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摘要:隨著3D打印技術的發展，增材再制造技術也成為各類零件缺陷自動修復的手段之一。針對大型鑄件缺陷的修復以人工堆焊為主，存在效率低、對工人傷害大、修復合格率低等缺點。為此，提出了利用3D打印再制造技術對缺陷進行自動修復的工藝方法，即利用視覺系統對工件自動掃描重構工件三維模型，并與標準CAD模型比對，確定缺陷的類型、分布及尺度特征，獲取各損傷部位的3D點云數據，根據缺陷模型自動編程并生成機器人程序，驅動執行機構依次完成各缺陷自動焊接修復。實驗結果表明:工件缺陷重構模型精度在±0.1mm以內，掃描速度為1000mm/min，自動焊接修復工件無焊接缺陷，各項性能指標滿足實際使用要求。
0前言
隨著數字化、智能化、自動化等技術的發展，3D打印技術得到了飛速的發展，特別是最近10年，產品的制造過程基本實現了計算機自動控制［1－2］?，F代產品三維數據模型基本由CAD軟件設計或者利用掃描點云等逆向工程手段獲得。毛坯缺陷修復即可利用增材制造的原理，在獲得修復對象缺陷三維模型數據的基礎上，按照規劃的工藝路徑“自下而上”地逐層累加，直至將缺陷填補完整，也稱為“3D打印自動修復技術”［3－4］。針對金屬零部件增材制造再制造技術，一直是業內公認的最具挑戰性的前沿發展方向之一，也是主要研究難點與熱點［5－6］。金屬增材制造技術主要有粉末熔融及送絲熔融兩種工藝方法［7］，但是粉末熔融由于生產成本高、材料利用率低、使用環境要求高等問題，主要應用于結構復雜、小型單件、對成本不敏感的場合［8］;而送絲熔融則存在材料利用率高、使用環境要求低等優點，適合大型構件的毛坯制造或修復［9－10］。本文作者針對大型鑄件毛坯缺陷的自動修復問題，提出了缺陷部位自動三維建模、自動規劃修復工藝路徑及自動增材制造修復的全新工藝及設備方案，實現了修復過程中除人工上下料之外的全自動化，有效提升了修復過程的自動化、數字化及智能化程度，徹底將工人從惡劣的工作環境中解放出來。
1鑄件缺陷修復工藝分析
大型零件鑄造是國家重大裝備制造的基礎，其質量將直接影響重大項目的進展及實施質量［11］。大型鑄件廣泛應用于風電、水電、核電、化工、船舶、高鐵等領域，其在制造的過程中不可避免地會出現各種各樣的缺陷，從而導致零件性能下降甚至無法使用［12］。當鑄件出現缺陷時，一般可以通過修復解決，而鑄件的缺陷很大一部分是通過焊接的方式進行修復的，這樣既可以挽回大額經濟損失，也可以節約能源及材料。針對大型鑄件缺陷的焊接修復，目前主要以人工修復為主，主要存在如下問題:缺陷焊接修復對工人技術水平要求高，且工作環境惡劣，產生的弧光及有害氣體等對身體傷害很大;由于缺陷一般都較大，故焊接修復時間均較長，會出現一個缺陷多人輪班修復的情況，焊接修復合格率難以保證。針對上述情況，為降低成本、改善工人工作環境、提高焊接修復合格率，提出了利用3D打印再制造技術對缺陷進行自動修復的工藝方法，即利用機器視覺技術對有缺陷的零件掃描，與完好的標準模型做比對，找出缺陷區域并獲得三維數據，根據缺陷模型規劃堆焊路徑，然后利用離線編程技術生成機器人運動程序，最后驅動機器人帶著焊槍對工件的缺陷依次進行修復的工藝方案。采用此工藝方案后，主要技術優勢體現如下:(1)除了人工對工件進行吊裝外，其他均實現了自動化及智能化生產;(2)杜絕因工人技術水平及疲勞等引起的焊接修復質量問題，自動焊接修復成形組織成分均勻、力學性能良好，焊接修復合格率能得到極大提高;(3)杜絕弧光、有害氣體等對人體的傷害;(4)機器替代人工后，能有效解決焊接工人人力資源緊缺問題;(5)該方案適用于各種金屬材料鑄件缺陷的自動修復，應用范圍廣。
2自動修復機器人及視覺系統設計
2.1整體布局方案及結構設計
通過對某企業現有產品尺寸大小、現有場地、吊裝設備等仔細分析對比，設計了如圖1所示的整體布局方案，其三維模型及實物結構如圖2所示。機床采用立式懸臂結構，主要由焊接系統、視覺系統、控制系統、五軸機器人本體等組成。機器人由X、Y、Z3個直線軸及R、W兩個旋轉軸組成。直線軸由伺服電機與滾珠絲杠驅動，直線軸有效行程分別為3000、2000、1000mm;R、W旋轉軸可繞Z軸與X軸擺動，有效行程分別為±335°、±300°。其自動修復工藝流程如下:將有缺陷工件合理置于通用平臺上，調整好機器人X、Y、Z3個軸的位置及視覺系統掃描頭與工件的距離，機器人帶著掃描頭對工件進行掃描，并自動生成缺陷工件的三維模型，然后與完好的理論模型作比對，獲得缺陷的位置及三維形貌數據，控制系統根據缺陷模型按照預定焊接工藝進行堆焊路徑規劃并形成焊接程序，最后，機器人按照焊接程序對工件缺陷一次進行堆焊修復，直至完成工件所有缺陷的修復。
2.2視覺系統設計與實驗
機器視覺是使用最為廣泛的三維建模技術，具有建模速度快、精度高、適用性廣等優點。針對大型鑄件缺陷自動修復的工作環境特點，本文作者采用線結構激光三維視覺建模技術，利用激光線的強光特性克服工廠復雜環境的影響，使用相機對激光線進行拍照來獲取目標工件的三維模型。在獲取工件的三維模型后，通過與標準工件的CAD模型進行對比，確定缺陷的類型、分布及尺度特征，獲取各損傷部位的3D點云數據，用于后續的加工處理。視覺系統具體組成如圖3所示，利用此系統獲得的模型如圖4所示，掃描速度為1000mm/min，模型精度為±0.1mm。
3焊接修復實驗與效果
本文作者利用視覺修復機器人對實驗零件做了修復工藝實驗。由于實驗室吊裝及安全等問題，選擇了較小的工件進行驗證性工藝實驗。工件為某不銹鋼零件，因使用了4年左右，在其板體上產生了凹型坑狀缺陷，如圖5所示;利用視覺修復機器人掃描后得到的點云三維模型與標準CAD模型對比結果如圖6所示;焊接路徑如圖7所示;然后利用機器人按照規劃的工藝路徑進行焊接修復，結果如圖8所示;工件經時效、機械加工、探傷等處理，焊接層無任何氣孔等焊接缺陷，滿足實際使用要求。
4結論
(1)通過對鑄件毛坯缺陷修復工藝的分析，針對現有技術的不足，提出了自動掃描三維重構模型與標準模型比對，確定缺陷的類型、分布及尺度特征，獲取各損傷部位的3D點云數據，然后自動規劃工藝路徑并生產機器人運動程序，最后依次自動焊接修復的工藝與設備方案;(2)通過對企業實際需求分析，設計了由3個直線軸加2個旋轉軸的機器人結構，并利用工業相機加線激光的視覺系統對工件進行實際掃描與標準模型比對，重構缺陷模型尺寸精度在±0.1mm以內，掃描速度為1000mm/min；(3)利用現有實驗設備對缺陷工件進行工藝實驗顯示:缺陷模型尺寸及形位精度均滿足自動焊接要求，自動修復后工件無焊接缺陷，滿足實際使用要求，達到預期成效。
作者:田有貴 單位:安陽職業技術學院冶金工程系