張 弛 ,李宏杰 ,朱彥軍 ,武 帥 ,王安紅
(1.太原科技大學(xué),山西太原030024;2.山西省互聯(lián)網(wǎng)+3D打印協(xié)同創(chuàng)新中心,山西太原030024)
增材制造是制造業(yè)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的一項新興技術(shù),被稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”。其主要過程是:運用計算機軟件設(shè)計立體的加工樣式,通過特定的成型設(shè)備(一般稱“3D打印機”),用液化、粉末化、絲化的固體材料自下而上逐層“打印”出產(chǎn)品。它是通過連續(xù)的物理層疊加,逐層增加材料來生成三維實體的技術(shù),不同于傳統(tǒng)的去除材料加工方法,因此又稱添加制造[1-3]。
MOTOMAN-UP6型弧焊機器人是日本Motoman公司多關(guān)節(jié)工業(yè)機器人,它是一種6自由度的關(guān)節(jié)型機器人,由機器人本體、控制柜XRC、控制面板和電纜線等組成。焊接變位機是一種焊接輔助設(shè)備,可水平翻轉(zhuǎn)角度,通過工作臺的回轉(zhuǎn)及翻轉(zhuǎn)運動使焊縫處于最理想的焊接位置,從而顯著提高焊縫質(zhì)量,減輕焊工勞動強度,尤其適合焊接各種軸類、盤類、筒體等回轉(zhuǎn)工件。在現(xiàn)代加工和制造過程中,焊接變位機已成為一種不可缺少的設(shè)備,其作用越來越突出[4]。
根據(jù)3D打印機的工作原理,基于焊接機器人絲質(zhì)熔融成型方法[5],設(shè)計由焊接機器人與2R旋傾變位機構(gòu)成的焊接系統(tǒng)并應(yīng)用于增材制造領(lǐng)域,減少了示教盒編程的繁瑣過程,且變位機的應(yīng)用使得對工件加工的點定位更加準(zhǔn)確,是快速熔覆制造的新型實現(xiàn)形式。
結(jié)合增材制造(3D打印)技術(shù),設(shè)計由焊機器人與2R旋傾變位機構(gòu)成的焊接系統(tǒng),如圖1所示。
圖1 焊接機器人與變位機焊接系統(tǒng)工作臺Fig.1 Welding robot and positioning machine welding system workbench
MOTOMAN-UP6型弧焊機器人是一種6自由度的關(guān)節(jié)型機器人,機器人本體有 S、L、U、R、B、T 6個可轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)(軸)。其中S、R、T繞平行于紙面的軸轉(zhuǎn)動,L、U、B繞垂直于紙面的軸轉(zhuǎn)動。S(關(guān)節(jié)1)、L(關(guān)節(jié) 2)、U(關(guān)節(jié) 3)、R(關(guān)節(jié) 4)、B(關(guān)節(jié) 5)、T(關(guān)節(jié)6)關(guān)節(jié)的運動參數(shù)如表1所示。
表1 機器人參數(shù)Table 1 Robot parameter
MOTOMAN-UP6機器人主要有關(guān)節(jié)插補MOVJ、直線插補MOVL和圓弧插補MOVC三種軌跡插補方式。
MOTOMAN-UP6型弧焊機器人運用先進的運動控制,大幅提高高速運動時的軌跡精度。機器人動作范圍大、動作速度快、軌跡精度高,在高速弧焊作業(yè)時,控制效果仍較好。
2R旋傾變位機是較常見的一種變位機,其三維實體模型如圖2所示,主要由底座支架、傾軸和卡盤3部分構(gòu)成,底座支架固定不動,傾軸做傾斜旋轉(zhuǎn)運動。
圖2 旋傾變位機結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structural model of rotary tilting positioner
實驗平臺為MOTOMAN-UP6型弧焊機器人、Motoweld-S350焊機、通用焊接變位機。
焊道成形的影響因素很多,如保護氣體流量、噴嘴高度、焊絲直徑、焊接電流、送絲速度、焊接速度等。為了獲取較高質(zhì)量的焊縫,需找出影響焊縫成形的主要因素并進行控制,以便選擇合適的焊接條件,減少不利因素對焊縫成形的不良影響[6-10]。
經(jīng)過大量實驗得出,MOTOMAN-UP6型弧焊機器人的送絲速度與電流有關(guān)。選用直徑1.2mm的藥芯焊絲,氣體流量15 L/min,噴嘴高度12mm,焊接電壓為100%電壓。最終確定焊接電流和焊接速度為影響焊道成形尺寸的主要因素。
根據(jù)焊接電流和焊接速度,共設(shè)計采集25組數(shù)據(jù)。焊接電流為110 A、125 A、140 A、155 A、170 A五組,焊接速度為 40 cm/min、50 cm/min、60 cm/min、70 cm/min、80 cm/min五組,組合成25組。
對25組數(shù)據(jù)進行MATLAB分析,得出焊接電流I和焊接速度v與焊道形狀的幾何關(guān)系,分別如圖3、圖4所示。
由圖3可知,焊接電流與熔寬、余高幾乎都呈線性關(guān)系,焊接電流增大,焊道寬度增加,高度增加。
由圖4可知,焊接速度與熔寬、余高幾乎都呈線性關(guān)系,焊接速度增大,焊道寬度減小,高度減小。
圖3 焊接電流與熔寬和余高的關(guān)系Fig.3 Welding current and the relationship between the width and residual height
圖4 焊接速度與熔寬和余高的關(guān)系Fig.4 Welding speed and the relationship between the width and residual height
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用兩輸入兩輸出模式,輸入層為焊接電流、焊接速度,輸出層為焊道寬度、余高,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)如圖5所示。確定BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)后,利用輸入輸出樣本集對其進行訓(xùn)練,即學(xué)習(xí)和調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值,使網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)給定的輸入輸出映射關(guān)系。
圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of neural network model
程序運行平臺為Matlab2015,BP訓(xùn)練結(jié)果如圖6所示。圖6a為訓(xùn)練均方差收斂曲線,模型的訓(xùn)練誤差在經(jīng)過一定步數(shù)后達到0.001 2。圖6b為訓(xùn)練樣本輸出數(shù)據(jù)線性回歸結(jié)果,線性相關(guān)系數(shù)R為0.997 79,模型擬合效果顯著,模型準(zhǔn)確度較高。
以25組數(shù)據(jù)中前20組數(shù)據(jù)為訓(xùn)練樣本,采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測后5組數(shù)據(jù),結(jié)果如表2所示。
由表2可知,數(shù)據(jù)誤差在合理范圍內(nèi),該預(yù)測模型可行,并正確預(yù)測后面實驗的參數(shù)。
變位機檔位選取5檔,轉(zhuǎn)動周期15 s,線速度75 cm/min。在此基礎(chǔ)上經(jīng)試驗得出,焊接電流130 A的情況下,焊接成形效果好。
通過BP算法預(yù)測在電流130A、速度75cm/min情況下的熔寬和余高分別為4.64mm、1.84mm,用數(shù)字游標(biāo)卡尺測得實際值分別為4.52mm、1.80mm,誤差很小,進一步驗證了該模型的可靠性。
圖6 BP訓(xùn)練結(jié)果Fig.6 BP training results
表2 焊道尺寸實際值與預(yù)測值Table 2 Actual value and prediction value of bead size
在增材制造過程中,隨著層的增加會出現(xiàn)塌陷,因此選取每隔5層電流降低10 A以減小變形。1~5層電流為 130 A,6~10 層電流為 120 A,11~15 層電流為110 A的15層理論數(shù)據(jù)。成型對比如圖7所示。
通過單焊道實驗,分析焊接電流和焊接速度對熔寬和余高的影響,建立焊道成形的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型并驗證其合理性。在單焊道實驗的基礎(chǔ)上進行兩種方法的增材制造實驗,得出結(jié)合變位機方式的成形效果更好,在增材領(lǐng)域具有重要意義。
圖7 實驗成型對比Fig.7 Comparison of experimental molding
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