一种用于模具电弧增材再制造的机器人焊枪位姿检测与调整系统的制作方法

1.本发明属于电弧增材再制造焊接技术领域，适用于模具电弧增材制造过程中对焊接机器人焊枪姿态的初始化、识别与调整，目的是避免焊枪与模具干涉、保证增材金属的成形和避免产生各类焊接缺陷，以达到提高机器人焊接模具质量的目的。


背景技术：

2.金属模压成形因其生产效率高、成本低、质量优等特点，被广泛应用于航空航天、汽车、船舶、电子通讯等领域。模具部件市场大，应用广，对制造产品质量影响大。但，模具的工作条件十分恶劣，服役过程中，长期在高温金属流动的环境中工作，工作面被加热、氧化、冲击和磨损，易产生磨损、开裂、疲劳、变形等形式失效。
3.采用模具钢制造模具寿命不能满足企业使用要求，用电弧增材再制造方法制造模具，不仅寿命高而且成本低、制造周期短，因此目前国内许多企业都采用增材再制造方法制造模具。所谓电弧增材再制造是以电弧为热源将具有特殊性能的填充材料熔覆在基体表面恢复模具尺寸及改善或改变表面性能的一种产品制造工艺。传统模具堆焊采用的是手工操控焊枪熔覆焊材的一种操作工艺。人工堆焊模具，在焊接过程中可规划、可检测、可调整焊枪，人、脑、手、眼可相互配合，操作灵活、协调，焊接过程不会发生撞枪、干涉而中断焊接的问题，也较少发生由此而产生的焊接缺陷。但手工作业对操作人员的技术要求高，另外，工作环境恶劣，劳动强度大，最终还是会影响模具堆焊效率和产品质量。
4.采用3d打印原理实施的电弧增材再制造技术，也是以电弧为热源，焊枪以点-线-面-体的规划路径，在程序的控制下，以机器人操控焊枪实施堆焊制造的方法。该方法无需人为操控，操作者不接近模具，模具堆焊可以随形焊接，是一种自动化、智能化堆焊制造过程。可见，3d打印的实质是机器代替人，机器需具备如人似的规划、检测与调整能力。本发明主要解决了该方面的技术问题。
5.采用3d打印原理实施的电弧增材再制造工艺流程包括：前处理、分层切片、路径规划、焊接工艺输入，焊枪姿态计算，输出焊枪运行程序和焊接等过程。但工业生产中，模具尺寸变化大，结构复杂、品种繁多，气刨质量变化较大等问题有可能出现计算出的焊枪姿态处于怪异现象，出现撞枪现象。因此，电弧增材再制造过程对焊枪姿态进行实时观测与合理调整是保证焊接过程顺利进行的重要条件。


技术实现要素：

6.本发明内容是提供一种模具电弧增材再制造时焊枪姿态检测与调整系统。为达到焊接过程中稳定性和保障增材金属质量，本发明在焊枪位姿初始化基础上，通过对模具中焊枪与型腔位姿检测，对比、运算以实现对焊枪姿态合理调整的目的。
7.本发明，即一种用于模具电弧增材再制造的机器人焊枪姿态检测与调整系统，包括三个子系统：路径规划及焊枪位姿初始化系统；焊枪位姿检测系统；焊枪姿态调整系统
(也叫数据收集处理与反馈系统)。本发明设计的各系统特征如下：
8.(1)路径规划焊枪位姿初始化系统。该系统为自主研发的已封装好的路径规划软件，可以对待修复模具型腔进行分层切片，对层面进行包络圈路径和内部的zigzag型堆积路径规划，同时，还可以对该层面路径下的焊枪姿态进行初始化设置，即焊枪轴向方向的设置。
9.(2)焊枪位姿检测系统。该系统可实时监测焊枪位姿。检测过程为通过激光视觉传感器检测焊枪位姿及焊枪位姿方向模具固有的凸起物、模具型腔的拔模角情况。检测的信息包括：焊枪处于的位置是在包络圈上，还是在填充焊道上；焊枪与模具侧面或底面的夹角；模具拔模角角度、模具型腔表面突起物的直径与高度尺寸等信息。
10.(3)数据收集处理与反馈系统。该系统通过对(1)和(2)两个系统所产生的数据进行收集与处理，对焊枪姿态的初始位姿、前进方向进行判定；对前进方向的焊枪姿态与模具各表面的干涉情况进行分别判断。如果判断结果发现存在干涉，则加大焊枪与侧面的倾角，加大后再进行判断，以此类推，直至不干涉为止。
11.本发明的主要实现方法如下(结合附图1详细说明)：
12.本发明涉及的焊枪姿态检测与调整系统包括3大子系统，共五大模块：前处理模块、路径规划与焊枪位姿初始化模块、焊枪位姿与模具表面状况检测模块、后处理工艺模块、以及数据收集处理与反馈模块。
13.步骤一、本实施例中，需要对待增材模具进行堆焊前处理：包括清理模具表面油污、锈蚀，采用碳弧气刨法去除模具疲劳层以及裂纹，对曲率较大的区域进行平缓处理。若模具型腔没有裂纹，为避免撞枪和可能出现的未焊透等现象，气刨时应满足以下要求：
14.1)模具底部侧面气刨10mm左右；
15.2)模具上部侧面气刨15-25mm左右；
16.即底部气刨量稍微低于桥部，将模具气刨成开口逐渐增加的形状，形成正拔模角。
17.利用三维扫描仪获取待修复模具清理后的点云数据，由于点云数据在扫描过程中存在人为、环境等因素的影响，以及点云数据极为庞大，还需要对这些数据进行去噪、精简和插补处理，才能高效、准确地生成待修模具的3d模型。
18.步骤二、取步骤一处理后得到的待修复模具3d模型与满足服役要求的原始模具模型进行布尔运算，得到模具待修复区域三维模型。将该三维模型转化为stl模型后，导入封装好的软件，进行堆焊下的分层切片、路径规划、焊枪位姿初始化设置等操作。
19.考虑到模具的复杂性，该系统采用的是等厚分层切片，由此最终产生的分型面规格过大的情况，可用机加工切削掉多余的材料；此外，当前主流的路径规划算法各有优劣，本软件采用的是沿外轮廓向内偏置和轮廓内部型腔zigzag复合型路径规划，这样的组合可以充分发挥两种算法在实际应用中的优势，并且减少了堆积过程中出现的未熔合、台阶效应等缺陷。
20.在该系统中，分层切片是采用平面对待增材区域的三维模型进行切割，再依次采用i个基准厚度，将切平面向上偏置，若模型与该切平面交集为空，则分层完成，把结果记为{s0， s1，......，sn}，其中基准厚度由焊接工艺参数余高决定。路径规划算法中，外轮廓路径向内偏置一层，记为{ω0，ω1}，内部zigzag路径长路径设置为沿同一轴向，并在每次轴向反向变换时记录，记为{l1，l2，......，ln}，相邻路径之间的距离由焊接工艺参数搭接率决
定。
21.关于对焊枪初始姿态的设置，在该系统中，外轮廓偏置路径相对较少，在焊接路径中只占少数，且在步骤一中把模具气刨成正拔模角的方法也可大大降低撞枪概率的发生，故可以将焊枪的初始位姿设置为垂直于该分层面，即焊枪轴线为竖直状态。
22.步骤三、为彻底解决焊枪姿态不佳可能存在的撞枪、未焊透等问题，系统进一步采用激光视觉传感器对焊枪当前位姿以及焊枪前进方向模具固有的凸起物情况，模具型腔的拔模角情况进行检测。检测的信息包括：焊枪处于的位置是在包络圈上，还是在填充焊道上；焊枪与模具侧面或底面的夹角；模具拔模角角度、模具型腔表面突起物的直径与高度尺寸等。依据检测到的焊枪姿态数据和检测到的模具凸起物数据进行直接比较，若比较结果认定为不干涉，即焊枪位姿能满足使用条件，则保存该设置，在后续堆焊过程中加以应用，系统跳到步骤五；若焊枪位姿不满足条件，则把当前情况转到数据收集处理与反馈系统，由该系统进行姿态调整运算、反馈，传递到下一模块进行处理。
23.步骤四、当步骤三发现焊枪位姿不合理时，系统将自动转到数据收集处理与反馈系统处理。图2为该系统所涉及算法及工作示意图，其主要原理如下：
24.由交互界面告知该系统模具型腔形状，为下面的具体操作提供依据。其判定标准为：
25.i.若模具型腔深度大于焊枪长度的2/3，同时满足型腔最短边不及焊枪长度的1/2，则认定为深型腔。由于焊枪伸入型腔内部过长，若焊枪在紧贴侧壁的位置处于垂直状态，则容易造成型腔底部角线处未熔合的缺陷，如图3所示。采取的策略为将焊枪向型腔中心处偏转，如图4所示。由于深型腔模具在位姿变换过程中，焊枪中后部易与模具发生碰撞，因此，在对不合理焊枪位姿进行重新规划变换过程中，应当微调，每次调整范围在＜5
°
左右。若这种旋转仍不能解决问题，则将焊枪向前进方或其反向进行旋转，旋转角度仍在＜5
°
左右。
26.ii.若模具型腔较浅，不及焊枪长度的2/3，并且型腔上表面开口较大，则认定为浅型腔。若这种型腔内部较为规则，则一般不需要有过多顾虑，对焊枪不用做过大调整。但是，对于模具型腔内部有顶料棒这种凸起物的情况，应做以下调整。由于这种凸起物的存在，会使焊枪在前进方向出现干涉，对此，采用的算法是将焊枪姿态向焊枪的后方方向和当前路径向模具中心方向两个向量的矢量和进行变换。这种浅型腔由于模具上方空间较大，因此，可以进行大角度调整，每次调整角度可在8～15
°
之间。
27.将每一步对焊枪位姿调整后的姿态递交给数据收集处理与反馈系统，若焊枪姿态仍不合理，重复步骤三和步骤四；否则，保存调整后合理的焊枪位姿，执行步骤五。
28.上述算法具体实现过程如图2所示，主要步骤如下：
29.1)对待修复模具从最底层开始，假设焊枪初始位姿为竖直态，其三维向量为记为1)对待修复模具从最底层开始，假设焊枪初始位姿为竖直态，其三维向量为记为并假定焊枪前进方向为沿x轴正向移动，记为执行下一步；
30.2)利用激光视觉传感器获取焊枪与模具型腔实际相对位置，若某层堆焊路径全部焊枪位姿都合理，则执行步骤6)；否则，进行模具型腔的判断，若为浅型腔，执行步骤3)，若为深型腔，执行步骤5)；
31.3)取模具型腔侧壁指向型腔内部的单位向量，假设为记焊枪调整时的
变换为：其中i＝1，2，3......理论上i的值不应大于8，将焊枪位姿变换后执行步骤2)，并做i 1的运算。若焊枪在方向有顶料棒等凸起物，执行步骤4)；
32.4)为了避免焊枪与凸起物相撞，取该凸起物曲面在焊枪处的单位法向量，假设为记焊枪调整时的变换为：其中j为1，2，3......理论上j的值不应大于8，将焊枪位姿变换后执行步骤2)，并做j 1的运算；
33.5)取模具型腔侧壁指向型腔内部的单位向量，假设为记焊枪调整时的变换为：其中k＝1，2，3......理论上k的值不应大于8，将焊枪位姿变换后执行步骤2)，并做k 1的运算；
34.6)对当前层所有合理的焊枪位姿进行保存，并沿层厚方向进行偏置，设置下一层的焊枪位姿，重复步骤1)-5)，直到所有层下的焊枪位姿都完成调整。
35.步骤五、该步骤是对模具堆焊工艺以及后处理的设置，包括对规划好修复路径以及调整好焊枪位姿的模具进行堆焊修复，对焊后模型机加工处理，以提高模具精度，进而将进行过性能检测的模具投入使用。
36.有益效果
37.本发明涉及的模具修复过程中焊枪姿态检测调整系统，具有以下优点：
38.(1)利用传感器获取待修复模具型腔各面法向量和当前焊枪姿态空间坐标，通过判断焊枪位姿与模具是否发生干涉进行焊枪姿态的调整，解决了模具再制造过程中焊枪姿态怪异、焊枪位姿变换过程中焊枪陡变造成的堆焊填充不足的问题，有效解决模具修复时堆焊层侧壁夹渣、熔合不良等问题，大大减小了模具修复时的缺陷，有效提高堆焊精度，减小后续机加工切削量，并且进一步提高电弧增材再制造模具的服役寿命。
39.(2)本发明下的再制造方法中采用外轮廓包络圈和内部zigzag型堆积路径，解决了包络圈焊道成形质量问题，层间轨迹采用正交的方式，减少了焊接缺陷的累积。
40.(3)采用自主研发的路径规划软件可以实现对焊枪位姿的初始化设置，并在此基础上对不合理的焊枪位姿进行调整，使其处于合适的位姿，进一步提高焊枪姿态调整效率，实现有效、高质量的修复效果。
附图说明
41.图1焊枪姿态检测与调整系统工作流程图
42.图2焊枪姿态调整示意图
43.图3焊枪不调整可能出现未熔合与撞枪
44.图4焊枪调整后可实现正常熔合焊接
具体实施方式
45.步骤一、本实施例中，需要对待增材模具进行堆焊前处理：包括清理模具表面油污、锈蚀，采用碳弧气刨法去除模具疲劳层以及裂纹，对曲率较大的区域进行平缓处理。
46.若模具型腔没有裂纹，为避免撞枪和可能出现的未焊透等现象，气刨时应满足以下要求：
47.1)模具底部侧面气刨10mm左右；
48.2)模具上部侧面气刨15-25mm左右；
49.即底部气刨量稍微低于桥部，将模具气刨成开口逐渐增加的形状，形成正拔模角。
50.利用三维扫描仪获取待修复模具清理后的点云数据，由于点云数据在扫描过程中存在人为、环境等因素的影响，以及点云数据极为庞大，还需要对这些数据进行去噪、精简和插补处理，才能高效、准确地生成待修模具的3d模型。
51.步骤二、取步骤一处理后得到的待修复模具3d模型与满足服役要求的原始模具模型进行布尔运算，得到模具待修复区域三维模型。将该三维模型转化为stl模型后，导入封装好的软件，进行堆焊下的分层切片、路径规划、焊枪位姿初始化设置等操作。
52.考虑到模具的复杂性，该系统采用的是等厚分层切片，由此最终产生的分型面规格过大的情况，可用机加工切削到多余的材料；此外，当前主流的路径规划算法各有优劣，本软件采用的是沿外轮廓向内偏置和轮廓内部型腔zigzag复合型路径规划，这样的组合可以充分发挥两种算法在实际应用中的优势，并且减少了堆积过程中出现的未熔合、台阶效应等缺陷。
53.在该系统中，分层切片是采用平面对待增材区域的三维模型进行切割，再依次采用i个基准厚度，将切平面向上偏置，若模型与该切平面交集为空，则分层完成，把结果记为{s0， s1，......，sn}，其中基准厚度由焊接工艺参数余高决定。路径规划算法中，外轮廓路径向内偏置一层，记为{ω0，ω1}，内部zigzag路径长路径设置为沿同一轴向，并在每次轴向反向变换时记录，记为{l1，l2，......，ln}，相邻路径之间的距离由焊接工艺参数搭接率决定。
54.关于对焊枪初始姿态的设置，在该系统中，外轮廓偏置路径相对较少，在焊接路径中只占少数，且在步骤一中把模具气刨成正拔模角的方法也可大大降低撞枪概率的发生，故可以将焊枪的初始位姿设置为垂直于该分层面，即焊枪轴线为竖直状态。
55.步骤三、为彻底解决焊枪姿态不佳可能存在的撞枪、未焊透等问题，系统进一步采用激光视觉传感器对焊枪当前位姿以及焊枪前进方向模具固有的凸起物情况，模具型腔的拔模角情况进行检测。检测的信息包括：焊枪处于的位置是在包络圈上，还是在填充焊道上；焊枪与模具侧面或底面的夹角；模具拔模角角度、模具型腔表面突起物的直径与高度尺寸等。依据检测到的焊枪姿态数据和检测到的模具凸起物数据进行直接比较，若比较结果认定为不干涉，即焊枪位姿能满足使用条件，则保存该设置，在后续堆焊过程中加以应用，系统跳到步骤五；若焊枪位姿不满足条件，则把当前情况转到数据收集处理与反馈系统，由该系统进行姿态调整运算、反馈，传递到下一模块进行处理。
56.步骤四、当步骤三发现焊枪位姿不合理时，系统将自动转到数据收集处理与反馈系统处理。图2为该系统所涉及算法及工作示意图，其主要原理如下：
57.由交互界面告知该系统模具型腔形状，为下面的具体操作提供依据。其判定标准为：
58.i.若模具型腔深度大于焊枪长度的2/3，同时满足型腔最短边不及焊枪长度的1/2，则认定为深型腔。由于焊枪伸入型腔内部过长，若焊枪在紧贴侧壁的位置处于垂直状态，则容易造成型腔底部角线处未熔合的缺陷，如图3所示。采取的策略为将焊枪向型腔中心处偏转，如图4所示。由于深型腔模具在位姿变换过程中，焊枪中后部易与模具发生碰撞，因
此，在对不合理焊枪位姿进行重新规划变换过程中，应当微调，每次调整范围在＜5
°
左右。若这种旋转仍不能解决问题，则将焊枪向前进方或其反向进行旋转，旋转角度仍在＜5
°
左右。
59.ii.若模具型腔较浅，不及焊枪长度的2/3，并且型腔上表面开口较大，则认定为浅型腔。若这种型腔内部较为规则，则一般不需要有过多顾虑，对焊枪不用做过大调整。但是，对于模具型腔内部有顶料棒这种凸起物的情况，应做以下调整。由于这种凸起物的存在，会使焊枪在前进方向出现干涉，对此，采用的算法是将焊枪姿态向焊枪的后方方向和当前路径向模具中心方向两个向量的矢量和进行变换。这种浅型腔由于模具上方空间较大，因此，可以进行大角度调整，每次调整角度可在8～15
°
之间。
60.将每一步对焊枪位姿调整后的姿态递交给数据收集处理与反馈系统，若焊枪姿态仍不合理，重复步骤三和步骤四；否则，保存调整后合理的焊枪位姿，执行步骤五。
61.上述算法具体实现过程如图2所示，主要步骤如下：
62.1)对待修复模具从最底层开始，假设焊枪初始位姿为竖直态，其三维向量为记为1)对待修复模具从最底层开始，假设焊枪初始位姿为竖直态，其三维向量为记为并假定焊枪前进方向为沿x轴正向移动，记为执行下一步；
63.2)利用激光视觉传感器获取焊枪与模具型腔实际相对位置，若某层堆焊路径全部焊枪位姿都合理，则执行步骤6)；否则，进行模具型腔的判断，若为浅型腔，执行步骤3)，若为深型腔，执行步骤5)；
64.3)取模具型腔侧壁指向型腔内部的单位向量，假设为记焊枪调整时的变换为：其中i＝1，2，3......理论上i的值不应大于8，将焊枪位姿变换后执行步骤2)，并做i 1的运算。若焊枪在方向有顶料棒等凸起物，执行步骤4)；
65.4)为了避免焊枪与凸起物相撞，取该凸起物曲面在焊枪处的单位法向量，假设为记焊枪调整时的变换为：其中j为1，2，3......理论上j的值不应大于8，将焊枪位姿变换后执行步骤2)，并做j 1的运算；
66.5)取模具型腔侧壁指向型腔内部的单位向量，假设为记焊枪调整时的变换为：其中k＝1，2，3......理论上k的值不应大于8，将焊枪位姿变换后执行步骤2)，并做k 1的运算；
67.6)对当前层所有合理的焊枪位姿进行保存，并沿层厚方向进行偏置，设置下一层的焊枪位姿，重复步骤1)-5)，直到所有层下的焊枪位姿都完成调整。
68.步骤五、该步骤是对模具堆焊工艺以及后处理的设置，包括对规划好修复路径以及调整好焊枪位姿的模具进行堆焊修复，对焊后模型机加工处理，以提高模具精度，进而将进行过性能检测的模具投入使用。