Kaynak Boncuklarının Sonlu Elemanlar Analizi için Otomatik Lazer Tabanlı Geometri Yakalama

Summary

Kaynak dikişlerinin neredeyse gerçek zamanlı metrolojisini elde etmek ve elde edilen geometriyi sonlu elemanlar analizi için otomatik olarak hazırlamak için bir süreç açıklanmaktadır.

Abstract

Yüksek değerli üretim için füzyon kaynağı, bileşen distorsiyonu üzerinde sıkı proses kontrolleri ve tamamlanmış bileşene verilen artık gerilim seviyelerinin belirlenmesini gerektirir. Süreç, ağırlıklı olarak ana malzeme ve sarf malzemelerinin yeterli füzyonunu sağlamaya odaklanarak sayısız parametrenin kontrol edilmesine bağlıdır. İşlem sırasında verilen yüksek termal gradyanlar, kontrol edilmezse önemli bozulmaya ve bileşen tamamen kısıtlanırsa yüksek seviyelerde artık gerilime neden olabilir. Sonlu elemanlar analizi, bozulmayı tahmin etmek için füzyon kaynağı işlemlerinde yaygın olarak uygulanır. Bununla birlikte, bu modeller, neredeyse yalnızca, sürecin başlamasından önce tanımlanan ve nihai bileşeni temsil etmeyebilecek idealleştirilmiş veya basitleştirilmiş bir geometri kullanır. Bir lazer tarama sistemi kullanarak benzersiz bir koordinat sistemi içinde tek bir kaynak dikişi birikiminin gerçek şeklini yakalamak ve yakalanan bu geometriyi hemen sonlu elemanlar analizlerine dahil edilebilecek bir forma dönüştürmek için bir protokol açıklanmaktadır. Bu, sonlu elemanlar modelinin, sınırlı kullanıcı girişi ile gerçek biriktirmeyi temsil eden bir geometri ile hızlı bir şekilde doldurulmasını sağlar.

Introduction

Füzyon kaynağı, ana ve dolgu malzemelerinin lokalize eritilmesi yoluyla metalik bileşenlerin kalıcı olarak bağlanması için kullanılır. Bu dolgu malzemeleri tel veya çubuk şeklindedir. Bu erimeyi etkileyecek ısı kaynağı¹ değişebilir, ancak her durumda hem ebeveyn hem de dolgu maddesi yüksek sıcaklıklara ve gradyanlara maruz kalır. Bu termal geziler, önemli bozulmalara, malzeme özelliklerinde değişikliklere neden olabilir ve hem kaynak işlemi hem de soğutma sırasında bileşen içinde artık gerilimlere neden olabilir. Bu yan etkiler, yüksek değerli bileşenlerin ömrü veya yaşayabilirliği için son derece zararlı olabileceğinden, kaynak işlemleri genellikle termal geçmişi, bozulmayı ve artık gerilimi belirlemek için sonlu elemanlar (FE) yöntemiyle modellenir². Bu tür modeller genellikle, kaynak başlatma ve durdurma konumları da dahil olmak üzere tam 3B biriktirmeye dayalı bir geometri kullanmak yerine, herhangi bir kaynak gerçekleşmeden önce belirlenen kaynak ve ana malzemenin basitleştirilmiş veya idealleştirilmiş geometrisini kullanır. Tekrarlanabilir çok geçişli kaynak, kaynak torcunun robotik bir kol tarafından manipüle edildiği otomatik sistemler kullanılarak elde edilebilir. Otomatik ark kaynağı için kullanılan bazı cihazların, yönlendirilmiş enerji biriktirme arkı (DED-Arc) veya tel ark eklemeli imalat³ (WAAM) olarak bilinen doğrudan enerji biriktirme eklemeli imalat için de kullanılabileceğine dikkat edilmelidir. Aynı tahmine dayalı modelleme yaklaşımları tipik olarak WAAM için de kullanılır^{ve 4'e} katılmak için kullanılır.

WAAM, biriken birçok malzeme katmanını seçici olarak birleştirerek ağa yakın bir şekilde 3D bileşenler üretebilir. WAAM geçmişte duvarlar ve diğer geometrik şekiller⁵, borular⁶ ve türbin kanatları⁷ gibi daha karmaşık topolojilere sahip bileşenler oluşturmak için kullanılmıştır. Birleştirmeye kıyasla artan termal döngü sayısı ve biriken malzemedeki artış nedeniyle, bu tür WAAM bileşenlerinin bozulması önemli hale gelebilir. Bu nedenle, bu süreci yansıtan uygulanan herhangi bir FE modelinin doğruluğu, idealize edilmiş veya varsayılan baskı geometrisi tarafından zayıflatılabilir. Alt tabakanın bozulması, biriktirme sırasında artan mekanik kısıtlama ile sınırlandırılabilir. Bununla birlikte, bu aynı zamanda istenmeyen bir durum olan son bileşendeki artık gerilim seviyesini de artıracaktır.

Geleneksel olarak, kaynak sonrası geometri denetimi, inceleme araçları⁸ ile manuel olarak veya biriken malzeme, ana malzemenin erimiş bölgesi ve ısıdan etkilenen bölgeler⁹ dahil olmak üzere kaynağın profilini ortaya çıkarmak için biriktirme ve alt tabakayı enine kesitlere ayırarak gerçekleştirilebilir. Manuel geometrik inceleme araçları, biriktirmenin kapsamları hakkında bilgi sağlamak için iyi olsa da, operatörün herhangi bir ölçüm yapmak ve elde edilen herhangi bir veriyi yazıya dökmek için otomatik rutini kesmesini gerektirir. Benzer şekilde, kesit alma, kaynağın çok doğru bir temsilini sağlar, ancak tahrip edicidir ve üretim yerlerine harici olarak gerçekleştirilmesi gereken birden fazla hazırlık adımı gerektirir. Her iki yaklaşım da yalnızca ölçülen belirli konumlardaki boncuk profili hakkında bilgi sağlar ve bu, kesit için tek bir profil olabilir. Buna karşılık, lazer tarayıcılar, numuneyi kaynak hücresinden çıkarmaya gerek kalmadan kaynak profilini hızlı bir şekilde değerlendirme avantajına sahiptir ve tüm biriktirmenin yüksek çözünürlüklü olarak yakalanması potansiyeline sahiptir. Lazer sistemleri ile kaynak sırasında gerçek boncuk geometrisinin izlenmesi^10,11 metal şekillendirmede yaygın olarak kullanıldığı gibi¹² kullanılmıştır. WAAM geometrisini yakalamak için lazer sistemleri de kullanılmıştır¹⁰. Bununla birlikte, FE analizine dahil edilmek veya karşılaştırılmak üzere bu verilerin işlenmesi için atılan spesifik adımlar iyi tanımlanmamıştır. Bu çalışma, biriktirme geçişleri arasındaki kaynak geometrisinin gelişimini izlemek ve ticari paket ABAQUS ile gerçekleştirildiği gibi bir sonlu eleman analizini (FEA) güncellemek için kaydedilen geometriyi entegre etmek için otomatik bir lazer tarayıcı kullanmak için yeni bir protokol sunmaktadır. Kaynak dikişini yerinde otomatik olarak yakalama ve kaynak dikişini sınırlı kullanıcı girdisi ile bir FE giriş geometrisine dönüştürme yeteneği, akıllı üretime doğru atılmış bir adımdır.

Bu çalışmada kullanılan geometri yakalama, tarayıcının, biriktirmeyi kontrol eden robotik koldan farklı ve ayrı olan altı serbestlik derecesine sahip bir robotik kol ile entegre edilmesiyle kolaylaştırılan bir kaynağın tam bir taramasıdır. Bu, geometriyi belirli konumlarda araştırmak için tasarlanmış, elde taşınan araçlarla¹³, sabit ancak bir numune aşaması^10,11 kapsamı ile sınırlı olan veya lazer tarayıcının kaynak torcu⁸ ile aynı robotik kola bağlı olduğu durumlarda, lazer tarama sistemlerinin önceki uygulamasından bir sapmadır. Mevcut yaklaşım, hücre içindeki biriktirme konumundan bağımsız olarak, kaynak hücresinin koordinat sisteminde, özelleştirilmiş fikstürlere veya karmaşık algoritmalara ihtiyaç duymadan boncukun tam geometrisinin yakalanmasına izin verir.

Yakalanan geometri daha sonra biriktirme sırasındaki sıcaklık geçmişi gibi önemli faktörleri tahmin etmek için kullanılabilir. Uygun termokupl verileriyle birleştirildiğinde, mevcut çalışmaya bitişik olan bozulma ve artık stres de simüle edilebilir. Bu, gerçek dünya kaynağının hızlı süreç modellemesine izin vererek üretimi iyileştirme potansiyeline sahiptir. Geometri yakalamanın otomatik yapısı, kaynak parametrelerini elde edilen geometriye bağlamak için bir yol sağlar. Bu da, gelişmiş süreç kontrolü ve yol planlamasının geliştirilmesi için kullanılabilir. Mevcut manuel kaynak, operatörün çıktıyı kontrol etme becerisine dayanır. Robotik kaynak tutarlılık katar ancak anında karar verme fırsatını sınırlar. Geçişler arasında boncuk profilinin yakalanması, istenirse bir sonraki damla geçişinin programlanmasına izin verir ve süreç modellemesi ile birleştirildiğinde, üretim oranlarını, malzeme özelliklerini ve parça ömürlerini iyileştirme potansiyeline sahiptir. Mevcut protokol, geliştirilen iş akışını göstermek için tek bir plaka üzerine boncuk örnek vaka ile örneklendirilmiştir.

Kullanılan kaynak hücresi ve ekipmanın kurulumu
Söz konusu kaynak hücresi, kaynak (kaynak robotu olarak anılır) ve lazer tarama (tarama robotu olarak anılır) yapmak için gerekli ataşmanlara sahip robotik kollardan oluşur. Söz konusu hücre Şekil 1'de gösterilmiştir. Bu robotlar, robota gerekli talimatları veren ve robotlar tarafından eklem ve motor hareketleri olarak yorumlanan işlevsel bir programlama dili olan KUKA Robot Language (KRL)^14'ü anlayan bir programlama arayüzü aracılığıyla kontrol edilebilir. Kaynak sistemi, soğuk metal transferi (CMT) modunda çalışır ve bir tür elektronik nokta bulma olan TouchSense ile donatılmıştır. Kullanılan sarf malzemesi, argon/karbondioksit gazı karışımı (%80/20) varlığında G3Si-120n 1.2 mm çapında çelik teldi. Kullanılan alt tabaka, kelepçelerle sabitlenmiş bir G43 yumuşak çelik levhaydı. Empoze edilen biriktirme, Tablo 1'de verilen parametrelere sahip bir plaka üzerinde boncuk idi. Kaynak parametrelerinin bu kombinasyonu, endüstriyel olarak temsili bir birikim oluşturduğu bilindiği için seçildi. Kullanılan lazer tarayıcı, 100 Hz frekansında veri elde etmek için kullanılan 2048 noktadan oluşan bir çizgiyi aynı anda tarayabiliyor. Ek olarak, bir kalibrasyon bileşeninin boyutlarını sağlamak için bir koordinat ölçüm makinesi (CMM) kullanıldı.

Lazer tarayıcılardan elde edilen metroloji verileri kalibrasyon gerektirir. Bu kalibrasyon ihtiyacı, çakışan taramaların olduğu geniş bir bölgeyi yakalamak için tarayıcının hareket ettirilmesi gerektiğinde daha da önemlidir. Lazer tarayıcı alt tabakaya göre eğri olsaydı veya hareket düzgün olmasaydı, Şekil 2'de gösterildiği gibi ortaya çıkan geometride bozulma olurdu. Ek olarak, tarayıcı yalnızca sensöre geri dönen ışık için bilgi kaydeder; Bu nedenle, eriyik havuzu katılaştıkça oldukça yansıtıcı, düzgün olmayan, kavisli bir yüzey üreten kaynakta, uzamsal bilgilerin çoğunun kaybolabileceği yaygındır. Kaydedilen şeklin gerçek boncuk şeklini temsil etme olasılığını artırmak için, bu nedenle bir miktar eğri uydurma gereklidir. En basit durumda, tek bir kaynak dikişi şekli, bir parabol¹⁵ ile iyi bir şekilde tahmin edilebilir. Bu yaklaşım, Hu ve ark. tarafından boncuk örtüşmelerini hesaplamak için lazer tarama tipi sistemlerle^{kullanılmıştır 13}. Aşağıdaki protokol, seçilen FE paketi içinde dijital bir temsil oluşturmak için bu montaj tekniğini tek boncuk örnek kasasına kullanacaktır.

Protocol

Her iki robotun da etkinleştirildiği ve fren testleri gibi konumsal uyumluluğu doğrulamak için herhangi bir kurulum teşhisinden geçtiği ve yerleştirildiği varsayılmaktadır.

1. Kalibrasyon yapın

NOT: Lazer tarayıcı kullanılmadan önce, algıladığı mesafelerin gerçek mesafeleri temsil ettiğinden emin olmak için kalibre edilmelidir. Varsayılan olarak durum böyle olmayabilir, sanki tarayıcı plakaya bir açıdaymış gibi, bu mesafede trigonometrik bir değişiklik yaratacaktır (Şekil 2).

1. Kalibre etmek için, sert ve tercihen metalik olan bilinen boyutlara sahip bir bileşeni, üzerine küreler şeklinde eklenen referans noktaları ile tarayın.
   NOT: Bu küreler, az sayıda veri noktası ve yüksek hassasiyetle referans kürenin merkezini güvenilir bir şekilde bulmak için takılabilen, tanımlanması kolay bir şekil sağlar. Şekil 3A'daki kaynak hücresinde örnek bir bileşen gösterilmektedir. Kalibrasyon adımları 1.1-1.13 için kullanılan özet iş akışı Şekil 4'te gösterilmektedir.
2. Farklı konumlara rastgele en az üç referans küresi yerleştirin, örneğin, düşük ila orta dereceli ABEC derecelendirmelerinden 10 mm'den büyük standart bilyalı rulmanlar (örneğin, 15,875 mm çaplı bilyalı rulmanlar [0,625 ± 0,0001 inç]). Küre ile kalibrasyon parçası arasında iyi bir iletkenlik sağlamak için bunları iletken epoksi reçine gibi uygun bir ortamla bileşene tutturun. Küre ile bileşen arasındaki yüzey alanı temasını iyileştirmek için küreleri desteklemek için uygun yarıçaplı (örn. 10 mm) rondelalar kullanın.
3. Şekil 3C'deki gibi bir Koordinat Ölçüm Makinesi (CMM) ile referans kürelerin yüzeyindeki bir dizi noktanın koordinatlarını bulun. Bu koordinatlar, referans kürelerin her birinin merkezine karşılık gelen sanal bir veri oluşturmak için kullanılacaktır (Şekil 3B).
   1. Referans kürelerini ölçmeden önce, ilk olarak CMM bölmesine bilinen boyutlara sahip bir kalibrasyon ölçütü ekleyerek CCM'yi kalibre edin. Bu kalibrasyon kriteri, CMM yuvasına vidalanabilmesi ve sağlam bir şekilde tutulabilmesi için dişli bir tabana sahip bir çubuğa gömülü 29.993 mm yarıçaplı seramik bir küre şeklini alır.
   2. Kalibrasyon karşılaştırmasını CMM yuvasına vidalayın.
   3. CMM'nin ucu, kaynak hücresi kalibrasyon bileşeni için referans kürelerini ölçmek için kullanılacak olanla aynı yöndeyken, uygun yazılım içinde otomatik kalibrasyon işlevini çalıştırın. CMM ucunun kalibrasyonunu çalıştırmaya başlamak için, CMM ölçüm moduna ayarlandığında, ucu kalibrasyon karşılaştırmasının üst yüzeyi ile temas ettirin. Program daha sonra kontrolü ele alacak, kıyaslama küresini otomatik olarak haritalayacak ve mevcut yönlendirme için CMM ucunu kalibre edecektir.
   4. Ucun kalibrasyonu tamamlandıktan sonra, kalibrasyonu seçilen bir uç numarasına kaydedin, örneğinample, 1 numaralı uç.
   5. Kalibrasyon karşılaştırmasını CMM'den kaldırın.
   6. Kalibrasyon bileşenini takılı referans kürelerle birlikte CMM yuvasına yerleştirin. Bir yön seçin ve ileride başvurmak üzere, örneğin her bir referans kürenin numaralandırıldığı açıklamalı bir fotoğraf kullanmak üzere yönlendirmeyi not edin.
   7. Referans kürelerinin her birindeki noktaları belirlemek için bir program oluşturun.
      1. Probu kullanarak ucu seçin | probu değiştir.
      2. Konturu seçin | CNC noktasını ölçün ve ucu ilk referans küre ile temas ettirin. İlk referans kürenin üst yarım küresi boyunca birçok nokta için tekrarlayın.
      3. Her bir referans küresi için aynısını yapın ve kürenin her bir yüzeyi için bir nokta bulutu oluşturun.
         NOT: Prensip olarak, merkezi bulmak için küre başına en az üç nokta gereklidir; ancak çok daha fazlası tercih edilir. Burada, Şekil 3D'deki CMM noktalarından takılan küre ile gösterildiği gibi, bir yarının tamamı boyunca yer alan en az 12 nokta kullanılmıştır. Referans küre üzerinde yüzey noktaları elde etmek için CMM işlemini içeren hususlar, kullanılan ekipmana bağlı olarak değişecektir.
4. Yüzey noktalarını en küçük kareler uydurma yaklaşımıyla bir küreye uydurarak referans kürelerin merkezinin koordinatlarını hesaplayın. Örneğin, bu, Numpy en küçük kareler çözücüsü¹⁶ kullanılarak elde edilebilir.
5. Kalibrasyon koordinat sisteminin kökeni olarak hareket etmesi için referans kürelerinden birini seçin. Bir parça koordinat sistemi oluşturmak için bu koordinatı referans kürelerinin her birinden çıkarın.
   NOT: Kalibrasyon bileşeninin katı olduğunu varsayarsak, CMM prosedürü tamamlandıktan ve referans kürelerinin merkezleri bilindikten sonra, kalibrasyon bileşeni boyutları ve ilgili koordinat sistemi zaten bilindiğinden, bu protokolün gelecekteki uygulamaları 1.2-1.5 adımlarını atlayabilir.
6. Kalibrasyon bileşenini, CMM'de ölçülürken orijine göre aynı yönde kaynak hücresine yerleştirin.
   NOT: Yönlendirme teorik olarak önemli değildir, ancak orijinal yönlendirmeyi tekrarlamak, herhangi bir hatanın daha kolay tanımlanmasını sağlar.
7. Kalibrasyon bileşeninin taramasını lazer tarayıcı ile Şekil 5A'da gösterildiği gibi ayarlayın. Çıktı bir x,y,z koordinat dosyası biçimindedir.
   DİKKAT: Lazer tarayıcı, lazer radyasyonunun kaynağıdır ve bu nedenle lazer güvenlik protokollerine uyulmadığı takdirde tehlikeli olabilir. 2M sınıfı ve altı lazerlerin kullanılması gereklidir, çünkü bunlar gerekli rolü yerine getirebilir ve genellikle açık bir ışın gereklidir.
8. Kullanılan açıklayıcı lazer sistemi için, her 15.875 mm çapındaki referans küresini ölçün ve bileşeni ölçmek için lazer tarayıcı ile her bir referans küreyi tarayın (Şekil 5A). Bilinen top konumları ve z değeri eşikleri etrafında x ve y'deki dairelerin bir kombinasyonunu kullanarak, alt tabakadan kaynaklanan herhangi bir bilgiyi kaldırmak için bu çizgi taramalarının çıktısını kesin. Merkezi bir koordinat elde etmek için adım 5'teki ile aynı en küçük kareler uydurma prosedürünü kullanarak bir küreyi (Şekil 1.4B) sığdırmak için kalan noktaları kullanın.
   NOT: Referans kürelerin yüzey kaplaması, kullanılan lazer tarayıcı ile zayıf bir şekilde etkileşime girebilir. Şekil 5A'daki gibi yüzeyi kaplamak ve matlaştırmak için aerosol haline getirilmiş bir boya nüfuz edici geliştirici kullanılabilir.
9. Tarama robotunu başlangıç konumuna geri getirin.
10. Elektronik nokta bulmayı kullanarak kaynak robotu ile kalibrasyon bileşenini bulun. Boyutları bilinen kaynak torcuna entegre edilmiş metalik bir uç kullanın. Bu ucu, CMM yaklaşımına benzer şekilde, yüzeyin etrafındaki birkaç noktada (Şekil 6) referans küre ile temas ettirin. Uç referans küreye temas ettiğinde, düşük voltajlı bir devre tamamlanır ve mevcut robot konumu doğrudan robot sistemi tarafından kaydedilir.
    NOT: Benzer bir etki, kaynak robotuna takılan ve fiziksel temasa dayanan diğer elektronik kenar bulucu türleri kullanılarak da elde edilebilir.
11. Bir küreyi sığdırmak ve biriktirme robotu koordinat sistemindeki her bir referans küresinin merkezi konumunu bulmak için bu noktaları kullanın.
12. Kaynak robotunu başlangıç konumuna geri getirin ve kalibrasyon bileşenini kaynak hücresinden çıkarın.
13. Tek değerli ayrıştırma yoluyla kaynak hücresi koordinatlarını kalibre etmek için CMM koordinat sistemini kullanın. Gerekli afin dönüşüm matrislerini oluşturma sürecinin bir taslağı Şekil 7'de verilmiştir.
    NOT: Elde edilen afin dönüşüm matrisi, referans küre merkezlerinin her birinin konumunu ölçülen koordinatlardan gerçek mesafelere dönüştürür. Bu, lazer tarayıcının tarama yönüne göre herhangi bir yanlış hizalanmasını düzeltecektir.

2. Yapı plakası konumunu bulun

1. Kaynak hücresine bir biriktirme almak için alt tabakayı veya ana malzemeyi yerleştirin.
   1. Lazer tarayıcıyı, Şekil 8A'daki gibi plakadan tamamen başlayarak ve kısmen plaka üzerinde sona erecek şekilde, plakanın kenarından dışarı çıkacak şekilde yapı alanının köşelerinden geçirin. Bunun, veri kaydının frekansı bilinerek sabit bir hızda sürekli bir hareket olarak yapıldığından emin olun. Belirli bir zamanda kaydedilen her taramaya uzayda bir konum atamak için yolun başlangıç ve bitiş noktalarıyla birlikte belirli bir taramanın alınma zamanını kullanın. FE analizine uygun geometriyi elde etmek için kullanılacak olan yapı plakasının köşelerinin konumlarını kaydedin.
      NOT: Adım 2.1.1'in gerçekleştirilmesi, lazer plakanın üzerine ulaştığında yüksekliğin önemli ölçüde değiştiği bir adım fonksiyonu olacağından, plakanın köşelerinin lazer tarayıcı koordinat sistemine yerleştirilmesine izin verir (Şekil 8B).
   2. Adım 2.1.1'de bulunan köşeleri, Adım 1.13'te hesaplanan dönüşüm matrisi aracılığıyla kaynak robotunun koordinat sistemine dönüştürerek tarama robotu koordinat sistemindeki alt tabakayı tanımlayın.
2. Kontrol olarak, kaynak robotu ile kaynak kafasının ucunu plakanın her bir köşesine getirin ve konumları Şekil 8C'de gösterildiği gibi kaydedin ve bu konumların beklendiği gibi olduğunu onaylayın.

3. İfadeyi yürütün

1. Plaka yerleştirildiğinde, kaynak robotunu, kaynak robotunun koordinatlarındaki plakanın konumuna göre doğru konumda istenen yolu üretecek şekilde programlayın.
2. Şekil 9'da gösterildiği gibi bir malzeme boncuğunun birikmesiyle sonuçlanan bir kaynak geçişi başlatın.
3. Geçiş tamamlandıktan sonra, tarama robotu ile çarpışmaları önlemek için kaynak robotu kafasını güvenli bir mesafeye geri çekin.

4. Boncuğu tarayın ve FE geometrisi oluşturun

NOT: Boncuk geometrisini taramak ve FEA için katılaştırılabilen ve meshlenebilen bir 3B nokta bulutu oluşturmak için tarama verilerini kullanmak için iş akışının bir özeti için Şekil 10'a bakın. Aşağıdaki adımlar, iş akışının her bir bölümünün nasıl yürütüldüğünü açıklar.

1. Tarama robotunu, boncuğun taranmasına izin verecek bir yol izleyecek şekilde programlayın. Basit çizgiler için, kaynak robotuyla benzer başlangıç ve bitiş noktaları kullanın veya daha sağlam bir yöntem için tam plakayı tarayın.
   NOT: Bu, başlangıçta plaka konumunu bulmak için kullanılan aynı tarama gereksinimlerini kullanacaktır.
2. Şekil 11'e göre tarayıcı iş parçası üzerinde hareket ettirilirken ölçüm yapın. Yolun başlangıç ve bitiş noktalarını, robot hareket hızını ve alım sıklığını not edin. Alım sıklığının, sonraki FEA'da kullanılması amaçlanan minimum eleman boyutundan daha az olmayan mesafe aralıklarına karşılık geldiğinden emin olun.
3. Boncuk profili tek geçişte yakalanamıyorsa, lazer tarayıcının görüş alanının en az %10'una karşılık gelen bir örtüşme ile birden fazla paralel geçiş yapın.
4. Taramalar tamamlandıktan sonra, sonraki herhangi bir kaynak geçişinde kaynak robotuyla çarpışmaları önlemek için lazer tarayıcı robotunu geri çekin.
5. Boncuk çıktısını, Python'da kodlanmış bir dizi komutla kolaylaştırılan uygun bir analitik işlevle sığdırın. Tek bir boncuğun örnek biriktirmesi için, bağlantı parçası için parabolik bir fonksiyon kullanılır.
   NOT: 4.5.1-4.5.10 adımlarını gerçekleştirmek için kullanılan Python kodu ek depoda mevcuttur¹⁷. Adım 4.5.10, ek bir yazılım paketi FreeCAD gerektirir¹⁸, çalışmak için bir Python kurulumunun yanı sıra.
   Şekil 10 Bu bölümde özetlenen iş akışını gösterir. Aşağıdaki aşamaların her birinde örnek bir çıktı şurada verilmiştir: Şekil 12A-J. Taranan boncuk için kullanılan örnek bir komut dosyası Şekil 11 üretmek için kullanılan taranmış geometri ile birlikte Şekil 12 ek depoda da mevcuttur¹⁷.
   1. Lazer tarayıcıdan gelen nokta bulutu verilerini herhangi bir şekilde manipüle etmeye veya kullanmaya çalışmadan önce, kalibrasyon adımı 1.13'te bulunan aynı afin dönüşüm matrisini lazer çıktısına uygulayın.
   2. Taranan verileri, takılacak tek bir boncuğun pürüzlü alanına kırpın. Pencereleme için boncuk genişliğinin bir yüzdesinden etkilenen plakanın bir kısmını boncuğun etrafına dahil ettiğinizden emin olun. Bu aşamada, yükseklik filtrelerini kullanarak yansımalardan kaynaklanan tüm tarama artefaktlarını kaldırın.
   3. Plaka için normali çözerek ve veriler artık plaka normalinin dikey eksene paralel olduğu bir koordinat sisteminde olacak şekilde bir döndürme matrisi uygulayarak taramanın kırpılan bölümü içindeki yerel plakayı düzleştirin.
   4. Taban plakasının yüksekliğinin hemen üzerine bir yükseklik filtresi eşiği uygulayarak boncuğun plaka üzerindeki yönünü bulun, ardından kalan veri noktalarını 1^{. dereceden} bir polinomla sığdırın. Bu, boncuğun yönü için bir vektör verecektir. Boncuğun düz olmadığı biliniyorsa, boncuğu düz bölümlerle yaklaştırılabilecek daha küçük bölümlere ayırın
   5. Manipülasyon kolaylığı için boncuğu y eksenine paralel olacak şekilde döndürün.
   6. Plakanın uç kısımlarını çıkarmak için döndürülen bölümü kırpın, ancak takmaya izin vermek için boncuğun her iki tarafında küçük bir miktar (~ 5 mm) bırakın.
   7. Takılacak boncuk bölümünün merkezini seçin ve bu y konumunda verilerin enine kesitine parabolik bir uyum gerçekleştirin. Bu adım için program iş akışı Şekil 13'te verilmiştir.
   8. Uyumu kullanarak, boncuğun başladığı yer olan plakanın maksimum yüksekliğine karşılık gelen x koordinatlarındaki uyumu değerlendirerek boncuğun kapsamlarını çıkarın.
      1. Aynı eşiği kullanarak boncuğun maksimum y konumunu değerlendirin.
      2. Aynı parabolik şekli kullanarak, ancak boncuğun her iki ucunda xy düzlemine aktarılmış boncuk sonlandırma profilleri oluşturun.
      3. Tüm parabolleri, boncuğun tüm kapsamlarını kapsayan bir dizi x ve y koordinatında değerlendirerek taslağı oluşturacak noktaları kaydedin.
   9. Önce boncuğu yeni bir koordinat sisteminin orijininden başlatarak, ardından onu orijinal kaynak robotu koordinat sistemine dönüştürerek noktaların alanını orijinal koordinatlara geri çevirin.
   10. Ağ oluşturma araçlarını kullanarak, noktaların yüzeyini doldurun ve bir FE analizine aktarılabilecek katı bir yüzey oluşturun. Bunu yapmak için, FEA ön işlemcisine aktarmaya uygun tam bir 3D katı oluşturmak için parabol serisini birleştirmek için FreeCAD¹⁸ programını kullanın.
       1. Bu noktada, gerçek taban plakası kapsamlarını veya gerektiği gibi diğer boyutları tanımlayarak bir alt tabaka ekleyin.
       2. Adım 4.5.9'da hesaplanan puanları kullanarak STL (Standart Mozaik Dili) ve STEP (Ürün Verilerinin Değişimi Standardı) dosyaları oluşturmak için makroları kullanın.
       3. Katı geometri üretildikten sonra, FE analizi için uygun bir dosya formatında, bu durumda bir ".inp" (giriş) formatında dışa aktarılır. İstenirse, sonlu eleman ağı, başka bir FreeCAD makrosu tarafından kolaylaştırılarak doğrudan oluşturulabilir. Bu örnekte, FreeCAD'e Netgen mesh FEM aracı eklentisi kullanılmıştır. Örnek boncuk ağı, Netgen ağı içinde orta derecede incelik, tanımlanmış maksimum 0,5 mm eleman boyutu ve minimum 0,1 mm eleman boyutu kullanılarak oluşturulmuştur.
          NOT: Bu aşamada, gerçek geometri artık bir FE analiz işlemcisine başarılı bir şekilde aktarılabilir.

Results

Koordinat sistemlerinin her birinde kalibrasyon bileşeni için hesaplanan yarıçaplar ve referans küreler arasındaki mesafeler Tablo 2'de gösterilmektedir. CMM ile her bir referans küre konumu için elektronik nokta bulma arasındaki hata, 0,1 mm'nin altında küçüktür. Bu tekniklerin her ikisi de referans küresi ile kalem arasındaki fiziksel temasa dayanır. Kürelerin yerini belirlerken lazer tarayıcının neden olduğu hata, karşılaştırıldığında biraz büyüktür ve 1-2 mm'de baskındır. Dönüşüm matrisinin referans ...

Discussion

Yakalama kalitesi
Lazer tarama sisteminin boyutsal doğruluğu ve hassasiyeti, Tablo 2'deki referans kürelerin konumları ve yarıçapları ile incelenmiştir. Her bir sistemin doğruluğu, kaynak robotunun koordinat sistemine dönüştürüldüğünde CMM verileriyle karşılaştırıldığında, robot sistemleri (lazer tarayıcı ve elektrikli kenar bulma) tarafından ölçülen referans kürelerinin konumsal farkı ile belirlenir. CMM'in hem yüksek doğruluk hem de hassasiyete sahi...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3 mm çapında yakut CMM prob ucu	Renishaw		CMM makinesinde kullanılan prob ucu (A-5004-0422)
%80 Argon %20 CO2 gazı	BOC		Koruyucu gaz için gaz karışımı (Argosheild)
Kripto-Apex 776	Mitutoyo		Koordinat ölçüm makinesi, alıntı değeri 10 &mikro; m
FK 1000 MIG 1,2 mm kaynak teli	Iabco		Kaynak teli tüketim malzemesi
Ücretsiz CAD 1.0	Ücretsiz CAD		Coğrafyaları görüntülemek ve nokta bulutundan stl, step ve FE dosyaları oluşturmak için yazılım. Kullanılan sürüm 1.0
Fronius CMT 4000 GMAW kaynak makinesi	Fronius		Kaynak meşalesi
G43 yumuşak çelik levha 50 cm x 50 cm x2,5 cm	Smiths Metal		Yapı plakası olarak kullanılan alt tabaka metali
GEOPAK/MCOSMOS	Mitutoyo		CMM'i kontrol etmek için yazılım. Kullanılan sürüm 4.0
KUKA KR20	KUKA		Tarama robotu olarak kullanılan robotik kol
KUKA KR70	KUKA		Kaynak robotu olarak kullanılan robotik kol
LAZ3RUS	Manchester Üniversitesi		Universal Scene'de LAZer tabanlı 3d Rendering: lazer tarama için FE geometrisi oluşturmak için. Kullanılan sürüm 1.0
Mikro Epsilon LLT3010-100	Mikro Epsilon		Lazer tarayıcı, alıntı değeri 9 µ m
Mitutoyo 30 mm dimater kalibrasyon küresi	Mitutoyo		Erimiş silika CMM kalibrasyon küresi
ScanCONTROL3000_100	Mikro Epsilon		Lazer tarayıcıdan bilgi yakalamak ve işlemek için yazılım
Dokunma Duyusu	Fronius		Robotikleştirilmiş bir kaynak uygulamasında elektronik kenar/özellik bulma sistemi