基于机器人的模具电弧增材再制造路径规划及工艺

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1、中图分类号：TG409论文编号：102870618-SZ039学科分类号：085204硕士学位论文基于机器人的模具电弧增材再制造路径规划及工艺研究生姓名卜星专业类别工程硕士专业领域材料工程指导教师刘仁培教授南京航空航天大学研究生院材料科学与技术学院二О一八年四月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMaterialScienceandTechnologyPathPlanningandProcessDesignofWireandArcAdditiveReman

2、ufacturingusingIndustrialRobotforMouldRepairingAThesisinMaterialsEngineeringbyBuXingAdvisedbyProf.LiuRenpeiSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringApril,2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含

3、为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要热作模具在现代工业中占有重要地位，但因工作环境恶劣导致其损耗率很高，需要通过堆焊的方式对其进行修复，恢复至标准件的尺寸和性能。传统的人工堆焊修复存在劳动量大、工作环境差和修复质量不稳定等问题，难以适应智能化与自动化工业发展需求。为了解决这些问题，本文对电弧增材再制造技术进行研究，使用

4、机器人对模具进行自动堆焊修复。首先，设计并搭建了面向热作模具的电弧增材再制造实验平台，该平台由三维扫描系统、模型处理系统和机器人控制系统组成，将模型处理、路径规划、机器人离线编程和堆焊成形等技术集于一体，能够满足模具因失效形式不同而产生的差异化修复需求。同时，研制出一种用于电弧增材再制造的微渣气保护药芯焊丝，该焊丝既能在机器人连续焊接过程中自动脱渣，又能满足模具修复的性能要求。其次，对IGES格式的三维模型进行路径规划。设计了基于相邻层片面积变化的自适应分层切片算法对模型进行切分，用复合式扫描算法填充层片的轮廓，并在UG/OPENGRIP中实现了路径规划系统的

5、开发。为了让焊枪在模具型腔中处于最佳施焊位置，在路径中加入了焊枪姿态的变换。根据机器人各关节轴之间的相对关系，建立了机器人末端控制器与基坐标系之间的齐次变换矩阵，用欧拉角计算不同姿态下点位的广义坐标值。进一步对药芯焊丝的MIG焊焊接工艺进行研究。通过实验定性分析了焊接工艺参数对单道焊缝成形形貌的影响，获取连续焊接时焊缝熔宽和层间增高量，确定了单层多道焊中最佳路径间距为熔宽的5/9。此外，采用往复堆积法解决多层单道焊中尾部塌陷问题，使用加速法改善了拐角处金属堆叠造成的尺寸差异，提高了堆焊成形的表面精度。最后，对火车衬板的失效模具进行了电弧增材再制造实验。通过三维

6、扫描系统获取待修复部分的数字模型，根据模型的特点和焊接工艺要求，使用路径规划系统对模型进行处理，生成焊枪的移动轨迹和姿态。在对焊接过程进行仿真后，使用机器人进行失效模具的增材再制造实验。实验结果达到了预期的目标，验证了整套系统的可行性，为电弧增材再制造的应用方向提供了新的思路。关键词：电弧增材再制造，模具修复，路径规划，机器人姿态，焊接工艺I基于机器人的模具电弧增材再制造路径规划及工艺AbstractHotworkingdiesarebroadlyutilizedinmanysectionsofthemanufacturingindustry,whichhav

7、ehighrateoflossduetothepoorserviceconditions.Itisnecessarytomakethediestooriginalsizeandperformanceofthestandardcomponentsusingsurfacingrepairing.Thetraditionalmanualsurfacingrepairingisdifficulttoensurehighqualityofrepairing,withtheheavyworkloadandseverworkingconditions,whichcannot

8、meettherequirements