[发明专利]一种复杂曲面全局横焊位姿随形电弧增材轨迹规划方法

说明书

一种复杂曲面全局横焊位姿随形电弧增材轨迹规划方法，包括以下步骤：将NURBS参数曲面离散成三维曲面点云；获得曲面三维点云分块和聚类中心；获得简化的边界多边形；获取通过聚类中心的等高线；将等高线在边界多边形内的部分作为种子轨迹；计算任意倾角横焊位姿搭接间距；以种子轨迹为基线，以任意倾角横焊位姿搭接间距作为偏置距离，计算基线上各点对应的偏置点，作为下一条轨迹的关键点，重复执行，直至覆盖各个曲面三维点云分块。本设计不仅实现了全局横焊位姿，保证了熔池的稳定性和焊道形貌的一致性，而且通过自适应调整搭接间距，保证了曲面横焊不同倾角下均匀一致的表面波纹度，提高了曲面随形增材层表面质量。

技术领域

本发明涉及电弧熔丝增材制造领域，尤其涉及一种复杂曲面全局横焊位姿随形电弧增材轨迹规划方法。

背景技术

电弧熔丝增材制造技术(Wire and arc additive manufacturing，WAAM)，以焊接电弧为热源，金属焊丝作为填充材料，通过将待成形零件分层切片、规划轨迹，然后逐道逐层堆积，实现金属零件的近净成形。相比于目前的激光、等离子、电子束等增材制造技术，电弧增材技术成形效率高(2～6kg/h)，设备造价低，自动化程度高，尤其适用于中大型构件的快速增材成形，已被应用于航空航天、军工、汽车、能源等领域关键构件的增材制造或失效模具、零部件的修复再制造。然而，目前增材制造技术主要采用水平面分层切片、逐层堆积方法，在成形曲面特征零件时，层与层之间不可避免的存在台阶效应(Stair-stepeffect)，且电弧增材技术焊层厚度较大(2～4mm)，其台阶效应尤其显著，严重降低了曲面增材零件的表面质量和材料利用率。

通过焊枪沿着曲面轨迹随形运动，形成曲面随形材料堆积层，可克服水平分层增材堆积时的台阶效应，显著提高增材表面质量。目前的曲面随形增材轨迹规划方法是将传统的数控加工轨迹直接转换为增材堆积轨迹，如等参数法、等距面法、等残高法等。此类方法是针对材料机加工切削而开发的，将其直接应用于曲面增材堆积时，易产生相邻焊道重叠形成凸包，或相邻焊道间隙，影响曲面增材表面质量，或形成夹杂、未熔合等缺陷。此外，由于复杂曲面不同区域法向、曲率、高度变化差异大，焊枪沿着传统机加工轨迹在复杂曲面上连续增材移动时，会形成平焊、横焊、向上焊、向下焊等不同的焊接位姿，而不同位姿下熔池流体受重力、曲面几何结构支撑约束作用状态不同，导致不同的熔池流动状态和焊道形貌。其中，平焊、横焊位姿焊道形貌较为均匀一致，向上、向下焊接位姿则易出现熔池振荡或驼峰畸形焊道，严重影响着曲面随形增材焊层表面形貌和质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种复杂曲面全局横焊位姿随形电弧增材轨迹规划方法，能够在复杂曲面不同几何结构区域保持全局横焊位姿，并保持合理的相邻焊道间距，从而获得均匀一致的曲面随形增材焊道形貌和良好的焊层表面形貌质量。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种复杂曲面全局横焊位姿随形电弧增材轨迹规划方法，该方法包括以下步骤：

S1、选取参数增量Δu、Δv，将NURBS参数曲面S(u，v)离散成三维曲面点云P_i(x，y，z)，并分别计算各个离散点位置的法向矢量n_i＝(n_x，n_y，n_z)、高斯曲率H_i、平均曲率K_i，并构建曲面几何特征点八维样本空间F_i＝(x，y，z，n_x，n_y，n_z，H，K)；

S2、首先采用减法聚类算法获得点云分块数量N和初始聚类中心c_i(i＝1，2…N)，然后采用模糊C均值聚类算法优化初始聚类中心的位置，并获得精确的曲面三维点云分块(x，y，z)和精确的聚类中心；

S3、根据曲面三维点云分块(x，y，z)对应的二维uv参数分块，提取二维uv参数点云边界，并根据优化得到简化的边界多边形；