Automatyczne laserowe przechwytywanie geometrii do analizy elementów skończonych ściegów spoiny
July 25th, 2025
Opisano proces pozyskiwania danych metrologicznych ściegów spoiny w czasie zbliżonym do rzeczywistego i automatycznego przygotowania wynikowej geometrii do analizy elementów skończonych.
Spawanie zautomatyzowane jest szeroko stosowane i umożliwia tworzenie jednolitych i powtarzalnych spoin. Obecnie brakuje mu jednak możliwości adaptacji podczas procesów spawania wielociągowego, co wykwalifikowany technik zrobiłby naturalnie podczas spawania ręcznego. Dzięki zastosowaniu skanera laserowego, nasz protokół umożliwia monitorowanie postępu bez powodowania opóźnień, w przeciwieństwie do ręcznego rejestrowania geometrii spoiny za pomocą fizycznych mierników.
Tworzy również cyfrowy zapis osadzania, który może być wykorzystany do przyszłej analizy. Protokół ten jest obsługiwany przez Meta one, który jest cyfrowym pociągiem komórki spawalniczej. Są one opracowywane na Uniwersytecie w Manchesterze.
Cyfrowy pociąg umożliwia nagrywanie i odtwarzanie w przestrzeni cyfrowej nie tylko geometrii konstrukcji, ale także instrukcji robota, rzeczywistych ruchów robota oraz nagrań z kamery z komórki spawalniczej i lokalnego jeziorka stopionego. Skaner laserowy należy skalibrować, aby skorygować wszelkie przekrzywienia lub pochylenia między nim a platformą roboczą. W ramach tego procesu kalibracji dane ze skanera laserowego są wprowadzane do układu współrzędnych robota spawalniczego.
Szybkie przechwytywanie geometrii spoiny może ułatwić podejmowanie decyzji między przejściami, być może usprawnić dzięki uczeniu maszynowemu i umożliwić wypełnienie modeli elementów skończonych rzeczywistą geometrią osadzania. Aby rozpocząć, umieść komponent kalibracyjny wewnątrz celi spawalniczej w tej samej orientacji względem początku współrzędnościowej maszyny pomiarowej. Skonfiguruj skanowanie komponentu kalibracyjnego za pomocą systemu skanera laserowego i zapisz wynik skanowania w pliku współrzędnych zawierającym wartości X, Y i Z.
Zmierz każdą sferę odniesienia za pomocą skanera laserowego. Zeskanuj każdą kulę, aby zmierzyć element kalibracyjny. Obetnij dane skanowania linii, wykluczając punkty wychodzące z podłoża, używając okrągłych masek w X i Y wokół znanych pozycji i stosując progi w Z. Użyj przefiltrowanego zestawu punktów, aby wykonać dopasowanie sfery najmniejszej kwadratowej i określić współrzędne środkowe.
Teraz zlokalizuj element kalibracyjny za pomocą robota spawalniczego wyposażonego w metalową końcówkę o znanych wymiarach. Korzystając z procedury wyczuwania dotyku, doprowadź końcówkę do kontaktu z powierzchnią każdej kuli odniesienia w kilku miejscach. Poczekaj, aż obwód niskiego napięcia zakończy się po kontakcie i zarejestruj pozycję robota za pomocą oprogramowania systemowego.
Następnie umieść podłoże lub materiał podstawowy, który przyjmie osadzanie, w komorze spawalniczej. Następnie rozpocznij przejście spawalnicze za pomocą robota spawalniczego, aby umieścić ścieg materiału wzdłuż powierzchni podłoża. Zaprogramuj robota skanującego tak, aby podążał ścieżką wyrównaną z lokalizacją ściegu.
W przypadku prostych ściegów liniowych należy użyć tych samych punktów początkowych i końcowych, co w przypadku robota spawalniczego, i zeskanować całą powierzchnię płyty za pomocą robota skanującego, aby uzyskać lepsze pokrycie. Wykonuj pomiary, przesuwając skaner po obrabianym przedmiocie. Zapisz punkt początkowy i końcowy ścieżki skanowania, prędkość ruchu robota i częstotliwość akwizycji.
Upewnij się, że częstotliwość odpowiada interwałowi przestrzennemu, nie mniejszemu niż minimalny rozmiar elementu planowany dla analizy elementów skończonych. Dopasuj zeskanowany profil ściegu do odpowiedniej funkcji analitycznej za pomocą kodu Python. W przypadku osadzania pojedynczego ściegu należy użyć funkcji parabolicznej do dopasowania krzywej.
Zastosuj tę samą macierz transformacji afinicznej do danych skanowania laserowego, jaka była używana podczas kalibracji. Przytnij dane skanowania do obszaru, który zakrywa ścieg i zawiera margines wokół niego. Usuń wszelkie artefakty skanowania spowodowane odbiciami za pomocą filtrów opartych na wysokości.
Następnie spłaszcz lokalny obszar płyty w przyciętym skanie, rozwiązując normalną płytki i zastosuj macierz obrotu, aby wyrównać normalną płyty z osią pionową. Obróć ścieg tak, aby wyrównał się z osią Y, aby uprościć dalszą obróbkę. Wykryj orientację ściegu, stosując filtr wysokości tuż nad poziomem blachy podstawy i dopasuj wynikowe dane do wielomianu pierwszego rzędu, aby wygenerować wektor reprezentujący kierunek ściegu.
Jeśli koralik nie jest prosty, podziel go na mniejsze segmenty, które są zbliżone do linii prostych. Teraz przytnij obróconą sekcję, aby usunąć nadmiar powierzchni płyty, zachowując około pięciu milimetrów materiału po obu stronach ściegu. Wybierz środkowy obszar zaniku ściegu i wykonaj krzywą paraboliczną dopasowaną do przekroju danych w tym miejscu.
Następnie, korzystając z dopasowanej krzywej parabolicznej, określ zakres boczny stopki, oceniając krzywą we współrzędnych X, w których ścieg styka się z płytą podstawy na maksymalnej wysokości. Następnie oceń współrzędne Y, które wskazują zakresy ściegu przy użyciu podobnych technik progowania wysokości. Utwórz profile zakończenia na obu końcach ściegu, używając tego samego kształtu parabolicznego transponowanego do płaszczyzny XY.
Teraz oblicz pełny kontur ściegu, oceniając wszystkie parabole na wielu współrzędnych X i Y obejmujących całą rozpiętość ściegu. Następnie dodaj geometrię podłoża bazowego, określając jego rzeczywiste zakresy lub używając wstępnie zdefiniowanych wymiarów. Następnie użyj narzędzi do tworzenia siatki w programie FreeCAD, aby przekształcić zestaw przekrojów parabolicznych w pojedynczą geometrię bryły 3D.
Powierzchnia ta powinna nadawać się do zaimportowania do środowiska analizy metodą elementów skończonych. Przekształć punkty konturu w oryginalny układ współrzędnych robota spawalniczego. Najpierw zresetuj ścieg do początku nowego układu współrzędnych.
Następnie zastosuj transformację, aby przywrócić jej położenie w oryginalnej klatce. Użyj makr, aby wyeksportować ścieg i podłoże jako pliki STL i schodkowe przy użyciu wcześniej obliczonych punktów geometrii. Na koniec należy wyeksportować całą geometrię do formatu pliku odpowiedniego do analizy metodą elementów skończonych, takiego jak format INN.
Opcjonalnie użyj narzędzia NETGEN mesh MES w programie FreeCAD, aby utworzyć siatkę przy użyciu umiarkowanego rozdrobnienia z maksymalnym rozmiarem elementu 0,5 milimetra i minimalnym 0,1 milimetra. Macierz transformacji zastosowana do lokalizacji sfery odniesienia skutkowała nakładaniem się na siebie, widocznie odrębnymi zbiorami punktów między układami współrzędnych. Zmierzone promienie sfer odniesienia za pomocą skanera laserowego wykazywały stałe nieznaczne niedoszacowanie w porównaniu z technikami znajdowania krawędzi i współrzędnościowych maszyn pomiarowych.
Błąd pozycyjny skanera laserowego w określaniu odległości między sferami odniesienia wynosił od 1,30 milimetra do 2,05 milimetra, podczas gdy błędy zarówno CMM, jak i elektronicznego znajdowania krawędzi pozostały poniżej 0,1 milimetra. Ostateczna geometria pełnego ściegu spoiny z siatką została pomyślnie zaimportowana do oprogramowania do analizy elementów skończonych.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Ten artykuł opisuje protokół pozyskiwania metrologii bliskiej rzeczywistości dotyczącej łączeń spawalniczych za pomocą skanera laserowego. Metoda ta pozwala na monitorowanie procesu spawania bez opóźnień i tworzy cyfrową rejestrację do przyszłych analiz.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Automatyczne spawanie
- Metrologia spawania
- Analiza skończonych elementów
Tło
- Automatyczne spawanie jest szeroko stosowane ze względu na jego jednolitość i powtarzalność.
- Obecne zautomatyzowane systemy nie mają adaptacyjności podczas spawania wielosuwowego.
- Doświadczeni technicy mogą naturalnie adaptować się podczas ręcznego spawania.
- Ręczne rejestrowanie geometrii łączenia może powodować opóźnienia.
Cel badania
- Aby poprawić adaptacyjność procesów automatycznego spawania.
- Aby umożliwić monitorowanie geometrii łączeń w bliskiej rzeczywistości.
- Aby stworzyć cyfrową rejestrację procesu spawania do przyszłych analiz.
Stosowane metody
- Wykorzystanie skanera laserowego do monitorowania postępu łączenia.
- Implementacja protokołu opracowanego na Uniwersytecie w Manchesterze.
- Integracja z Meta one, cyfrowym pociągiem komórki spawalniczej.
- Porównanie zautomatyzowanego monitorowania z metodami ręcznego pomiaru.
Główne wyniki
- Protokół pozwala na ciągłe monitorowanie bez opóźnień.
- Tworzy kompleksową cyfrową rejestrację osadzania łączeń.
- Ułatwia przyszłą analizę procesów spawania.
- Poprawia adaptacyjność zautomatyzowanych systemów spawalniczych.
Konkluzje
- Zastosowanie technologii skanowania laserowego znacznie poprawia monitorowanie łączeń.
- Systemy zautomatyzowane mogą osiągnąć poziomy adaptacyjności podobne do doświadczonych techników.
- Ten protokół stanowi krok naprzód w technologii automatycznego spawania.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Accurate geometric capture of weld beads is critical for predictive modeling of component distortion and residual stress in high-value manufacturing. Integrating laser-based metrology with finite element analysis (FEA) enables rapid, data-driven decision-making and reduces reliance on idealized geometries that can undermine simulation fidelity. This workflow enhances predictive confidence at key inflection points in process development and supports robust portfolio advancement.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables precise interrogation of process-induced material changes through true-shape geometry capture.
- Supports mechanistic de-risking by providing accurate input for FEA of stress and distortion.
- Improves predictive confidence in process optimization and material selection.
Screening & Assay Development
- Facilitates standardized, reproducible digital records of weld geometry for downstream analysis.
- Enables rapid, quantitative assessment of process parameters and their impact on component quality.
- Prepares validated digital models for scalable simulation workflows and screening of process variants.
Translational & Preclinical Research
- Aligns digital process records with translational requirements for component qualification.
- Ensures continuity from process development through preclinical validation of manufacturing protocols.
- Supports risk-adjusted advancement by reducing uncertainty in process-induced material effects.
Pipeline & Workflow Integration
This protocol bridges real-world process monitoring with digital simulation, positioning laser-based geometry capture as a critical enabler from early process development through preclinical qualification.
- Discovery Biology: Provides high-fidelity input for hypothesis testing on process-material interactions.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative geometry data for robust simulation and comparison.
- Analytics: Supplies precise 3D measurements and digital records for statistical analysis of process outcomes.
- Translational Research: Maintains digital continuity for regulatory and quality documentation.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable digital workflow for future process and product iterations.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in process modeling.
- Operational Value: Standardizes geometry capture, enhances reproducibility, and supports scalable digital workflows.
- Strategic Value: Enables informed go/no-go decisions and capital-efficient process development.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of manufacturing protocols.
Implementation Considerations
- Requires expertise in laser metrology, robotics, and digital simulation tools.
- Demands calibrated instrumentation and robust analytical infrastructure for data processing.
- Necessitates cross-team standardization of digital records and coordinate systems.
- May require adaptation for different weld geometries or substrate materials.
- Positional accuracy is limited by scanner resolution and calibration, as evidenced by millimeter-scale errors.
