Captura automática de geometria baseada em laser para análise de elementos finitos de cordões de solda

A soldagem automatizada é amplamente utilizada e capaz de criar soldas uniformes e reprodutíveis. No entanto, atualmente não tem a capacidade de adaptação durante os processos de soldagem multipassagem, algo que um técnico qualificado faria naturalmente durante a soldagem manual. Ao usar um scanner a laser, nosso protocolo permite que o progresso seja monitorado sem causar atrasos, ao contrário da captura manual da geometria da solda usando medidores físicos.

Também produz um registro digital do depoimento, que pode ser usado para análises futuras. Este protocolo é habilitado pelo Meta one, que é o trem digital da célula de soldagem. Eles são desenvolvidos na Universidade de Manchester.

O trem digital permite a gravação e reprodução em um espaço digital não apenas da geometria de construção, mas também das instruções do robô, do movimento real do robô e das imagens da câmera da célula de soldagem e da poça de fusão local. O scanner a laser precisa ser calibrado para corrigir qualquer inclinação ou inclinação entre ele e a placa de impressão. Como parte desse processo de calibração, os dados do scanner a laser são trazidos para o sistema de coordenadas do robô de soldagem.

A captura rápida da geometria da solda pode facilitar a tomada de decisões entre as passagens, possivelmente aprimorada por meio do aprendizado de máquina e permitir que os modelos de elementos finitos sejam preenchidos com geometria de deposição verdadeira. Para começar, coloque o componente de calibração dentro da célula de soldagem na mesma orientação em relação à origem na máquina de medição por coordenadas. Configure a varredura do componente de calibração usando o sistema de scanner a laser e registre a saída da varredura no arquivo de coordenadas contendo os valores X, Y e Z.

Meça cada esfera fiducial usando o scanner a laser. Escaneie cada esfera para medir o componente de calibração. Truncar os dados de varredura de linha excluindo pontos originados do substrato, usando máscaras circulares em X e Y ao redor das posições conhecidas e aplicando limites em Z.Use o conjunto de pontos filtrados para realizar um ajuste de esfera de mínimo quadrado e determinar as coordenadas centrais.

Agora localize o componente de calibração usando o robô de soldagem equipado com uma ponta metálica de dimensões conhecidas. Usando a rotina de detecção de toque, coloque a ponta em contato com a superfície de cada esfera fiducial em vários locais. Permita que o circuito de baixa tensão seja concluído após o contato e registre a posição do robô por meio do software do sistema.

Em seguida, coloque o substrato ou material de origem que receberá a deposição na célula de soldagem. Em seguida, inicie uma passagem de solda usando o robô de soldagem para depositar um cordão de material ao longo da superfície do substrato. Programe o robô de digitalização para seguir um caminho alinhado com a localização do cordão.

Para contas lineares simples, use os mesmos pontos inicial e final do robô de soldagem e escaneie toda a área da placa com o robô de varredura para obter uma cobertura aprimorada. Faça medições enquanto move o scanner sobre a peça de trabalho. Registre os pontos inicial e final do caminho de varredura, a velocidade de movimento do robô e a frequência de aquisição.

Confirme se a frequência corresponde a um intervalo espacial, não menor que o tamanho mínimo do elemento planejado para a análise de elementos finitos. Ajuste o perfil do cordão digitalizado com uma função analítica apropriada usando o código Python. Para deposições de cordão único, use uma função parabólica para ajuste de curva.

Aplique a mesma matriz de transformação afim aos dados de varredura a laser usada durante a calibração. Corte os dados de digitalização em uma região que cubra o cordão e inclua uma margem ao redor dele. Remova todos os artefatos de varredura causados por reflexos usando filtros baseados em altura.

Em seguida, nivele a região local da placa na varredura recortada resolvendo a normal da placa e aplique uma matriz de rotação para alinhar a normal da placa com o eixo vertical. Gire o cordão para que ele se alinhe com o eixo Y para simplificar o processamento posterior. Detecte a orientação do cordão aplicando um filtro de altura logo acima do nível da placa de base e ajuste os dados resultantes com um polinômio de primeira ordem para gerar um vetor que represente a direção do cordão.

Se a conta não for reta, divida-a em segmentos menores que se aproximam de linhas retas. Agora corte a seção girada para remover o excesso de área da placa, retendo aproximadamente cinco milímetros de material em cada lado do cordão. Escolha a região central da perda do cordão e execute um ajuste de curva parabólica à seção transversal dos dados neste local.

Em seguida, usando a curva parabólica ajustada, determine as extensões laterais do cordão avaliando a curva nas coordenadas X onde o cordão encontra a placa de base em sua altura máxima. Em seguida, avalie as coordenadas Y, que indicam as extensões do cordão usando técnicas semelhantes de limiar de altura. Crie perfis de terminação em ambas as extremidades do cordão usando a mesma forma parabólica transposta para o plano XY.

Agora calcule o contorno completo do cordão avaliando todas as parábolas em várias coordenadas X e Y cobrindo toda a extensão do cordão. Em seguida, adicione a geometria do substrato base especificando suas extensões reais ou usando dimensões predefinidas. Em seguida, use as ferramentas de geração de malha no FreeCAD para converter o conjunto de seções transversais parabólicas em uma única geometria sólida 3D.

Essa superfície deve ser adequada para importação em um ambiente de análise de elementos finitos. Traduza os pontos de contorno no sistema de coordenadas original do robô de soldagem. Primeiro, redefina o cordão para a origem de um novo sistema de coordenadas.

Em seguida, aplique a transformação para restaurar sua posição no quadro original. Use macros para exportar o cordão e o substrato como STL e arquivos de passo usando os pontos de geometria calculados anteriormente. Por fim, exporte a geometria completa para um formato de arquivo apropriado para análise de elementos finitos, como o formato INP.

Opcionalmente, use a ferramenta NETGEN mesh FEM no FreeCAD para criar a malha usando finura moderada com um tamanho máximo de elemento de 0,5 milímetros e mínimo de 0,1 milímetros. A matriz de transformação aplicada aos locais das esferas fiduciais resultou em conjuntos de pontos sobrepostos e visivelmente distintos entre os sistemas de coordenadas. Os raios medidos das esferas fiduciais usando o scanner a laser mostraram uma ligeira subestimação consistente em comparação com as técnicas de localização de borda e máquina de medição por coordenadas.

O erro posicional do scanner a laser na determinação das distâncias entre as esferas fiduciais variou de 1,30 milímetros a 2,05 milímetros, enquanto os erros de localização de bordas eletrônicas e CMM permaneceram abaixo de 0,1 milímetros. A geometria final do cordão de solda completo da malha foi importada com sucesso para o software de análise de elementos finitos.