Автоматический лазерный захват геометрии для конечно-элементного анализа сварных швов

Автоматизированная сварка широко используется и способна создавать однородные и воспроизводимые сварные швы. Однако в настоящее время он не имеет возможности адаптироваться во время многопроходной сварки, что опытный техник естественным образом делает при ручной сварке. Используя лазерный сканер, наш протокол позволяет контролировать ход выполнения без задержек, в отличие от ручного захвата геометрии сварного шва с помощью физических датчиков.

Он также создает цифровую запись осаждения, которую можно использовать для будущего анализа. Этот протокол работает с помощью Meta one, который представляет собой цифровую поездку сварочного модуля. Они разработаны в Манчестерском университете.

Цифровой поезд позволяет записывать и воспроизводить в цифровом пространстве не только геометрию сборки, но и инструкции робота, фактические движения робота, а также кадры с камеры сварочного модуля и местной плавильной ванны. Лазерный сканер должен быть откалиброван для коррекции любого перекоса или наклона между ним и рабочей пластиной. В рамках этого процесса калибровки данные лазерного сканера вводятся в систему координат сварочного робота.

Быстрое сканирование геометрии сварного шва может облегчить принятие решений между проходами, возможно, улучшить за счет машинного обучения и позволить заполнять модели конечных элементов истинной геометрией наплавки. Для начала поместите калибровочный компонент внутрь сварочной ячейки в той же ориентации относительно начала координат в координатно-измерительной машине. Настройте сканирование калибровочного компонента с помощью системы лазерного сканера и запишите результаты сканирования в файл координат, содержащий значения X, Y и Z.

Измерьте каждую реперную сферу с помощью лазерного сканера. Отсканируйте каждую сферу, чтобы измерить калибровочный компонент. Усекайте данные линейного сканирования, исключая точки, исходящие из подложки, используя круглые маски по осям X и Y вокруг известных положений и применяя пороговые значения по оси Z. Используйте отфильтрованный набор точек, чтобы выполнить подгонку сферы по методу наименьших квадратов и определить центральные координаты.

Теперь найдите калибровочный компонент с помощью сварочного робота, оснащенного металлическим наконечником известных размеров. С помощью функции «Сенсорное чувство» приведите наконечник в соприкосновение с поверхностью каждой реперной сферы в нескольких местах. Дайте низковольтной цепи замкнуться при контакте и запишите положение робота с помощью системного программного обеспечения.

Затем поместите подложку или исходный материал, который будет получать наплавку, в сварочную ячейку. Затем начните проход сварного шва с помощью сварочного робота, чтобы нанести валик материала вдоль поверхности подложки. Запрограммируйте сканирующего робота на траекторию, совпадающую с местом расположения валика.

Для простых линейных швов используйте те же начальную и конечную точки, что и сварочный робот, и сканируйте всю площадь листа с помощью сканирующего робота для улучшения покрытия. Проводите измерения, перемещая сканер по заготовке. Записывайте начальную и конечную точки траектории сканирования, скорость движения робота и частоту захвата.

Убедитесь, что частота соответствует пространственному интервалу, не меньшему минимальному размеру элемента, запланированному для анализа методом конечных элементов. Подгонка отсканированного профиля шва с помощью соответствующей аналитической функции с помощью кода Python. Для нанесения одиночных валиков используйте параболическую функцию для подгонки кривой.

Примените к данным лазерного сканирования ту же матрицу аффинного преобразования, которая использовалась во время калибровки. Обрежьте данные сканирования до области, которая покрывает валик и включает поля вокруг него. Удалите любые артефакты сканирования, вызванные отражениями, с помощью фильтров на основе высоты.

Затем разровняйте локальную область пластины на обрезанном скане, решив для нормаль пластины, и примените матрицу вращения, чтобы выровнять нормаль пластины по вертикальной оси. Поверните валик так, чтобы он совпал с осью Y, чтобы упростить дальнейшую обработку. Определите ориентацию валика, применив фильтр по высоте чуть выше уровня опорной плиты, и подогнайте полученные данные с помощью полинома первого порядка, чтобы создать вектор, представляющий направление валика.

Если бусина не прямая, разделите ее на более мелкие сегменты, которые приближаются к прямым линиям. Теперь обрежьте вращающуюся секцию, чтобы удалить лишнюю площадь пластины, сохранив при этом примерно пять миллиметров материала с каждой стороны валика. Выберите центральную область конфискации шва и выполните подгонку параболической кривой к поперечному сечению данных в этом месте.

Затем с помощью подогнанной параболической кривой определите боковые границы валика, оценив кривую в координатах X, где валик встречается с опорной пластиной на максимальной высоте. Затем оцените координаты Y, которые указывают на границы бусины, используя аналогичные методы определения пороговых значений высоты. Создайте конечные профили на обоих концах валика, используя одну и ту же параболическую форму, перенесенную в плоскость XY.

Теперь рассчитайте полный контур бусины, оценив все параболы в нескольких координатах X и Y, охватывающих весь диапазон бусины. Затем добавьте геометрию базовой подложки, указав ее фактические границы или используя предопределенные размеры. Затем используйте инструменты создания сетки в FreeCAD для преобразования набора параболических сечений в одну 3D твердотельную геометрию.

Эта поверхность должна быть пригодна для импорта в среду анализа методом конечных элементов. Преобразуйте контурные точки в исходную систему координат сварочного робота. Во-первых, сбросьте бусину в начало координат новой системы координат.

Затем примените трансформацию, чтобы восстановить его положение в исходном кадре. Используйте макросы для экспорта валика и подложки в виде файлов STL и шагов с использованием ранее рассчитанных геометрических точек. Наконец, экспортируйте полную геометрию в формат файла, подходящий для анализа методом конечных элементов, например формат INP.

Опционально, используйте инструмент NETGEN mesh FEM в FreeCAD для создания сетки с умеренной тонкостью с максимальным размером элемента 0,5 миллиметра и минимальным 0,1 миллиметра. Матрица преобразований, примененная к положениям реперных сфер, привела к наложению, заметно различимым наборам точек между системами координат. Измеренные радиусы реперных сфер с помощью лазерного сканера показали последовательную незначительную недооценку по сравнению с методами поиска краев и координатно-измерительных машин.

Позиционная погрешность лазерного сканера при определении расстояний между реперными шарами колебалась от 1,30 мм до 2,05 мм, в то время как погрешности КИМ и электронного поиска краев оставались ниже 0,1 мм. Окончательная геометрия сварного шва с сеткой была успешно импортирована в программное обеспечение для анализа методом конечных элементов.