机器人熔覆3D 打印中的成形路径生成研究*

乌日开西·艾依提 向 杰 张连重

(新疆大学机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)

3D 打印技术(又称快速成形技术、增材制造技术)是指根据三维CAD 模型，通过逐层堆积，制造三维实体零件的一系列技术的总称。3D 打印技术可快速制造任意复杂形状的零件，使其迅速的被应用于制造、建筑、医学、艺术等多个领域［1］。英国《经济学人》杂志认为3D 打印技术将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”。

制作金属零件是3D 打印技术的重要方向之一。目前能够制造致密金属零件的3D 打印工艺主要有:激光选区烧结(SLS)、激光选区熔化(SLM)，电子束熔融成形(EBM)，激光工程净成形(LENS)，直接金属沉积(DMD)等［2-6］。这些成形设备成本和运行成本都很高，因此基于三维堆焊的金属3D 打印技术，因具有低成本、可控参数多等特点，成为了低成本3D 金属打印技术的一个研究方向［7-9］。本文中的金属3D 打印系统以六自由度机器人为工作平台，以钨极氩弧焊堆积方式制作金属零件。

1 成形原理

图1 为系统组成图。成形时金属基板被固定在水冷工作台上，焊枪由六自由度机器人控制实现成形运动。电弧在基板上形成熔池，填充金属丝送入熔池后随着焊枪的运动凝固后形成一条成形轨迹，成形轨迹间逐条搭接形成面，再逐层堆积直至完成整个零件。

图1 成形系统组成图

2 成形控制程序生成

2.1 扫描路径生成

成形中采用的三维CAD 模型采用STL 格式，采用三角面片替代曲面，三角形面片的数量根据零件的制造精度来设定。成形前将三维CAD 数字模型进行分层处理，得到一系列的二维层片模型。然后在成形机中按顺序逐层堆积，直至完成整个零件，如图2 所示。

图2 成形过程示意

某一层成形过程就是对该层轮廓线中的截面区域进行扫描填充的过程。由于CAD 模型是由三角面片组成的，因此每层的轮廓线都是由一个或多个封闭多边形轮廓构成。而区域填充过程即是对多边形截面用一定的方式进行填充。在本文的成形系统中根据设备的特点，采用的是如图4 所示的往复扫描和偏移扫描两种方式，如图3 所示。往复扫描相当于求一系列的平行线与轮廓线的交点，再根据顺序将这些点依次连接。偏移扫描方式相当于求若干个等距的相似多边形，再按顺序依次连接各点。

填充过程中扫描线(熔覆轨迹)间距的确定由分层截面的特点决定。对于边界形状比较简单截面可采用较宽的熔覆轨迹进行填充，可以提高效率。而对于边界形状比较复杂的截面可采用较窄的熔覆轨迹进行填充，可以减小台阶效应。具体工艺参数组合则根据前期试验建立的工艺参数库来确定。

图3 两种扫描方式

2.2 机器人运动控制代码生成

在零件的分层处理、计算扫描路径时采用的是直角坐标系，获得的关键点坐标不能直接输入到机器人控制器。实验平台采用的是松下TA1800 六自由度工业机器人，其默认工作方式是示教法添加焊枪运动轨迹来生成机器人控制文件，这种方式无法实现复杂扫描路线的自动生成。由于该机器人没有提供二次开发接口，其离线编程软件DTPS 也无法自动实现对复杂零件扫描路径生成。

本文通过对机器人数控程序的分析，根据其程序文件格式，开发了代码转换程序，将计算生成的扫描路径与其他工艺参数进行组合后写入控制程序文件。

机器人控制程序文件为文本格式，其主要组成如下:

其中:

［Description］栏目主要设置机器人型号、外部轴等;［Pose］栏目为机器人末端运动的关键点集合，包括焊接路径点和空走点;

［Command］栏目为轨迹生成命令，主要的命令名称及含义如表1 所示。

表1 主要操作指令含义

为了保证实现焊枪按照分层截面的扫描路径进行运动，要实现机器人运动轨迹点坐标与扫描路径关键点间的坐标转换。如图4 所示为六自由度机器人简图，(X0，Y0，Z0)为机器人坐标系，(X1，Y1，Z1)为工具坐标系(即焊枪坐标系，控制焊枪位置);在/Name，Type，X，Y，Z，U，V，W 语句中的(X，Y，Z)工件坐标系，(U，V，W)为工具坐标系对应的旋转坐标，即控制焊枪角度。

在确定对应关系后，根据零件的具体要求在工艺参数空中选择成形过程中的电弧电流、扫描速度、气流量等关键工艺参数，通过VC ++编制的转换程序(图5)将其组合为机器人的运动控制程序。

以下为自动生成的部分控制程序代码:

图4 六自由度机器人简图

图5 机器人运动控制代码转换程序

在控制程序完成后，可用机器人DTPS 模拟软件进行成形路径轨迹的仿真，如图6 所示。

图6 成形路径轨迹仿真

3 成形实验

利用转换程序生成了单道薄壁件和单层截面填充的控制代码，并进行了实验，图7 所示为单道多层的试件，图8 为往复扫描方式进行的单层多道成形实验结果。

图7 单道多层的试件

图8 单层往复扫描成形

4 结语

构建了一种基于六自由度机器人的金属熔覆3D打印成形系统。开发了机器人扫描路径文件自动生成程序，将成形路径数据与工艺参数设定组合，实现了打印过程。

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