一种开源切片路径规划机器人电弧增材制造方法

摘要

本发明公开一种开源切片路径规划机器人电弧增材制造方法，属于先进制造技术领域。本发明所述方法针对现有电弧增材制造系统基于减材制造G代码进行切片和路径规划的不足，使用开源切片和路径规划软件，实现三维模型的分层切片和增材制造路径规划，获得分层切片代码；然后通过自主编程，读取开源软件输出的分层切片和路径规划数据，通过坐标变换和代码编译，转换为机器人控制代码，实现复杂零件的电弧增材制造。

权利要求

1.一种开源切片路径规划机器人电弧增材制造方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

（1）开源切片与路径规划：零件三维模型使用开源切片软件进行切片和路径规划，最终获得二维3D打印的离散切片和路径规划数据，并输出txt格式的代码；

（2）坐标拾取与数据链生成和代码编译：使用文本挖掘编程实现开源切片软件输出的离散切片和路径规划数据txt文件的读取，拾取二维坐标点，在原始数据为二维坐标点的基础上，通过设置Z轴，将坐标点扩展至三维，制成双向循环链表，获得机器人能够识别的增材制造路径代码，最终实现坐标转换及机器人控制代码编译；

（3）将编译后的代码输入工业机器人和弧焊电源控制器，实现工业机器人运动轨迹、运动参数和焊接参数的控制。

2.根据权利要求1所述开源切片路径规划机器人电弧增材制造方法，其特征在于：系统所用的开源切片软件为Cura。

3.根据权利要求1所述开源切片路径规划机器人电弧增材制造方法，其特征在于：步骤（2）所述坐标拾取与数据链生成和代码编译的具体过程为：当当前层数≤设定的总层数，进入当前层入口，设置起弧命令，拾取二维坐标点，在原始数据为二维坐标点的基础上，通过设置Z轴，将坐标点扩展至三维，三维坐标点依次排列，制成双向循环链表，获得机器人能够识别的增材制造路径代码和工艺参数，设置熄弧命令，写入Rapid代码，进入下一层，不断重复该过程；

当当前层数＞设定的总层数时关闭并保存写入的文件，导入机器人控制器，控制机器人运动与焊机运行。

4.根据权利要求1所述开源切片路径规划机器人电弧增材制造方法，其特征在于：步骤（3）所述工业机器人提供手动、自动和手动+自动3种不同的增材制造模式，分别实现单层、自动多层和手动多层电弧增材制造。

说明书

一种开源切片路径规划机器人电弧增材制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种开源切片路径规划机器人电弧增材制造方法，属于先进制造技术领域。

背景技术

[0002] 电弧增材制造是一种以金属焊丝为材料，以电弧为热源，依据三维模型分层切片数据逐层熔化、凝固堆积制备成形件的增材制造方法；其成形制造的核心是在对三维模型分层切片基础上，合理规划焊枪运动路径，实现焊接参数的有效控制。

[0003] 现有的机器人电弧增材方法通过改造数控加工G代码，将刀具进给轨迹改变为焊枪运动轨迹实现增材。但数控加工G代码为自上而下的铣削减材制造路径，与自下而上的增材制造过程完全相反，坐标反转后仍然给电弧增材制造路径规划与控制带来严重不便，其内部填充路径规划存在先天缺陷，限制了电弧增材系统的应用和发展。

[0004] 而现有的零件分层切片和增材制造路径规划软件虽然克服了数控加工G代码的先天性缺陷，但都基于笛卡尔正交坐标系，其代码无法直接应用于机器人控制实现机器人运动轨迹控制和电弧增材。

发明内容

[0005] 本发明的的目的在于提供一种开源切片路径规划机器人电弧增材制造方法，该方法首先使用开源软件实现零件三维模型的分层切片和增材制造路径规划，并输出txt格式代码；然后通过自主编程，在读取识别输出的分层切片和路径规划数据基础上，进行坐标转化和编译，并输入到工业机器人和弧焊电源控制器，实现机器人增材制造路径控制、机器人运动参数和焊接参数设置，完成零件的电弧增材制造，具体包括以下步骤：

[0006] （1）开源切片与路径规划：零件三维模型使用开源切片软件Cura进行切片和路径规划，最终获得二维3D打印的离散切片和路径规划数据，并输出txt格式的代码；这一代码无法直接被工业机器人使用，需要进行坐标转换和编译。

[0007] （2）坐标拾取与数据链生成和代码编译：使用文本挖掘编程实现开源切片软件输出的离散切片和路径规划数据txt文件的读取，拾取二维坐标点，在原始数据为二维坐标点的基础上，通过设置Z轴，将坐标点扩展至三维；三维坐标点依次排列，制成双向循环链表，获得机器人能够识别的增材制造路径代码，最终实现坐标转换及机器人控制代码编译。

[0008] （3）将编译后的代码输入工业机器人和弧焊电源控制器，实现工业机器人运动轨迹、运动参数和焊接参数的控制。

[0009] 本发明步骤（2）所述坐标拾取与数据链生成和代码编译的具体过程为：

[0010] 当当前层数≤设定的总层数，进入当前层入口，设置起弧命令，拾取二维坐标点，在原始数据为二维坐标点的基础上，通过设置Z轴，将坐标点扩展至三维，三维坐标点依次排列，制成双向循环链表，获得机器人能够识别的增材制造路径代码和工艺参数，设置熄弧命令，写入Rapid代码，进入下一层，不断重复该过程；

[0011] 当当前层数＞设定的总层数时关闭并保存写入的文件，导入机器人控制器，控制机器人运动与焊机运行。

[0012] 本发明所述工业机器人提供通过手动模式、自动模式和手动+自动模式设置，为电弧增材制造过程操作和工艺优化提供方便；其中，手动模式实现输入部分软件参数的堆积成形，堆积一层结束后工业机器人停止运行并回到安全位置，用于成形件当前层的质量评价和焊枪位置优化。收到触发指令后可以进行下一层电弧成形；自动模式是在软件设置完整参数后，直接读取路径代码并启动电弧增材过程，直至打印结束；手动+自动混合模式可以在完整参数条件下待一层堆积结束后暂停运行，收到触发指令后继续进行电弧增材过程直至结束当前层打印。

[0013] 本发明的有益效果：

[0014] 本发明解决了现有电弧增材制造使用数控切削加工G代码存着的先天性不足，实现了从下至上的增材制造路径规划；基于文本提取的自主编程实现了开源切片和路径数据的识别读取和坐标转换与编译，并提供了开放的人机交互和机器人及焊接电源控制平台，提出并实现了自主知识产权电弧增材制造新方法。

附图说明

[0015] 图1位开源切片路径规划机器人电弧增材制造方法流程图；

[0016] 图2为实施例1完成的电弧增材制造复杂零件。

具体实施方式

[0017] 下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。实施例

[0018] 本实施例使用ABB IRB1410工业机器人及控制器、Fronius CMT TPS3200焊接电源、VR1550送丝机构、工作台、纯度为99.99%的氩气保护气路搭建电弧增材制造硬件平台。

[0019] 一种开源切片路径规划机器人电弧增材制造方法，具体包括以下步骤：

[0020] （1）开源切片与路径规划：零件三维模型使用开源切片软件Cura进行切片和路径规划，最终获得二维3D打印的离散切片和路径规划数据，并输出txt格式的代码；这一代码无法直接被工业机器人使用，需要进行坐标转换和编译。

[0021] （2）坐标拾取与数据链生成和代码编译：使用文本挖掘编程实现开源切片软件输出的离散切片和路径规划数据txt文件的读取，拾取二维坐标点，在原始数据为二维坐标点的基础上，通过设置Z轴，将坐标点扩展至三维；三维坐标点依次排列，制成双向循环链表，获得机器人能够识别的增材制造路径代码，最终实现坐标转换及机器人控制代码编译。

[0022] （3）增材路径的确定与焊机启停逻辑判断：根据转换编译后的增材路径代码，确立打印层区域，控制焊机启停，确定打印层进出口，确保程序转换后加工路径的一致性。

[0023] （4）工艺参数与增材方式设置：在增材路径确立的基础上，自主编程实现机器人运动参数和焊接电源参数的设置，实现增材制造成形质量控制。

[0024] 自主编程软件系统对开源切片软件输出的增材路径进行坐标转换、代码编译后，输入到工业机器人和弧焊电源控制器，实现机器人增材制造路径控制、机器人运动参数和焊接参数设置。

[0025] 在增材路径确立的基础上，自主编程实现机器人运动参数和焊接电源参数的设置，实现增材制造成形质量控制。

[0026] （5）人机交互：利用自主编程软件将代码输入工业机器人及弧焊电源控制器，实现对焊枪位置和运行状态控制，并将运行参数和信息实时逐层显示在终端，确保增材制造过程的安全性和可控性。

[0027] 本实施例开源切片与路径规划使用开源切片软件Cura完成，获得二维3D打印路径并输出txt格式的代码；坐标拾取与数据链生成及代码编译、增材路径的确定与焊机启停逻辑判断、工艺参数与增材方式设置、人机交互使用Python自主编程实现，最终完成的电弧增材制造复杂零件，如图2所示，其中(a)为零件三维模型 ；(b)为成形后的零件。