摘要
传统路径规划算法和工艺参数匹配通常采用等距偏移和恒定工艺参数来进行金属零件的熔敷，这种方法在一定程度上限制了WAAM在截面形状具有变宽度特征金属零件上的增材制造能力。为了解决这一问题，本文以截面形状具有变宽度特征的凸轮结构为验证件，提出了基于直骨架提取的变宽度路径规划算法和基于响应曲面法的工艺参数匹配策略。 建立电弧增材制造试验平台，包括：MOTOMAN弧焊机器人、松下YD-500FR熔敷电源和软件控制系统。在该平台上，采用全面试验法，进行工艺参数与熔敷成形尺寸之间的单熔敷道基础实验，获得125组样本数据。 建立了以行走速度（V）、熔敷电流（I）、熔敷电压（U）为输入参数，以熔宽（W）和熔高（H）为输出参数的BP神经网络正向模型。使用验证集对其预测能力进行验证，结果表明：该正向模型具有非常高的预测精度，熔宽R2值为0.993，熔高R2值为0.983。在实际熔敷过程中，需要根据已规划好的熔敷道成形尺寸预测合适的工艺参数，因此，利用神经网络模型逆向预测建立了以熔宽和熔高为输入，工艺参数为输出的熔敷尺寸—工艺参数数据库。 为研究传统路径规划算法熔敷凸轮结构时存在的不足，以CGAL计算几何库为算法内核，编写了平行直线路径规划算法、轮廓偏置路径规划算法、复合路径规划算法，经熔敷后分析可得：传统算法在变宽度零件上会出现阶梯效应、轮廓偏置自相交、沿中轴处无法熔敷而出现孔洞的现象、熔敷效率低下。为此，提出了基于直骨架提取的变宽度路径规划算法，通过直骨架提取、半径函数划分，最终生成路径轨迹，结果表明变宽度路径规划算法生成的路径轨迹能够很好的适应具有变宽度特征的几何图形。 为了解决变宽度路径下工艺参数匹配问题，以高度不变为约束条件，提出了基于响应曲面法的工艺参数匹配策略，旨在通过调整行走速度和熔敷电流来实现熔宽的连续变化。首先，以中心组合设计（centralcompositedesign，CCD）为基础，建立以工艺参数为输入变量，以熔宽和熔高为响应量的响应曲面方程，经统计分析可得：I、V、U、I2和V2对熔敷尺寸具有显著影响且P值均小于0.05。然后，引入工艺参数敏感度分析法，探讨了熔敷工艺参数微小变化对熔敷道尺寸变化的影响程度。结合响应曲面和等高线图，对行走速度和熔敷电流进行耦合分析，发现区域I（随W降低，I、V同时增大）和区域III（随W降低，I、V同时减小）对应的调整方法具有可行性。其次，结合Design-Expert响应优化器，提出工艺参数初始化及连续优化，通过限定熔宽、熔高及工艺参数范围，求解满足条件的行走速度和熔敷电流组合。最终，使用提出的变宽度路径工艺参数匹配策略进行单道多层变宽度验证试验，结果表明：使用区域I对应调整方法的熔敷道成形尺寸从5.5mm变化至8mm，熔敷电流从165A增大至196A，行走速度从5.0mm/s增大至10.9mm/s，而熔高平均误差率为3%；使用区域III对应调整方法的熔敷道成形尺寸从5.0mm变化至7.5mm，熔敷电流从165A降低至100A，行走速度从5.0mm/s降低至3.5mm/s，而熔高平均误差率为1.9%，均在误差要求范围内，因此提出的工艺参数匹配策略能够在熔高不变的约束下，给出最优的行走速度和熔敷电流组合，实现熔宽连续变化。 为进一步验证变宽度路径规划算法和工艺参数匹配策略，在平板上进行多道多层凸轮堆敷试验，共计堆敷8层，高20mm。使用3D扫描仪对成形件表面扫描，经最佳拟合分析及误差分析，由于缺乏支撑力和焊接飞溅的问题，内外轮廓边界处误差可达2~3mm，而轮廓内部区域的误差在1mm左右。通过对凸轮表面作截面A-A、B-B和C-C，可以看出凸轮成形件表明精度良好，验证了变宽度路径规划算法和工艺参数匹配策略在截面具有变宽度特征金属零件上增材制造的有效性。
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