macierzystych i wypełniających. Te materiały wypełniające mają postać drutu lub pręta. Źródło ciepła powodujące to topnienie może się różnić¹, ale we wszystkich przypadkach zarówno rodzic, jak i wypełniacz są narażeni na wysokie temperatury i gradienty. Te wahania termiczne mogą powodować znaczne zniekształcenia, zmiany właściwości materiału i indukować naprężenia szczątkowe w elemencie zarówno podczas procesu spawania, jak i podczas chłodzenia. Ponieważ te skutki uboczne mogą być bardzo szkodliwe dla żywotności lub żywotności komponentów o wysokiej wartości, procesy spawania są często modelowane metodą elementów skończonych (FE) w celu określenia historii termicznej, zniekształceń i naprężeń szczątkowych². W takich modelach zazwyczaj wykorzystuje się uproszczoną lub wyidealizowaną geometrię spoiny i materiału macierzystego, która jest określana przed rozpoczęciem spawania, a nie geometrię opartą na pełnym osadzaniu 3D, w tym miejscach rozpoczęcia i zakończenia spawania. Powtarzalne spawanie wieloprzebiegowe można osiągnąć za pomocą zautomatyzowanych systemów, w których palnik spawalniczy jest manipulowany przez ramię robota. Należy zauważyć, że niektóre urządzenia używane do automatycznego spawania łukowego mogą być również używane do wytwarzania przyrostowego z bezpośrednim osadzaniem energią, co jest znane jako łuk osadzania z ukierunkowaną energią (DED-Arc) lub wytwarzanie przyrostowe z łukiem drutowym³ (WAAM). Te same podejścia do modelowania predykcyjnego są zwykle stosowane w przypadku WAAM, jak i w przypadku łączenia⁴.

WAAM może wytwarzać komponenty 3D w kształcie zbliżonym do siatki poprzez selektywne łączenie wielu warstw osadzonego materiału. WAAM był używany w przeszłości do tworzenia ścian i innych kształtów geometrycznych⁵, rur⁶, a także elementów o bardziej skomplikowanych topologiach, takich jak łopatki turbiny⁷. Ze względu na zwiększoną liczbę cykli termicznych w porównaniu z łączeniem i wzrost osadzanego materiału, zniekształcenia takich elementów WAAM mogą stać się znaczące. W związku z tym dokładność każdego modelu ES odzwierciedlającego ten proces może być osłabiona przez wyidealizowaną lub przypuszczalną geometrię druku. Zniekształcenia podłoża można ograniczyć podczas osadzania poprzez zwiększenie unieruchomienia mechanicznego. Spowoduje to jednak również zwiększenie poziomu naprężeń szczątkowych w elemencie końcowym, co również jest niepożądane.

Tradycyjnie, kontrolę geometrii po spawaniu można przeprowadzić ręcznie za pomocą narzędzi kontrolnych⁸ lub poprzez przecięcie poprzeczne osadzania i podłoża w celu odsłonięcia profilu spoiny, w tym osadzonego materiału, stopionego obszaru materiału podstawowego i stref wpływu ciepła⁹. Ręczne narzędzia do kontroli geometrycznej, choć dobre do dostarczania informacji o zakresie osadzania, wymagają od operatora przerwania automatycznej procedury w celu przeprowadzenia pomiarów i transkrypcji uzyskanych danych. Podobnie, przekrój poprzeczny zapewnia bardzo dokładne odwzorowanie spoiny, ale jest destrukcyjny i wymaga wielu etapów przygotowania, które należy przeprowadzić na zewnątrz do miejsc produkcji. Oba podejścia dostarczają informacji o profilu ściegu tylko w określonych mierzonych miejscach, które w przypadku przekroju poprzecznego mogą być pojedynczym profilem. Z kolei skanery laserowe mają tę zaletę, że szybko oceniają profil spoiny bez konieczności usuwania próbki z komórki spawalniczej i mają potencjał do uchwycenia całego osadzania w wysokiej rozdzielczości. Monitorowanie rzeczywistej geometrii ściegu podczas spawania za pomocą systemów laserowych zostało zastosowane^10,11 w taki sam sposób, jak jest powszechnie stosowane w formowaniu metali¹². Systemy laserowe zostały również wykorzystane do uchwycenia geometrii WAAM¹⁰. Jednak konkretne kroki podjęte w celu przetworzenia tych danych w celu uwzględnienia lub porównania z analizą ES nie zostały dokładnie opisane. W niniejszej pracy przedstawiono nowy protokół wykorzystania zautomatyzowanego skanera laserowego do monitorowania ewolucji geometrii spoiny między przejściami osadzania i integracji zarejestrowanej geometrii w celu aktualizacji analizy elementów skończonych (MES), realizowanej za pomocą komercyjnego pakietu ABAQUS. Możliwość automatycznego przechwytywania ściegu spoiny in situ i przekształcania ściegu spoiny w geometrię wejściową ES przy ograniczonym udziale użytkownika jest krokiem w kierunku inteligentnej produkcji.

Przechwytywanie geometrii zastosowane w niniejszej pracy to pełne skanowanie spoiny, ułatwione dzięki temu, że skaner jest zintegrowany z ramieniem robota o sześciu stopniach swobody, które jest odrębne i niezależne od ramienia robota sterującego osadzaniem. Jest to odejście od wcześniejszych implementacji systemów skanowania laserowego, które zostały zaprojektowane do sondowania geometrii w określonych miejscach, albo za pomocą środków ręcznych¹³, stałych, ale ograniczonych zakresem stolika próbki^10,11, albo gdy skaner laserowy jest przymocowany do tego samego ramienia robota co uchwyt spawalniczy⁸. Obecne podejście pozwala na uchwycenie pełnej geometrii ściegu niezależnie od miejsca osadzania w komórce, w układzie współrzędnych komórki spawalniczej, bez konieczności stosowania niestandardowych uchwytów lub skomplikowanych algorytmów.

Przechwycona geometria może być następnie wykorzystana do przewidywania ważnych czynników, takich jak historia temperatury podczas osadzania. W połączeniu z odpowiednimi danymi z termopary można również symulować zniekształcenia i naprężenia szczątkowe, co jest zgodne z niniejszą pracą. Ma to potencjał do usprawnienia produkcji, umożliwiając szybkie modelowanie procesu spawania w warunkach rzeczywistych. Zautomatyzowany charakter przechwytywania geometrii umożliwia powiązanie parametrów spawania z geometrią wynikową. To z kolei może być wykorzystane do opracowania ulepszonej kontroli procesu i planowania ścieżek. Obecne spawanie ręczne opiera się na umiejętnościach operatora w zakresie kontrolowania wydajności. Spawanie zrobotyzowane zwiększa spójność, ale ogranicza możliwość podejmowania decyzji w locie. Uchwycenie profilu ściegu między przejściami pozwoli na zmianę programowania następnego przejścia ściegu w razie potrzeby, a w połączeniu z modelowaniem procesu może potencjalnie poprawić tempo produkcji, właściwości materiału i żywotność części. Przykładem obecnego protokołu jest pojedynczy przykładowy przypadek koralika na talerzu, aby zademonstrować opracowany przepływ pracy.

Konfiguracja celi spawalniczej i używanego sprzętu
Przedmiotowa cela spawalnicza składa się z ramion robotycznych z niezbędnymi przystawkami do prowadzenia spawania (określanych jako robot spawalniczy) oraz skanowania laserowego (określanych jako robot skanujący). Komórka tematu jest pokazana na rysunku 1. Robotami tymi można sterować za pomocą interfejsu programowania, który rozumie KUKA Robot Language (KRL)¹⁴, funkcjonalny język programowania, który przekazuje robotowi niezbędne instrukcje, które są interpretowane przez roboty jako ruchy stawów i motoryczne. System spawalniczy działa w trybie zimnego transferu metalu (CMT) i jest wyposażony w TouchSense, formę elektronicznego wyszukiwania punktu. Użytym materiałem eksploatacyjnym był drut stalowy G3Si-120n o średnicy 1,2 mm w obecności mieszaniny argonu i dwutlenku węgla (80/20%). Zastosowanym podłożem była płyta ze stali miękkiej G43, która była mocowana za pomocą zacisków. Narzucone osadzanie było stopką na płytce o parametrach podanych w tabeli 1. Ta kombinacja parametrów spawania została wybrana, ponieważ wiadomo było, że tworzy przemysłowe reprezentatywne osadzanie. Zastosowany skaner laserowy jest w stanie skanować linię 2048 punktów jednocześnie, która została wykorzystana do pozyskania danych z częstotliwością 100 Hz. Dodatkowo użyto współrzędnościowej maszyny pomiarowej (CMM) do określenia wymiarów elementu kalibracyjnego.

Dane metrologiczne uzyskane ze skanerów laserowych wymagają kalibracji. Ta potrzeba kalibracji jest jeszcze ważniejsza, gdy skaner musi zostać przesunięty, aby uchwycić duży obszar z nakładającymi się skanami. Gdyby skaner laserowy był przekrzywiony względem podłoża lub ruch nie byłby płynny, wystąpiłoby zniekształcenie wynikowej geometrii, jak pokazano na rysunku 2. Dodatkowo skaner rejestruje tylko informacje o świetle, które wraca do czujnika; Dlatego często zdarza się, że podczas spawania, które w miarę krzepnięcia stopionej powierzchni wytwarza wysoce odblaskową, niejednolitą, zakrzywioną powierzchnię, wiele informacji przestrzennych może zostać utraconych. Aby zwiększyć prawdopodobieństwo, że rejestrowany kształt reprezentuje rzeczywisty kształt ściegu, wymagany jest zatem pewien poziom dopasowania krzywej. W najprostszym przypadku kształt pojedynczego ściegu spoiny można dobrze przybliżyć za pomocą paraboli¹⁵. Podejście to zostało zastosowane przez Hu i in. z systemami skanowania laserowego do obliczania nakładania się ściegów¹³. Poniższy protokół zastosuje tę technikę dopasowania do przykładowego przypadku pojedynczego koralika, aby stworzyć cyfrową reprezentację w wybranym pakiecie ES.

Protocol

Zakłada się, że oba roboty zostały aktywowane i przeszły wszelkie diagnostyki konfiguracji w celu potwierdzenia zgodności pozycji, takie jak testy hamulców, i zostały umieszczone w położeniu początkowym.

1. Wykonaj kalibrację

UWAGA: Zanim skaner laserowy będzie mógł być używany, należy go skalibrować, aby upewnić się, że odbierane przez niego odległości są reprezentatywne dla rzeczywistych odległości. Domyślnie może to nie mieć miejsca, ponieważ jeśli skaner jest ustawiony pod kątem do płyty, spowoduje to trygonometryczną zmianę odległości (rysunek 2).

1. Aby skalibrować, zeskanuj element o znanych wymiarach, który jest sztywny i najlepiej metalowy, z dodanymi do niego punktami odniesienia w postaci kul.
   UWAGA: Kule te zapewniają łatwy do zidentyfikowania kształt, który można dopasować tak, aby niezawodnie znaleźć środek sfery odniesienia z małą liczbą punktów danych i wysoką precyzją. Przykładowy komponent jest pokazany w komórce spoiny na rysunku 3A. Podsumowujący przebieg pracy zastosowany w krokach kalibracji 1.1-1.13 pokazano na rysunku 4.
2. Umieść losowo co najmniej trzy sfery odniesienia w różnych miejscach, na przykład standardowe łożyska kulkowe większe niż 10 mm od niskiej do średniej klasy ABEC (np. łożyska kulkowe o średnicy 15,875 mm [0,625 ± 0,0001 cala]). Przymocuj je do elementu za pomocą odpowiedniego medium, takiego jak przewodząca żywica epoksydowa, aby zapewnić dobrą przewodność między kulą a częścią kalibracyjną. Użyj podkładek o odpowiednim promieniu (np. 10 mm), aby podeprzeć kule, aby poprawić powierzchnię styku między kulą a elementem.
3. Zlokalizuj współrzędne kilku punktów na powierzchni sfer odniesienia za pomocą współrzędnościowej maszyny pomiarowej (CMM), jak na rysunku 3C. Współrzędne te zostaną wykorzystane do wygenerowania wirtualnego punktu odniesienia odpowiadającego środkowi każdej ze sfer odniesienia (rysunek 3B).
   1. Przed pomiarem sfer odniesienia należy najpierw skalibrować CCM, umieszczając w komorze współrzędnościowej komory wzorcowej o znanych wymiarach. Ten wzorzec kalibracji ma postać ceramicznej kuli o promieniu 29,993 mm osadzonej na pręcie z gwintowanym dnem, dzięki czemu można ją przykręcić do wnęki maszyny współrzędnościowej i trzymać sztywno.
   2. Przykręć wzorzec kalibracji do wnęki maszyny współrzędnościowej.
   3. Gdy końcówka maszyny współrzędnościowej znajduje się w tej samej orientacji, która będzie używana do pomiaru sfer odniesienia dla elementu kalibracyjnego celi spawalniczej, uruchom funkcję automatycznej kalibracji w odpowiednim oprogramowaniu. Aby rozpocząć kalibrację końcówki maszyny współrzędnościowej, przy współrzędnościowej maszynie pomiarowej ustawionej w trybie pomiaru , przesuń końcówkę w kontakt z górną powierzchnią wzorca kalibracji. Następnie program przejmie kontrolę, automatycznie mapując sferę wzorcową i kalibrując końcówkę maszyny współrzędnościowej dla bieżącej orientacji.
   4. Po zakończeniu kalibracji końcówki zapisz kalibrację do wybranego numeru końcówki, na przykład końcówki numer 1.
   5. Usuń wzorzec kalibracji z maszyny współrzędnościowej.
   6. Umieść element kalibracyjny z dołączonymi kulkami odniesienia we wnęce maszyny współrzędnościowej. Wybierz orientację i zanotuj ją, aby móc z niej skorzystać w przyszłości, na przykład korzystając ze zdjęcia z adnotacjami z ponumerowaną każdą sferą odniesienia.
   7. Stwórz program do identyfikowania punktów na każdej ze sfer odniesienia.
      1. Wybierz końcówkę za pomocą polecenia sonda | zmień sondę.
      2. Wybierz kontur | zmierz punkt CNC i doprowadź końcówkę do zetknięcia się z pierwszą sferą odniesienia. Powtórz te czynności dla wielu punktów w poprzek górnej półkuli pierwszej sfery odniesienia.
      3. Zrób to samo dla każdej sfery odniesienia, tworząc chmurę punktów dla każdej powierzchni sfery.
         UWAGA: Zasadniczo do zlokalizowania środka wymagane są co najmniej trzy punkty na kulę; Preferowanych jest jednak znacznie więcej. W tym przypadku zastosowano co najmniej 12 punktów rozmieszczonych na całej połowie powierzchni, co ilustruje dopasowana sfera z punktów współrzędnościowej maszyny pomiarowej na rysunku 3D. Aspekty związane z działaniem maszyny współrzędnościowej w celu uzyskania punktów powierzchniowych na sferze odniesienia będą się różnić w zależności od używanego sprzętu.
4. Oblicz współrzędne środka sfer odniesienia, dopasowując punkty powierzchni do sfery metodą najmniejszych kwadratów. Na przykład można to osiągnąć za pomocą solvera¹⁶ metodą najmniejszych kwadratów Numpy.
5. Wybierz jedną ze sfer odniesienia, która będzie pełnić rolę początku układu współrzędnych kalibracji. Odejmij tę współrzędną od każdej ze sfer odniesienia, aby utworzyć układ współrzędnych części.
   UWAGA: Zakładając, że komponent kalibracyjny jest sztywny, po zakończeniu procedury CMM i poznaniu środków sfer odniesienia, przyszłe implementacje tego protokołu mogą pominąć kroki 1.2-1.5, ponieważ wymiary komponentu kalibracyjnego i związany z nim układ współrzędnych są już znane.
6. Umieścić komponent kalibracyjny w komorze spawalniczej w tej samej orientacji względem początku układu współrzędnościowej, gdy jest mierzony na maszynie współrzędnościowej.
   UWAGA: Orientacja nie jest teoretycznie ważna, ale odtworzenie oryginalnej orientacji pozwala na łatwiejszą identyfikację wszelkich błędów.
7. Skonfiguruj skanowanie komponentu kalibracyjnego za pomocą skanera laserowego, jak pokazano na rysunku 5A. Dane wyjściowe mają postać pliku współrzędnych x,y,z.
   UWAGA: Skaner laserowy jest źródłem promieniowania laserowego i dlatego może być niebezpieczny, jeśli nie są przestrzegane protokoły bezpieczeństwa lasera. Konieczne jest stosowanie laserów klasy 2M i niższej, ponieważ mogą one spełniać wymaganą rolę, a często wymagana jest otwarta wiązka.
8. W przypadku zastosowanego ilustracyjnego systemu laserowego zmierz każdą kulę odniesienia o średnicy 15,875 mm i zeskanuj każdą sferę odniesienia za pomocą skanera laserowego, aby zmierzyć element (rysunek 5A). Skróć dane wyjściowe tych skanów linii, aby usunąć wszelkie informacje pochodzące z podłoża, używając kombinacji okręgów w x i y wokół znanych pozycji kulek i progów wartości z. Użyj pozostałych punktów, aby dopasować kulę (Rysunek 5B), stosując tę samą procedurę dopasowania metodą najmniejszych kwadratów, co w kroku 1.4, aby uzyskać współrzędną centralną.
   UWAGA: Wykończenie powierzchni sfer odniesienia może słabo współdziałać z zastosowanym skanerem laserowym. Do pokrycia i zmatowienia powierzchni można użyć wywoływacza penetrującego barwnik w aerozolu, jak pokazano na rysunku 5A.
9. Przywróć robota skanującego do pozycji wyjściowej.
10. Zlokalizuj element kalibracyjny za pomocą robota spawalniczego za pomocą elektronicznego wyszukiwania punktu. Użyj metalowej końcówki, która jest zintegrowana z uchwytem spawalniczym o znanych wymiarach. Doprowadzić tę końcówkę do kontaktu ze sferą odniesienia w kilku punktach wokół powierzchni (Rysunek 6), podobnie jak w przypadku metody CMM. Gdy końcówka zetknie się ze sferą odniesienia, obwód niskiego napięcia jest zakończony, a aktualna lokalizacja robota jest rejestrowana bezpośrednio przez system robota.
    UWAGA: Podobny efekt można osiągnąć za pomocą innych typów elektronicznych wykrywaczy krawędzi zamontowanych w robocie spawalniczym, które opierają się na kontakcie fizycznym.
11. Użyj tych punktów, aby dopasować kulę i zlokalizować środkową pozycję każdej sfery odniesienia w układzie współrzędnych robota osadzającego.
12. Przywróć robota spawalniczego do pozycji wyjściowej i wyjmij element kalibracyjny z celi spawalniczej.
13. Układ współrzędnych współrzędnej maszyny współrzędnościowej służy do kalibracji współrzędnych komórki spoiny poprzez dekompozycję pojedynczej wartości. Zarys procesu tworzenia wymaganych macierzy transformacji afinicznej przedstawiono na rysunku 7.
    UWAGA: Wynikowa macierz transformacji afinicznej przekształca położenie każdego ze środków sfery odniesienia ze współrzędnych zmierzonych na odległości rzeczywiste. Spowoduje to skorygowanie wszelkich niewspółosiowości skanera laserowego względem kierunku skanowania.

2. Znajdź pozycję platformy roboczej

1. Umieść podłoże lub materiał macierzysty, który ma zostać poddany osadzaniu, w komorze spawalniczej.
   1. Uruchom skaner laserowy po rogach obszaru roboczego tak, aby wystawał poza krawędź płyty, zaczynając całkowicie od płyty i kończąc częściowo na płycie, jak pokazano na rysunku 8A. Upewnij się, że odbywa się to jako ciągły ruch ze stałą prędkością, przy czym znana jest częstotliwość zapisu danych. Użyj czasu uzyskania określonego skanu wraz z punktem początkowym i końcowym ścieżki, aby przypisać pozycję w przestrzeni do każdego skanu zarejestrowanego w określonym czasie. Zapisz położenie narożników platformy roboczej, które zostaną wykorzystane do uzyskania geometrii odpowiedniej do analizy ES.
      UWAGA: Wykonanie kroku 2.1.1 umożliwia zlokalizowanie narożników płyty w układzie współrzędnych skanera laserowego, ponieważ pojawi się funkcja krokowa, której wysokość będzie się znacznie zmieniać, gdy laser dotrze do płytki (Rysunek 8B).
   2. Zidentyfikuj podłoże w układzie współrzędnych robota skanującego, przekształcając narożniki znalezione w kroku 2.1.1 w układ współrzędnych robota spawalniczego za pomocą macierzy transformacji obliczonej w kroku 1.13.
2. W ramach kontroli za pomocą robota spawalniczego przyłóż końcówkę głowicy spawalniczej do każdego rogu płyty i zapisz lokalizacje, jak pokazano na rysunku 8C , i potwierdź, że te lokalizacje są zgodne z oczekiwaniami.

3. Przeprowadź zeznanie

1. Po umieszczeniu płyty zaprogramuj robota spawalniczego tak, aby wytworzył żądaną ścieżkę we właściwej pozycji względem położenia płyty we współrzędnych robota spawalniczego.
2. Zainicjuj przejście spawalnicze, w wyniku którego następuje osadzenie ściegu materiału, jak pokazano na rysunku 9.
3. Po zakończeniu przejścia cofnij głowicę robota spawalniczego na bezpieczną odległość, aby zapobiec kolizjom z robotem skanującym.

4. Zeskanuj ścieg i wygeneruj geometrię ES

UWAGA: Rysunek 10 przedstawia podsumowanie procesu roboczego skanowania geometrii ściegu i wykorzystania danych skanowania do utworzenia chmury punktów 3D, którą można zestalić i utworzyć siatkę dla MES. W poniższych krokach opisano, w jaki sposób są wykonywane poszczególne części przepływu pracy.

1. Zaprogramuj robota skanującego tak, aby podążał ścieżką, która pozwoli na zeskanowanie koralika. W przypadku prostych linii użyj podobnych punktów początkowych i końcowych, jak w przypadku robota spawalniczego lub w przypadku bardziej niezawodnej metody, przeprowadź skanowanie całej płyty.
   UWAGA: Spowoduje to wykorzystanie tych samych wymagań dotyczących skanowania, które są używane do początkowego zlokalizowania pozycji płyty.
2. Wykonuj pomiary, gdy skaner przesuwa się po obrabianym przedmiocie, jak pokazano na rysunku 11. Zanotuj punkt początkowy i końcowy ścieżki, prędkość ruchu robota i częstotliwość akwizycji. Należy upewnić się, że częstotliwość pozyskiwania odpowiada odstępom odległości nie mniejszym niż minimalny rozmiar elementu przeznaczony do użycia w kolejnym MES.
3. Jeśli nie można uchwycić profilu ściegu w jednym przejściu, należy wykonać wiele równoległych przejść z zakładką odpowiadającą co najmniej 10% pola widzenia skanera laserowego.
4. Po zakończeniu skanowania należy schować robota skanera laserowego, aby zapobiec kolizjom z robotem spawalniczym w każdym kolejnym przejściu spawania.
5. Dopasuj wyjście koralika do odpowiedniej funkcji analitycznej, ułatwionej przez serię poleceń zakodowanych w Pythonie. W przypadku przykładowego osadzania pojedynczego ściegu dla dopasowania używana jest funkcja paraboliczna.
   UWAGA: Kod Pythona użyty do wykonania kroków 4.5.1-4.5.10 jest dostępny w repozytorium uzupełniającym¹⁷. Krok 4.5.10 wymaga do działania dodatkowego pakietu oprogramowania FreeCAD¹⁸, a także instalacji Pythona.
   Rysunek 10 przedstawia przepływ pracy opisany w tej sekcji. Przykładowe dane wyjściowe na każdym z poniższych etapów przedstawiono na rysunku 12A-J. Przykładowy skrypt użyty dla zeskanowanego ściegu na rysunku 11 wraz z zeskanowaną geometrią użytą do stworzenia rysunku 12 jest również dostępny w repozytorium uzupełniającym¹⁷.
   1. Przed próbą manipulowania lub wykorzystania w jakikolwiek sposób danych chmury punktów ze skanera laserowego należy zastosować tę samą macierz transformacji afinicznej do wyjścia lasera, jak stwierdzono w kroku kalibracji 1.13.
   2. Przytnij zeskanowane dane do szorstkiego obszaru pojedynczego ściegu, który ma zostać dopasowany. Pamiętaj, aby dołączyć część płytki wokół koralika, na co wpływa pewien procent szerokości ściegu w przypadku okienkowania. Na tym etapie usuń wszelkie artefakty skanowania wynikające z odbić za pomocą filtrów wysokości.
   3. Spłaszcz lokalną płytkę w przyciętej sekcji skanowania, rozwiązując normalną dla płyty i stosując macierz obrotu w taki sposób, aby dane znajdowały się teraz w układzie współrzędnych, w którym normalna płyty jest równoległa do osi pionowej.
   4. Zlokalizuj orientację ściegu na płycie, stosując próg filtra wysokości tuż nad wysokością płyty podstawy, a następnie dopasuj pozostałe punkty danych do wielomianu 1^{. rzędu.} To da wektor dla kierunku koralika. Jeśli wiadomo, że ścieg nie jest prosty, podziel go na mniejsze sekcje, które można przybliżyć za pomocą odcinków prostych
   5. Obróć koralik tak, aby był równoległy do osi y, aby ułatwić manipulację.
   6. Przytnij obróconą sekcję, aby usunąć końce płytki, ale pozostaw niewielką ilość (~5 mm) po obu stronach stopki, aby umożliwić dopasowanie.
   7. Wybierz środek przekroju ściegu, który ma zostać dopasowany, i wykonaj dopasowanie paraboliczne do przekroju danych w tym położeniu y. Przebieg pracy programu dla tego kroku przedstawiono na rysunku 13.
   8. Korzystając z pasowania, wyodrębnij zakres ściegu, oceniając dopasowanie we współrzędnych x odpowiadających maksymalnej wysokości blachy, w której zaczyna się ścieg.
      1. Oceń maksymalne położenie y ściegu przy użyciu tego samego progowania.
      2. Utwórz profile zakończenia ściegu przy użyciu tego samego kształtu parabolicznego, ale transponowanego do płaszczyzny x-y na każdym końcu ściegu.
      3. Zapisz punkty, które składałyby się na kontur, oceniając wszystkie parabole w serii współrzędnych x i y, które obejmują pełne zakresy ściegu.
   9. Przekształć domenę punktów z powrotem na pierwotne współrzędne, najpierw uruchamiając ścieg w punkcie początkowym nowego układu współrzędnych, a następnie przekształcając go w oryginalny układ współrzędnych robota spawalniczego.
   10. Za pomocą narzędzi do tworzenia siatki wypełnij powierzchnię punktów i utwórz powierzchnię bryłową, którą można zaimportować do analizy ES. W tym celu należy użyć programu FreeCAD¹⁸ , aby połączyć szereg paraboli w celu stworzenia pełnej bryły 3D, która nadaje się do zaimportowania do preprocesora MES.
       1. W tym miejscu należy dodać podłoże, definiując rzeczywiste zakresy blachy podstawy lub inne wymiary w zależności od potrzeb.
       2. Użyj makr, aby wygenerować pliki STL (Standard Tessellation Language) i STEP (Standard for the Exchange of Product Data) przy użyciu punktów obliczonych w kroku 4.5.9.
       3. Po utworzeniu geometrii bryły jest ona eksportowana do formatu pliku odpowiedniego do analizy ES, w tym przypadku w formacie ".inp" (wejściowym). W razie potrzeby siatkę elementów skończonych można utworzyć bezpośrednio, co jest ułatwione przez inne makro FreeCAD. W tym przykładzie użyto wtyczki narzędzia Netgen mesh MES do programu FreeCAD. Przykładowa siatka ściegów została wygenerowana przy użyciu umiarkowanego rozdrobnienia w siatce Netgen, zdefiniowanego maksymalnego rozmiaru elementu 0,5 mm i minimalnego rozmiaru elementu 0,1 mm.
          UWAGA: Na tym etapie rzeczywistą geometrię można teraz pomyślnie zaimportować do procesora analizy ES.

Results

Obliczone promienie i odległości między sferami odniesienia dla komponentu kalibracyjnego w każdym z układów współrzędnych przedstawiono w tabeli 2. Błąd między współrzędnościową maszyną pomiarową a elektronicznym ustalaniem punktu dla każdej pozycji sfery odniesienia jest niewielki i wynosi poniżej 0,1 mm. Obie te techniki opierają się na fizycznym kontakcie między sferą odniesienia a rysikiem. Błąd wywołany przez skaner laserowy podczas lokalizowania kul jest dość duży w porównaniu i dominuje na poziom...

Discussion

Jakość uchwycenia
Dokładność wymiarową i precyzję systemu skanowania laserowego badano na podstawie położeń i promieni sfer odniesienia w tabeli 2. Dokładność każdego systemu jest określana na podstawie różnicy położenia sfer odniesienia mierzonej przez systemy robotów (skaner laserowy i elektryczne znajdowanie krawędzi) w porównaniu z danymi współrzędnościowej maszyny pomiarowej po przekształceniu w układ współrzędnych robota spawalniczego. Wiadomo, że współrzędnościowa maszyna pom...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Rubinowy trzpień pomiarowy CMM o średnicy 3 mm	Firma Renishaw		Trzpień pomiarowy używany w maszynie współrzędnościowej (A-5004-0422)
80% argonu 20% CO2	BOC		Mieszanina gazów do gazu osłonowego (Argosheild)
Krysta-Wierzchołek 776	Mitutoyo powiedział:		Współrzędnościowa maszyna pomiarowa, podana precyzja 10 &mikro; m
Drut spawalniczy FK 1000 MIG 1,2 mm	Iabco powiedział:		Materiały eksploatacyjne do drutu spawalniczego
Wersja FreeCAD 1.0	Darmowy program CAD		Oprogramowanie do geometrii veiring i tworzenia plików stl, step i FE z chmury punktów. Używana wersja 1.0
Spawacz CMT 4000 GMAW firmy Fronius	Fronius		Palnik spawalniczy
Płyta ze stali miękkiej G43 50 cm x 50 cm x2,5 cm	Kowale Metalu		Podłoże metalowe używane jako platforma robocza
GEOPAK/MCOSMOS	Mitutoyo		Oprogramowanie do sterowania maszyną współrzędnościową. Używana wersja 4.0
KUKA KR20	KUKA		Ramię robota używane jako robot skanujący
KUKA KR70	KUKA		Ramię robota używane jako robot spawalniczy
LAZ3RUS	Uniwersytet w Manchesterze		Renderowanie 3D oparte na LAZer w uniwersalnej scenie: do tworzenia geometrii ES dla skanowania laserowego. Używana wersja 1.0
Mikro Epsilon LLT3010-100	Mikro Epsilon		Skaner laserowy, podana precyzja 9 i mikro; m
Kula kalibracyjna Mitutoyo 30 mm	Mitutoyo		Kula kalibracyjna CMM z topionej krzemionki
ScanCONTROL3000_100	Mikro Epsilon		Oprogramowanie do przechwytywania i przetwarzania informacji ze skanera laserowego
Technologia TouchSense	Fronius		System do elektronicznego wyszukiwania krawędzi/cech w zrobotyzowanym spawaniu