一种增减材制造过程累积误差消除方法

摘要

本发明公开了一种增减材制造过程累积误差消除方法，属于增减材制造技术领域，在增减材复合制造过程中，堆焊增材的成型精度较难保证。通过在两种极限层高误差条件下，判断毛坯轮廓是否包络对应理论模型的方法，从而确定包络边界，进行铣削至包络边界并重新建立基准用于之后的堆焊过程，直至加工到零件加工代码的终点，完成加工。利用本发明可以避免每层堆焊后进行切削至精确厚度来保证精度，而是只需在当前毛坯无法包络对应理论零件模型的时候进行切削重建基准，提升了加工效率。

权利要求

1.一种增减材制造过程累积误差消除方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取待加工的理论零件模型，设定增材过程层高，并确定当前增材过程层高误差范围；

2)分别求取误差上限和误差下限情况下对应的毛坯隐式轮廓函数；

3)对理论零件模型轮廓进行稀疏采样，判断所有采样点是否在两种极限误差条件下预测出的毛坯轮廓内，若是，则按照当前参数完成模型的堆焊过程，否则，将在两种极限误差条件下位于毛坯轮廓上的采样点分别连接形成两种误差条件下的包络边界，然后执行步骤

4)；

4)在两种误差条件下获得的包络边界中，取增材过程先到达的包络边界作为基准边界，进行增材堆焊过程至越过基准边界；

5)铣削当前毛坯至基准边界位置，并将当前基准边界作为下一个堆焊增材过程执行的起点；

6)对理论零件模型进行分割，把当前基准边界之后的理论零件模型部分作为当前理论零件模型，并返回步骤2)处理，至整个待加工零件模型完成整个增材工序。

2.根据权利要求1所述的增减材制造过程累积误差消除方法，其特征在于，步骤2)中，取误差上限，假定实际层高为h+Δh，基于散点云重建径向基函数预测当前理论零件模型对应的毛坯隐式轮廓函数f1(X)；

取误差下限，假定实际层高为h-Δh，基于散点云重建径向基函数预测当前理论零件模型对应的毛坯隐式轮廓函数f2(X)。

3.根据权利要求2所述的增减材制造过程累积误差消除方法，其特征在于，步骤3)中的判断方法为：

3-1)对理论模型轮廓进行稀疏采样，获得点集P{P1，P2，P3，……，Pn}；

3-2)如果 f1(P)≤0且f2(P)≤0，则两种极限误差条件下，所有采样点均在预测出的毛坯轮廓内，如果不满足 f1(P)≤0且f2(P)≤0，则两种极限误差条件下，所有采样点没有全部位于预测出的毛坯轮廓内，其中，满足f1(P)＝0且f2(P)＝0的采样点为位于毛坯轮廓上的点。

4.根据权利要求1所述的增减材制造过程累积误差消除方法，其特征在于，所述的理论零件模型为STL模型。

5.根据权利要求1所述的增减材制造过程累积误差消除方法，其特征在于，步骤1)中还包括确定堆焊增材与切削的初始参数，并将理论零件模型与刀具模型导入到增减材复合制造系统中。

6.根据权利要求5所述的增减材制造过程累积误差消除方法，其特征在于，所述的初始参数包括焊丝材料、焊丝直径、出丝速度、移动速度、焊道间距、毛坯余量以及切削刀具的型号、进给量与转速。

说明书

一种增减材制造过程累积误差消除方法

技术领域

[0001] 本发明涉及增减材制造技术领域，具体地说，涉及一种增减材制造过程累积误差消除方法。

背景技术

[0002] 目前，金属零件在船舶、航天、航空和汽车等领域的制造要求越来越高，因此，金属增材制造技术引起了国内外学者的广泛关注。其中，电弧增材制造具有高沉积率、制造周期短、丝材利用率高、低成本的特点。其成型件的致密度高、化学成分均匀，机械性能优良。但电弧增材制造过程中，丝材变成高温液态融熔附着在基板表面，成型过程稳定性差，成形精度低，同时随着层数的增加，热量累积严重，成形更加难以控制。然而传统的减材制造过程可以达到较高的精度，因此将电弧增材制造和减材铣削相结合形成增减材复合制造过程可以实现优势互补，达到较好的结果。

[0003] 在电弧增材制造过程中，如图1(a)所示，将理论零件模型进行一定厚度的轮廓偏置形成理论毛坯模型，并导入计算机辅助加工制造系统生成加工代码。然而在实际加工中，在送丝速度，焊接速度，设定堆焊层高等参数固定的条件下，实际堆焊层高仍在小范围内波动，存在层高误差。因此随着堆焊层数的增加，层高累积误差会越来越大。如图1(b)所示，实际堆焊增材形成的实际毛坯模型有可能将不再完全包络理论零件模型。其中包络区内可以保证实际毛坯模型完全包络对应的理论模型，该区域内可通过铣削掉外围多余部分达到理论零件尺寸要求。但是包络区外却无法再通过铣削达到理论尺寸要求，最终导致制造过程失效。

[0004] 以往为了消除层高误差，保证成型的准确，有人提出每增材打印一层便进行铣削减材至理论厚度，在此基础上再进行下一层增材打印，再进行铣削，如此反复直到加工完成。此种方法虽然能保证较高的精度但是频繁的增减材交替过程使加工效率低下。

发明内容

[0005] 本发明的目的为提供一种增减材制造过程累积误差消除方法，可寻找最佳切削时机，避免逐层误差累积效应引起增材毛坯轮廓逐步偏离理论零件模型轮廓，破坏两者之间的几何包络关系，导致增材成形溃塌从而引发制造过程失效的问题。

[0006] 为了实现上述目的，本发明提供的增减材制造过程累积误差消除方法包括以下步骤：

[0007] 1)获取待加工的理论零件模型，设定增材过程层高，并确定当前增材过程层高误差范围；

[0008] 2)分别求取误差上限和误差下限情况下对应的毛坯隐式轮廓函数；

[0009] 3)对理论零件模型轮廓进行稀疏采样，判断所有采样点是否在两种极限误差条件下预测出的毛坯轮廓内，若是，则按照当前参数完成模型的堆焊过程，否则，将在两种极限误差条件下位于毛坯轮廓上的采样点分别连接形成两种误差条件下的包络边界，然后执行步骤4)；

[0010] 4)在两种误差条件下获得的包络边界中，取增材过程先到达的包络边界作为基准边界，进行增材堆焊过程至越过基准边界；

[0011] 5)铣削当前毛坯至基准边界位置，并将当前基准边界作为下一个堆焊增材过程执行的起点；

[0012] 6)对理论零件模型进行分割，把当前基准边界之后的理论零件模型部分作为当前理论零件模型，并返回步骤2)处理，至整个待加工零件模型完成整个增材工序。

[0013] 上述技术方案中，通过预测两种极限误差下生成的毛坯轮廓是否包络对应的理论零件模型来控制每次增材制造时目标打印层数，并通过切削消除之前产生的累积误差和为之后的堆焊增材过程重建基准。

[0014] 作为优选，步骤1)中，设定层高为h，层高误差范围h±Δh由基础工艺实验得出并制成的表中查询得到。

[0015] 作为优选，步骤2)中，取误差上限，假定实际层高为h+Δh，基于散点云重建径向基函数预测当前理论零件模型对应的毛坯隐式轮廓函数f1(X)；

[0016] 取误差下限，假定实际层高为h-Δh，基于散点云重建径向基函数预测当前理论零件模型对应的毛坯隐式轮廓函数f2(X)。

[0017] 作为优选，步骤3)中的判断方法为：

[0018] 3-1)对理论零件模型轮廓进行稀疏采样，获得点集P{P1，P2，P3，……，Pn}；

[0019] 3-2)如果 f1(P)≤0且f2(P)≤0，则两种极限误差条件下，所有采样点均在预测出的毛坯轮廓内，如果不满足 f1(P)≤0且f2(P)≤0，则两种极限误差条件下，所有采样点没有全部位于预测出的毛坯轮廓内，其中，满足f1(P)＝0且f2(P)＝0的采样点为位于毛坯轮廓上的点。

[0020] 作为优选，理论零件模型为STL模型。

[0021] 作为优选，步骤1)中还包括确定堆焊增材与切削的初始参数，并将理论零件模型与刀具模型导入到增减材复合制造系统中。

[0022] 作为优选，初始参数包括焊丝材料、焊丝直径、出丝速度、移动速度、焊道间距、毛坯余量以及切削刀具的型号、进给量与转速。

[0023] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：

[0024] 本发明的增减材制造过程累积误差消除方法通过预测两种极限误差下生成的毛坯轮廓是否包络对应的理论零件模型来控制每次增材制造时目标打印层数N，并不断地通过切削消除之前产生的累积误差和为之后的堆焊增材过程重建基准。如果当前毛坯可以包络对应理论模型部分，虽然当前堆焊实际毛坯已存在误差，但仍可继续堆焊打印，而不必通过采用之前堆焊一层切削一层保证每层精度的方法，从而提高了加工效率，缩短零件成型时间。

附图说明

[0025] 图1为，其中(a)为理论零件模型和偏置后的理论毛坯模型，(b)为理论零件模型与实际毛坯模型的包络关系；

[0026] 图2为本发明实施例中增减材制造过程累积误差消除方法的流程图；

[0027] 图3为本发明实施例中两种极限误差条件下的包络边界，其中(a)为理论零件模型和偏置后的理论毛坯模型，(b)为两种极限层高累积误差下预测出的毛坯轮廓与理论零件轮廓的包络关系，(c)为在预测出的包络边界处进行铣削获得新基准，(d)为两种极限层高累积误差下重复预测包络边界建立新基准过程直至整个毛坯加工完成；

[0028] 图4为本发明实施例中薄壁回转圆台模型及预测包络边界位置示意图，其中(a)为进行实验的具体模型，(b)为在误差为-0.9mm的情况下预测出的包络边界的位置及每次堆焊过程需要打印的层数示意图。

具体实施方式

[0029] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

[0030] 实施例

[0031] 参见图2，本实施例的增减材制造过程累积误差消除方法包括以下步骤：

[0032] 步骤S101，确定堆焊增材与干式切削的初始参数，获取待加工的理论零件模型(STL模型)；将理论零件模型与刀具模型导入到增减材复合制造系统。

[0033] 步骤S102，设定增材过程层高，由当前增材过程参数查询实际层高误差范围h±Δh，实际层高误差范围由大量基础工艺实验得出并制成的表查询得到。

[0034] 步骤S103，取误差上限，即假定实际层高为h+Δh，基于散点云重建径向基函数(RBF)预测该极限误差条件下当前理论模型对应的毛坯隐式轮廓函数f1(X)；取误差下限，即假定实际层高为h-Δh，基于散点云重建径向基函数预测该极限误差条件下当前理论模型对应的毛坯隐式轮廓函数f2(X)。

[0035] 步骤S104，对理论零件模型轮廓进行稀疏采样，获得点集P{P1，P2，P3，……，Pn}。

[0036] 步骤S105，判断点集P与当前两种极限误差条件下预测的毛坯轮廓的关系，如果f1(P)≤0且f2(P)≤0，则两种极限误差条件下，所有采样点均在预测出的毛坯轮廓内，执行步骤S106，如果不满足 f1(P)≤0且f2(P)≤0，则两种极限误差条件下，所有采样点没有全部在预测出的毛坯轮廓内，执行步骤S107。

[0037] 步骤S106，两种极限误差条件下，当前理论零件模型可以完全被包络，因此可按照当前参数完成模型的堆焊过程。

[0038] 步骤S107，两种极限误差条件下，当前理论模型只有部分被包络，在两种误差条件下获得的包络边界中，取增材过程先到达的包络边界作为重新建立的基准边界。

[0039] 步骤S108，进行增材堆焊过程打印N层至刚刚越过当前基准边界，即N-1层打印后，形成的毛坯还未越过当前基准边界。

[0040] 步骤S109，当前毛坯被移至铣削工位，铣削当前毛坯至当前重建的基准边界位置，此时之前堆焊过程产生的累积误差(未必是极限累积误差)已被消除，然后返回堆焊工位，并将当前基准边界作为下一个堆焊增材过程执行代码的起点。

[0041] 步骤S110，对当前理论模型进行分割，之后的过程把当前基准边界之后(即未形成毛坯)的理论模型部分作为当前理论模型。并返回步骤S103，至整个待加工理论零件模型完成整个增材工序。

[0042] 本发明的原理可参见图3，图3(a)为理论零件模型和偏置后的理论毛坯模型，根据两种极限误差分别预测对应毛坯轮廓生成散点云，基于散点云重建径向基函数隐式曲面，参见图3(b)，对理论模型进行稀疏点采样获取点集P{P1，P2，P3，……，Pn}，判断点集中的点和隐式曲面的关系，并把毛坯模型恰好不能包络理论模型的地方作为包络边界，之后在堆焊工位进行堆焊过程。当堆焊过程刚刚超过包络边界时即进行铣削至包络边界重新建立基准，参见图3(c)。然后将理论模型进行分割，对未打印成型的理论模型部分预测其毛坯轮廓，并确立新的包络边界，作为第二次堆焊过程完成时刚刚越过的位置，参见图3(d)。以此类推，直至模型加工完成。

[0043] 参见图4，因为极限累积误差在堆焊过程中可遇不可求，所以本实施例对层高误差进行放大处理，并用一个相对精准的层高故意堆焊出第二种极限累积误差情况(即误差向负方向偏移至最大)用于验证此方法的可行性。层高由3.4±0.1mm放大至3.4±0.9mm。误差范围被放大了九倍，所以实际打印时层高的波动可以忽略不计，尤其是在堆焊层数较少的情况下。

[0044] 图4(a)是本次进行实验的具体模型，图4(b)表明了在误差为-0.9mm的情况下预测出的包络边界的位置及每次堆焊过程需要打印的层数。

[0045] 本实施例选用的打印材料为直径1.2mm的瑞典伊萨ER5356铝合金焊丝。设定层高为3.4mm。送丝速度设定为4.0m/min。打印速度设定为0.003m/s。焊道间距设定为6.0mm。高纯度氩气保护气流设定为22L/min。

[0046] 切削刀具为牛鼻刀，直径为10mm，长度为75mm。切削速度为0.01m/s。刀具进给量为每次0.3mm。这些参数将在实验过程中保持不变。

[0047] 由图4(b)可知，进行了3次增减材交替过程用于消除累积误差，即每堆焊打印10层就要铣削一次至新基准，新基准位置分别为31.1mm，62.2mm，93.3mm。