电弧堆焊成型复合填充路径规划研究

摘要

电弧堆焊成型工艺是金属增材制造技术的重要分支之一，其高效率、低成本的特点使其在建筑设计、产品原型设计、汽车制造业、航空航天等领域得到了广泛的应用。经堆焊成型或修复的零部件具有寿命长、工艺性能好等特点。合理的堆焊填充路径不仅可以提高成形精度以及制件的工艺性能，还能提高成形效率。本文对电弧堆焊成型路径规划做了较为深入的研究，并对相关算法进行了优化与实现，设计了一种电弧堆焊成型设备，并开发了配套切片软件。主要的研究内容如下：　　首先，对STL格式三维模型中各三角面片的有效数据进行提取，在采用等厚分层算法对三角面片进行分组基础上，结合电弧堆焊成型特点，提出三角面片分层拓扑关系构建算法，构建每层三角面片之间的拓扑关系。据此对分层面与三角面片求交，提取模型各截面轮廓。利用特征点法确定轮廓边界走向，并对原始轮廓数据点进行优化处理。　　其次，针对电弧堆焊填充效果问题。综合常见填充路径特点，采用轮廓偏置与扫描线相结合的复合填充路径，实现对多孔截面轮廓的填充。利用向量法推导等距线方程，依次求解各相邻等距线交点，得到轮廓偏置填充路径的节点集合。采用分区变向扫描算法生成扫描线填充路径，并给出扫描线与偏置轮廓奇异交点处理方法。　　然后，针对堆焊实际成形效率问题。在得到复合填充路径的基础上，分别建立了轮廓偏置填充路径与扫描线填充路径基于最小空行程的排序优化数学模型。并采用基于潜在起点的贪心算法对各路径之间空行程进行优化，缩短了各路径间的空行程。　　最后，设计并开发了一种基于直角坐标的电弧堆焊设备，对设备的机械本体组成及控制系统实现做了简要介绍。并基于本文核心算法开发了配套切片软件，利用切片软件对STL模型进行切片处理，生成包含填充路径信息的Gcode文件供堆焊机进行实体成形，实验结果验证了轮廓偏置与扫描线复合填充路径能够有效填充多孔截面，所开发的直角坐标电弧堆焊机稳定可靠，能够对失效曲轴模具进行堆焊修复。

目录

1 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 电弧堆焊成型研究现状

1.3 电弧堆焊成型填充路径规划研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 电弧堆焊成型截面轮廓提取

2.1 引言

2.2 三维模型有效数据提取

2.2.1 STL文件简介

2.2.2 三角面片数据提取

2.3 截面轮廓提取

2.3.1 STL模型分层原理介绍

2.3.2 三角面片高度分组

2.3.3 分层拓扑关系建立

2.3.4 三角面片与分层面交点求解

2.3.5 分层面与三角面片奇异交点处理

2.4 截面轮廓边界走向确定

2.5 轮廓数据优化

2.6 本章小结

3 电弧堆焊成型复合填充路径生成

3.1 引言

3.2 填充路径及其特点分析

3.3 复合填充路径

3.3.1 轮廓偏置填充路径

3.3.2 扫描线填充路径

3.3.3 扫描线与偏置轮廓奇异交点处理

3.4 复合填充路径生成

3.5 本章小结

4 复合填充路径空行程优化

4.1 引言

4.2 轮廓偏置填充路径优化

4.2.1 数学建模

4.2.2 算法求解

4.3 扫描线填充路径优化

4.3.1 数学建模

4.3.2 路径简化定理及证明

4.3.3 算法求解

4.4本章小结

5 电弧堆焊机系统设计与堆焊成型实验

5.1 引言

5.2 电弧堆焊机系统设计

5.2.1 机械本体

5.2.2 控制系统

5.2.3 切片软件

5.3 堆焊实验

5.3.1堆焊实验参数确定

5.3.3 轮廓环提取实验

5.3.3 复合填充路径实验

5.3.4 失效曲轴模具修复实验

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录

A.作者在攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

B.作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

C.学位论文数据集

致谢