一种基于智能化快速建模技术的电弧3D打印机器人的制作方法

本发明涉及一种电弧3d打印机器人，尤其涉及一种基于智能化快速建模技术的电弧3d打印机器人。

背景技术：

在金属零部件加工领域，增材制造技术相比于传统的等材制造和减材制造方法，有下几个方面的优势；无模制造：由于不需要制模，因此成型快，生产周期短，制造成本低，符合当前市场竞争的“快速高效”的原则；自由成型：成型材料种类、形状不受限制，任何形状的简单或者复杂结构件都能够生产；设计与制造并行：结合cad/cam技术、激光制造技术、数控技术以及新材料等技术领域的最新成果，实现了设计与制造的一体化，使制造过程更加流畅；激光3d打印技术上存在强度低、产业化环节存在成本高、效率低的限制，金属激光3d打印技术在实际应用过程中还存在产业化环节的一些技术缺陷，比如：层厚和光斑直径很小，导致成形效率很低；零件大小会受到铺粉工作箱大小的限制，不适合制造大型的整体零件；无法制造梯度功能材料，也无法成形定向晶组织，不适合对失效零件的修复；制造成本高，slm单套设备在500万人民币左右，而lmd单套设备也要350万人民币左右。；制造效率低，单个中小型零件的打印周期依然是数十、甚至数百小时为加工单位；制造精度较差，悬臂结构需要添加相应的支撑结构。由于产业化过程面临的实际问题，限制了激光增材制造技术在产业化环境的广泛使用；相比激光增材制造，电弧增材制造技术上具备设备成本低、打印效率快、强度高的优点。

电弧增材制造技术是众多增材制造实现方法中的一种，其成形热源为电弧。它集成了数字化技术、机械加工技术和材料科学等现代成果，通过cad设计数据，全程由计算机控制将材料逐层累加制造实体零件，相对于传统的材料去除(切削加工)技术，是一种“自下而上”材料累加的制造方法。这一制造技术不再依赖于传统机加工所需的刀具、夹具、模具及多道加工工序，可快速精密的制造出传统加工方法所不能实现的任意复杂形状的零件，可一次成形而实现"自由制造"。其最大的优势在于减少了工序，缩短了加工周期，大大节约了原材料。而且形状越复杂的零件，这一优势越显著。增材制造的诸多特点完全符合现代绿色制造业低碳、节能、高效的产业发展方向。

目前的电弧增材制造系统智能化程度不高，对于不同构件的制造，需要重新进行切边分层和增材制造路径的设计，严重影响了制造的效率和成本。如何实现效率与成本的双赢，迫切需要具有自主切片分层和轨迹设计优化技术的智能化机器人电弧增材制造系统，从而实现智能制造。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术的不足，提供一种基于智能化快速建模技术的电弧3d打印机器人。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于智能化快速建模技术的电弧3d打印机器人，包括：控制软件系统，所述控制软件系统用于控制机器人动作进行电弧增材制造；

切片分层和轨迹设计优化系统，所述切片分层和轨迹设计优化系统包括零件3d建模软件，模型处理软件与离线仿真软件，

所述模型处理软件用于电弧增材制造，所述模型处理软件生成增材路径，将所述增材路径与预设路径进行比较，生成偏差率；

若偏差率大于预设偏差率阈值，则生成修正信息，根据修正信息将增材路径进行调整；

所述离线仿真软件用于模型处理、增材路径生成、增材路径优化、程序编辑和碰撞检测，并生成数据信息；

实时监控与质量保证系统，所述实时监控与质量保证系统用于对设备的实时控制、增材制造加工过程中各类参数的设定以及增材质量在线检测；

知识库，所述知识库对设备、材料、工艺参数、质量参数的数据进行管理。

在本发明的一个较佳实施例中，控制软件系统采用vc++平台，基于kuka机器人系统而开发，控制软件系统与kuka机器人之间共享接口。

在本发明的一个较佳实施例中，所述3d建模软件包括catia、solidworks、autocad、ug中的一种。

在本发明的一个较佳实施例中，所述模型处理软件采用反铣削的方法，把要堆积成型零件的三维模型作为坯料，对其进行铣削加工，生成从下至上的加工刀具路径，将所得的铣削路径反转，得到从下至上的焊接路径，此路径即为电弧增材制造所需的路径。

在本发明的一个较佳实施例中，还包括程序转换模块，所述程序转换模块能够将虚拟环境中生成的机器人运动程序进行数据转换，转换成具有焊接指令的机器人程序，实现可运用于电弧增材制造的机器人离线编程。

在本发明的一个较佳实施例中，所述实时监控与质量保证系统具有手动控制和自动控制功能，所述手动控制与自动控制能够自由切换。

在本发明的一个较佳实施例中，手动控制可以实时方便的控制热源的开关、工作台、焊枪定位以及加工过程的各类参数的设定。

在本发明的一个较佳实施例中，自动控制可根据用户事先设定的要求，自动调控，无须人工干预，一次性的完成三维零件成型。

在本发明的一个较佳实施例中，还包括反馈模块，所述反馈模块在进行智能化电弧增材制造的过程中，通过信息反馈与控制技术，搭建人机交互功能，用户可以通过机器人程序执行界面，实时监控加工过程中各类工艺参数、焊枪位置、增材路径的变化情况。

本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：

(1)本申请通过智能化切片分层技术、轨迹快速生成技术建立一种完整、可靠的机器人电弧增材制造系统，基于该方案提供一种3d打印机器人，在电弧增材制造系统的控制下可实现对工件三维模型进行自主切片分层和轨迹划分，以此实现目标件低成本、智能化、高精度制造

(2)为了满足增材成形稳定、高效、柔性的要求，电弧增材制造硬件系统需要各设备相互协调一致，形成一个复杂的机电一体化体系。控制软件系统将焊接电源和机器人控制器完全融合，采用一个“大脑”控制，用户通过机器人程序能够准确、灵活的操控机器人进行电弧增材制造。

(3)本申请构建了基于sqlsever的电弧3d打印知识库，对设备(含机器人设备、焊机设备、腔体设备、其他机械类设备)、材料、工艺参数、质量参数等大量数据进行管理。本工艺开发平台及其知识库对主流机器人系统和主流焊机兼容，且可不断学习更新。

(4)本申请设置有程序转换模块，通过文本转换的方式将生成的机器人运动程序转换为机器人焊接程序，以实现电弧增材制造的要求，程序转换模块不仅能方便地生成相应机器人的程序，还具有移动路径、增加或更改点位、设置机器人相关参数等多种功能，能够方便的实现增材路径的优化设计。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1示出了本发明一种基于智能化快速建模技术的电弧3d打印机器人系统图；

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明第一方面提供了一种基于智能化快速建模技术的电弧3d打印机器人，包括：控制软件系统，控制软件系统用于控制机器人动作进行电弧增材制造；

切片分层和轨迹设计优化系统，切片分层和轨迹设计优化系统包括零件3d建模软件，模型处理软件与离线仿真软件，

模型处理软件用于电弧增材制造，模型处理软件生成增材路径，将增材路径与预设路径进行比较，生成偏差率；

若偏差率大于预设偏差率阈值，则生成修正信息，根据修正信息将增材路径进行调整；

离线仿真软件用于模型处理、增材路径生成、增材路径优化、程序编辑和碰撞检测，并生成数据信息；

实时监控与质量保证系统，实时监控与质量保证系统用于对设备的实时控制、增材制造加工过程中各类参数的设定以及增材质量在线检测；

知识库，知识库对设备、材料、工艺参数、质量参数的数据进行管理。

需要说明的是，系统中的模型处理软件为数控加工软件。虽然该软件中数控编程模块是为数控机床加工所开发的，但是刀具在进行铣削加工时的运动轨迹与电弧增材制造技术中层层堆积、逐层累加的思想类似，因此可以将铣削的逆过程作为电弧增材制造过程，基于此原理，铣削路径就能作为电弧增材制造中的增材路径。在刀具路径参数选择部分选择铣削刀具，由于增材时使用的丝材直径多为2mm以下，因此一般选择直径为1.00mm的球刀较为合适。模拟铣削的过程相对比较简单，只需要选择合适的方式，获取相对合理的铣削路径。如果有少量点位出现偏差，可以在机器人离线仿真软件中进行修正，以保证电弧增材制造成形过程的正常进行。

硬件系统基于kuka机器人和fronius数字化焊机进行研发，重点开展电弧动特性调控模块、机器人外部工作轴、工装平台、密封腔体、保护气氛系统等模块的研究，以实现增材成形稳定、高效、柔性的总体要求。系统中的机器人为kukakr5r1400工业机器人，其工作半径为1400mm，能够在极高的连续轨迹运动状态下保证定位精度，具有体积小巧、速度快、精度高、动态性能极佳等优点。由于电弧增材制造过程中机器人进行全自动化作业，所以需要配合数字化焊机来进行操作。数字化焊机相对于普通焊机，其性能较稳定可靠、控制精确度高、动态响应速度快，更加适用于智能化增材制造。系统采用的焊机为fronius的cmt4000advanced数字化焊机，能够提供cmt、cmt+pulse、cmt+advance、cmt+pulse+advance四种焊接方法，可以结合材料的特点选择合适的焊接模式，使整个电弧增材制造成形系统的材料应用范围更为广泛。

为了满足增材成形稳定、高效、柔性的要求，电弧增材制造硬件系统需要各设备相互协调一致，形成一个复杂的机电一体化体系。控制软件系统将焊接电源和机器人控制器完全融合，采用一个“大脑”控制，用户通过机器人程序能够准确、灵活的操控机器人进行电弧增材制造。

控制软件系统采用vc++平台，基于kuka机器人系统而开发。该控制软件系统为本装备的主系统，与kuka机器人之间共享接口，与知识库和工艺开发平台、实时监控与质量保证平台之间能在线或离线通讯，切片分层、轨迹设计优化单元作为本主控系统的模块直接调用。

根据本发明实施例，控制软件系统采用vc++平台，基于kuka机器人系统而开发，控制软件系统与kuka机器人之间共享接口。

根据本发明实施例，3d建模软件包括catia、solidworks、autocad、ug中的一种。

根据本发明实施例，模型处理软件采用反铣削的方法，把要堆积成型零件的三维模型作为坯料，对其进行铣削加工，生成从下至上的加工刀具路径，将所得的铣削路径反转，得到从下至上的焊接路径，此路径即为电弧增材制造所需的路径。

需要说明的是，实时监控与质量保证系统主要是实现对设备的实时控制、增材制造加工过程中各类参数的设定以及增材质量在线检测。具有手动和自动调控功能。手动控制可以实时方便的控制热源的开关、工作台、焊枪定位以及加工过程的各类参数的设定；自动控制可根据用户事先设定的要求，自动调控，无须人工干预，一次性的完成三维零件成型。增材质量在线检测功能可对成形构件进行简单的质量检测，以保证成形的精度和机械性能符合用户需求。

根据本发明实施例，还包括程序转换模块，程序转换模块能够将虚拟环境中生成的机器人运动程序进行数据转换，转换成具有焊接指令的机器人程序，实现可运用于电弧增材制造的机器人离线编程。

需要说明的是，电弧增材路径为机器人的运动程序，导入机器人控制系统后，只能进行空走试验，并不能用于电弧增材制造实验。需要将虚拟环境中生成的机器人运动程序进行数据转换，转换成具有焊接指令的机器人程序，这样才能实现可运用于电弧增材制造的机器人离线编程。上述两种程序除了基本命令不同外，文件存储的内容也略有不同—包含焊接指令的程序中还储存了焊接工艺参数(焊接起熄弧电流、焊接速度等)、焊枪摆动参数等数据。针对上述不同，本申请基于visualc++6.0开发出程序转换模块，通过文本转换的方式将生成的机器人运动程序转换为机器人焊接程序，以实现电弧增材制造的要求，程序转换模块不仅能方便地生成相应机器人的程序，还具有移动路径、增加或更改点位、设置机器人相关参数等多种功能，能够方便的实现增材路径的优化设计。

在系统中选取iungoprint作为软件系统中的机器人离线仿真软件。该软件具有模型处理、简单增材路径生成、增材路径优化、程序编辑和碰撞检测等功能。iungoprint软件有与数控加工软件的接口模块，该模块能够将数控加工软件中输出的数控机床代码转变为相应的机器人程序，采用“反铣削法”实现电弧增材制造成形路径的快速生成。由于在铣削加工时刀具总是垂直抬升，而在增材制造的过程中焊枪垂直抬升处会产生热堆积，从而影响零件的表面成形精度。为了解决这一问题，在iungoprint软件加入了在增材时层与层之间倾斜抬升的功能，相比于垂直抬升，倾斜抬升能够使成形件的外观更为平整，增加成形零件的精度。程序转换模块不仅能方便地生成相应机器人的程序，还具有移动路径、增加或更改点位、设置机器人相关参数等多种功能。当实体造型较为复杂时，模拟的铣削路径中可能会存在不必要的点位，可以通过删除点位功能将其删除；如果得到的路径在局部区域存在不合理的运动轨迹，可以增加点位或者更改点位对其进行修正；同时，在根据实际布局设置机器人运动的工件坐标系、工具坐标系、关节配置等相关参数后，可对整个电弧增材制造过程进行仿真模拟，检查机器人运动的合理性，防止出现关节限位、碰撞等情况。上述的这些功能够保证生成的焊接路径符合电弧增材制造的要求，避免出现由路径不合理而引起的成形零件缺陷。

根据本发明实施例，实时监控与质量保证系统具有手动控制和自动控制功能，手动控制与自动控制能够自由切换。

根据本发明实施例，手动控制可以实时方便的控制热源的开关、工作台、焊枪定位以及加工过程的各类参数的设定。

根据本发明实施例，自动控制可根据用户事先设定的要求，自动调控，无须人工干预，一次性的完成三维零件成型。

根据本发明实施例，还包括反馈模块，反馈模块在进行智能化电弧增材制造的过程中，通过信息反馈与控制技术，搭建人机交互功能，用户可以通过机器人程序执行界面，实时监控加工过程中各类工艺参数、焊枪位置、增材路径的变化情况。

基于电弧增材制造系统3d打印机器人在质量、性能、功能等方面的特点和优势在于智能化机器人电弧增材制造设备拥有良好的操控技术，具体体现在：

(1)业界最快的机器人之一：

最高速度超过180m/min，缩短动作节拍；

(2)高灵敏度碰撞检测及柔性控制功能：

机器人发生碰撞后，手臂被弹起并迅速停止运行，避免造成损伤；

同时控制系统切换到柔性状态，人手把机器人手臂搬出干涉区域，解除干涉物，无需校枪，可立即恢复生产；

(3)轨迹精度大幅提高：

位置检测装置(编码器)分辨率提升16倍，移动轨迹更加平滑顺畅

本申请通过智能化切片分层技术、轨迹快速生成技术建立一种完整、可靠的机器人电弧增材制造系统，本申请在电弧增材制造系统的控制下可实现对工件三维模型进行自主切片分层和轨迹划分，以此实现目标件低成本、智能化、高精度制造

为了满足增材成形稳定、高效、柔性的要求，电弧增材制造硬件系统需要各设备相互协调一致，形成一个复杂的机电一体化体系。控制软件系统将焊接电源和机器人控制器完全融合，采用一个“大脑”控制，用户通过机器人程序能够准确、灵活的操控机器人进行电弧增材制造。

本申请构建了基于sqlsever的电弧3d打印知识库，对设备(含机器人设备、焊机设备、腔体设备、其他机械类设备)、材料、工艺参数、质量参数等大量数据进行管理。本工艺开发平台及其知识库对主流机器人系统和主流焊机兼容，且可不断学习更新。

本申请设置有程序转换模块，通过文本转换的方式将生成的机器人运动程序转换为机器人焊接程序，以实现电弧增材制造的要求，程序转换模块不仅能方便地生成相应机器人的程序，还具有移动路径、增加或更改点位、设置机器人相关参数等多种功能，能够方便的实现增材路径的优化设计。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元；既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

或者，本发明上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。