激光增材-随形滚压复合的路径规划方法、设备及介质与流程

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1.本技术涉及激光增材制造领域，尤其涉及一种激光增材-随形滚压复合的路径规划方法、设备及介质。

背景技术：

2.增材制造技术基于离散-堆叠的思想，将三维零件转换为一层层二维形状，从无到有地填充堆积成形零件。目前，金属增材制造领域主流技术路线分为激光熔覆增材、电弧送丝增材、激光/电子束铺粉增材等。其中，激光熔覆增材以激光为热源，将金属粉末或丝材送入到熔池中，熔化凝固形成焊道，多道搭接进而成形零件。相比于其他技术，激光熔覆增材兼顾高效率和较高的成形精度，且能够精确地控制成形过程中的各项工艺参数，在航空航天、国防军工、海洋舰船等领域具有广阔的应用前景。
3.然而，增材制造件的力学性能往往低于锻件指标，难以满足实际使用需求，特别是承力结构件的要求。为了突破增材制造件的性能瓶颈，研究者们尝试将传统锻造工艺引入到增材过程中。但是，在熔覆-滚压复合成形过程中，为保证滚压区域能在具有一定温度时被挤压加工，需要将熔覆头倾斜一定角度以保证熔池到压辊的距离尽可能小，进而保证轧制区域的温度。但与此同时，熔覆头倾斜加工时带来的熔覆道“头高尾低”现象愈加严重，进而导致零件内外轮廓的熔覆道由于一侧缺乏已打印实体支撑，从而发生流淌，造成零件边界高度低于预期高度，且压辊无法轧制边界处焊道。此外，高度误差积累到一定程度后，边界处完全无法继续成形，边界塌陷会进一步向内部延伸，零件尺寸小于预期尺寸，甚至无法完成打印。因此，目前的熔覆-滚压成形方法存在零件的成形质量低的问题。

技术实现要素：

4.本技术的主要目的在于提供一种激光增材-随形滚压复合的路径规划方法、设备及介质，旨在解决熔覆-滚压成形过程制造出的零件成形质量低的问题。
5.为实现上述目的，本技术提供一种激光增材-随形滚压复合的路径规划方法，该方法包括：
6.获取待成形零件的分层轮廓，根据预设的偏移距离在所述分层轮廓中划分出轮廓轨迹；
7.确定所述轮廓轨迹的外接包围区域，根据所述轮廓轨迹在所述外接包围区域中的投影参数获取成形方向变换策略；
8.根据所述投影参数以及预设的间距参数在所述轮廓轨迹内构建直线填充轨迹；
9.根据所述成形方向变换策略将所述轮廓轨迹和所述直线填充轨迹组合为实际成形轨迹，以供成形设备根据所述实际成形轨迹进行复合成形。
10.可选地，所述获取待成形零件的分层轮廓，根据预设的偏移距离在所述分层轮廓中划分出轮廓轨迹的步骤包括：
11.获取所述待成形零件的三维模型，对所述三维模型进行分层切片处理，得到所述
分层轮廓；
12.以所述偏移距离为基准，将所述分层轮廓向内侧区域移动，得到所述轮廓轨迹。
13.可选地，所述确定所述轮廓轨迹的外接包围区域，根据所述轮廓轨迹在所述外接包围区域中的投影参数获取成形方向变换策略的步骤包括：
14.确定所述轮廓轨迹的方向包围盒，以及所述方向包围盒的短边方向；
15.将所述轮廓轨迹的每条边分别投影至所述短边方向，得到各短边投影长度；
16.根据所述各短边投影长度与预设的长度阈值之间的关系确定所述成形方向变换策略。
17.可选地，所述根据所述各短边投影长度与预设的长度阈值之间的关系确定所述成形方向变换策略的步骤包括：
18.若所述各短边投影长度中存在小于所述长度阈值的短边投影长度，则使用头尾互换策略；
19.若所述各短边投影长度中不存在小于所述长度阈值的短边投影长度，则使用十字交叉策略。
20.可选地，所述根据所述投影参数以及预设的间距参数在所述轮廓轨迹内构建直线填充轨迹的步骤包括：
21.获取所述投影参数中的轮廓投影长度，以及所述间距参数中的轮廓间距和第一轨迹间距；
22.在所述轮廓投影长度的范围内，以所述轮廓轨迹为边界，根据所述轮廓间距构建边界直线轨迹；
23.以所述边界直线轨迹为基准，根据所述第一轨迹间距均匀划分出内部直线轨迹。
24.可选地，在所述根据所述投影参数以及预设的间距参数在所述轮廓轨迹内构建直线填充轨迹的步骤之后，还包括：
25.在检测到所述轮廓投影长度发生变化时，保持所述轮廓间距不变，改变所述第一轨迹间距，得到第二轨迹间距；
26.若所述第二轨迹间距超过预设的间距阈值，则改变所述直线填充轨迹的数目或所述轮廓间距，使所述轮廓投影长度的残余间距不超过预设的残余间距阈值。
27.可选地，所述根据所述成形方向变换策略将所述轮廓轨迹和所述直线填充轨迹组合为实际成形轨迹的步骤包括：
28.确定所述分层轮廓中的轮廓起始层，以及所述轮廓起始层中的第一轮廓起点，根据预设的起点变换规则在所述轮廓起始层的相邻层中选择第二轮廓起点，直至所有分层轮廓的轮廓起点位置确定；
29.获取所述轮廓起始层中直线填充轨迹的第一成形方向，根据所述第一成形方向和所述成形方向变换策略设置所述轮廓起始层的相邻层的第二成形方向，直至所有分层轮廓的成形方向确定；
30.在每个分层轮廓中，以所述轮廓起点位置为初始成形点位置，沿所述成形方向将所述轮廓轨迹和所述直线填充轨迹连接组成所述实际成形轨迹。
31.可选地，在所述根据所述成形方向变换策略将所述轮廓轨迹和所述直线填充轨迹组合为实际成形轨迹的步骤之后，还包括：
32.若检测到所述成形设备运行至所述直线填充轨迹，则获取所述成形设备的机器人倾斜参数，对所述机器人倾斜参数进行轨迹坐标变换，得到轨迹坐标参数，根据所述轨迹坐标参数控制所述成形设备的机床运动；
33.若检测到所述成形设备运行至所述轮廓轨迹，则获取所述轮廓轨迹中轨迹点的空间方向参数，将所述空间方向参数转换为旋转角度参数，根据所述旋转角度参数和控制所述成形设备的机器人运动。
34.此外，为实现上述目的，本技术还提供一种电子设备，所述电子设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的激光增材-随形滚压复合的路径规划程序，所述激光增材-随形滚压复合的路径规划程序配置为实现如上文所述的激光增材-随形滚压复合的路径规划方法的步骤。
35.此外，为实现上述目的，本技术还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有激光增材-随形滚压复合的路径规划程序，所述激光增材-随形滚压复合的路径规划程序被处理器执行时实现如上文所述的激光增材-随形滚压复合的路径规划方法的步骤。
36.本技术提供的激光增材-随形滚压复合的路径规划方法、设备及介质，获取待成形零件的分层轮廓，根据预设的偏移距离在所述分层轮廓中划分出轮廓轨迹，确定所述轮廓轨迹的外接包围区域，根据所述轮廓轨迹在所述外接包围区域中的投影参数获取成形方向变换策略，根据所述投影参数以及预设的间距参数在所述轮廓轨迹内构建直线填充轨迹，根据所述成形方向变换策略将所述轮廓轨迹和所述直线填充轨迹组合为实际成形轨迹，以供成形设备根据所述实际成形轨迹进行复合成形，在零件净尺寸区域构造直线填充轨迹进行激光熔覆-随形滚压复合成形填充，保证了焊道能够得到完全滚压，从而大幅提高零件内部组织致密度和综合力学性能，通过轮廓轨迹自由熔积扫描消除和改善边界流淌现象，保证了轮廓精度和表面平整度，还使用成形方向变换策略逐层变换熔覆和滚压的焊道方向，减小零件的翘曲变形，故提高了零件的成形质量。
附图说明
37.图1为本技术实施例方案涉及的硬件运行环境的电子设备的结构示意图；
38.图2为本技术激光增材-随形滚压复合的路径规划方法第一实施例的流程示意图；
39.图3a为本技术实施例涉及的待成形零件的三维模型示意图；
40.图3b为本技术实施例涉及的待成形零件的分层轮廓示意图；
41.图4a为本技术实施例涉及的一种直线填充轨迹分布示意图；
42.图4b为本技术实施例涉及的一种直线填充轨迹参数调整示意图；
43.图4c为本技术实施例涉及的又一种直线填充轨迹参数调整示意图；
44.图4d为本技术实施例涉及的另一种直线填充轨迹参数调整示意图；
45.图5为本技术实施例涉及的实际成形轨迹的示意图；
46.图6为本技术激光增材-随形滚压复合的路径规划方法第二实施例的流程示意图；
47.图7为本技术实施例涉及的直线填充轨迹成形过程示意图；
48.图8为本技术实施例涉及的轮廓轨迹成形过程的熔覆头倾斜姿态示意图。
49.本技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
50.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
51.增材制造件的力学性能往往低于锻件指标，难以满足实际使用需求，特别是承力结构件的要求。为了突破增材件的性能瓶颈，研究者们尝试将传统锻造工艺引入到增材过程中。异形压辊(roller)是引入传统锻造工艺的方式之一，在电弧焊成形一层零件后，对焊道进行滚压。对钛合金、铝合金等多种材料的研究结果表明，滚压焊道能够有效减小零件应力集中、细化组织晶粒。此种滚压工艺属于冷轧，金属焊道已经完全冷却凝固。还有将压辊附着在焊后方，二者一同运动，从而在焊道处于半熔融状态时进行滚压，使焊道发生塑性变形的成形方式，仅用很小的压力即可使焊道晶粒细化，消除气孔裂纹等缺陷，其零件力学性能能够达到甚至超过锻件标准。因此，微锻与熔覆复合工艺能够显著提高制件质量。还出现了将激光熔覆头安装于机器人末端，同时以即四轴立式铣床(将铣刀更换为滚压头)为辅助运动平台的熔覆-滚压复合增材制造设备，用于对激光熔覆成形过程的进一步控形控性。在熔覆-滚压复合成形过程中，仍存在“头高尾低”和流淌现象，影响零件的成形质量。
52.本技术的主要技术方案是：获取待成形零件的分层轮廓，根据预设的偏移距离在所述分层轮廓中划分出轮廓轨迹；确定所述轮廓轨迹的外接包围区域，根据所述轮廓轨迹在所述外接包围区域中的投影参数获取成形方向变换策略；根据所述投影参数以及预设的间距参数在所述轮廓轨迹内构建直线填充轨迹；根据所述成形方向变换策略将所述轮廓轨迹和所述直线填充轨迹组合为实际成形轨迹，以供成形设备根据所述实际成形轨迹进行复合成形。
53.参照图1，图1为本技术实施例方案涉及的硬件运行环境的电子设备结构示意图。
54.如图1所示，该电子设备可以包括：处理器1001，例如中央处理器(central processing unit，cpu)，通信总线1002、用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏(display)、输入单元比如键盘(keyboard)，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如无线保真(wireless-fidelity，wi-fi)接口)。存储器1005可以是高速的随机存取存储器(random access memory，ram)存储器，也可以是稳定的非易失性存储器(non-volatile memory，nvm)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。
55.本领域技术人员可以理解，图1中示出的结构并不构成对电子设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
56.如图1所示，作为一种存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及激光增材-随形滚压复合的路径规划程序。
57.在图1所示的电子设备中，网络接口1004主要用于与其他设备进行数据通信；用户接口1003主要用于与用户进行数据交互；本技术电子设备中的处理器1001、存储器1005可以设置在电子设备中，所述电子设备通过处理器1001调用存储器1005中存储的激光增材-随形滚压复合的路径规划程序，并执行本技术实施例提供的激光增材-随形滚压复合的路径规划方法。
58.本技术实施例提供了一种激光增材-随形滚压复合的路径规划方法，参照图2，图2为本技术一种激光增材-随形滚压复合的路径规划方法第一实施例的流程示意图。
59.本实施例中，所述激光增材-随形滚压复合的路径规划方法包括：
60.步骤s10，获取待成形零件的分层轮廓，根据预设的偏移距离在所述分层轮廓中划分出轮廓轨迹；
61.本技术激光增材-随形滚压复合的路径规划方法可以应用于机器人-机床协同成形设备，在熔覆-滚压复合成形工艺过程中规划机器人和机床的运动路径。机器人-机床协同成形设备可以包括机床、机器人和滚压头，机器人可以为激光熔覆头，熔融态金属从熔覆头中流出至基板处，滚压冷却成形后得到成形好的金属零件。
62.将立体的待成形零件切分为二维的分层轮廓，分层轮廓的堆叠就可以从无到有地形成零件。由于压辊无法轧制轮廓边界处的焊道，可以将轮廓轨迹设置在与分层轮廓相距一定距离的位置，在进行轮廓轨迹的扫描时，避免流淌现象。
63.在一些可行的实施方式中，获取待成形零件的分层轮廓，根据预设的偏移距离在所述分层轮廓中划分出轮廓轨迹的步骤可以包括：
64.步骤a，获取所述待成形零件的三维模型，对所述三维模型进行分层切片处理，得到所述分层轮廓；
65.步骤b，以所述偏移距离为基准，将所述分层轮廓向内侧区域移动，得到所述轮廓轨迹。
66.图3a为待成形零件的三维模型示意图，如图3a所示，可以根据实际需求使用三维模型模拟设计好待成形零件的形状，再将立体的三维模型结构分层切片处理为图3b中所示出的二维分层轮廓，获得分层轮廓的集合s0＝{s
0i
，i＝1，2，...，n}。分层轮廓的所包围的区域为内部区域，将分层轮廓向内侧移动偏移距离dist
i0
，可以得到轮廓轨迹sd＝{s
di
，i＝1，2，...，n}。偏移距离dist
i0
可以为0-2mm。轮廓轨迹中包含多个轨迹点，每个轨迹点可以对应熔覆头的倾斜状态。
67.步骤s20，确定所述轮廓轨迹的外接包围区域，根据所述轮廓轨迹在所述外接包围区域中的投影参数获取成形方向变换策略；
68.在待成形零件的形状复杂度较高时，轮廓轨迹的形状通常也具有不规则的特点，通过外接包围区域，可以使用规则的形状来近似代替轮廓轨迹，比如球体和立方体。轮廓轨迹在外接包围区域中的投影参数可以表示其在不同投影方向上的边长分布，从而根据边长分布情况选择合适的成形方向变换策略，减小零件的各向异性。
69.在一些可行的实施方式中，确定所述轮廓轨迹的外接包围区域，根据所述轮廓轨迹在所述外接包围区域中的投影参数获取成形方向变换策略的步骤可以包括：
70.步骤c，确定所述轮廓轨迹的方向包围盒，以及所述方向包围盒的短边方向；
71.步骤d，将所述轮廓轨迹的每条边分别投影至所述短边方向，得到各短边投影长度；
72.步骤e，根据所述各短边投影长度与预设的长度阈值之间的关系确定所述成形方向变换策略。
73.可以使用方向包围盒(obb，oriented bounding box)作为轮廓轨迹的外接包围区域，反映轮廓轨迹的大致走向，了解轮廓轨迹的长边倾向方向，以减少实际成形轨迹中的短边数量，提升成形效果。obb的计算方法可以为：遍历轮廓轨迹的每条边ek，将轮廓轨迹的其他顶点分别投影到ek所在的直线和垂线方向，计算两个方向上点的最大投影长度wk和hk，计
算矩形面积areak＝wk×hk
，所有边确定的矩形中，面积最小的为最小包围盒obb，它的四个角点是轮廓顶点在两个方向上的最远投影点。obb为矩形，其长度方向为长边方向宽度方向为短边方向短边对零件成形影响较大，可以根据obb计算中保存的每条边分别在长边方向和短边方向的投影长度，由短边投影长度是否超过预设的长度阈值，选择不同的成形方向变换策略。成形方向变换策略可以应用在直线填充轨迹的成形过程中。
74.在一些可行的实施方式中，根据所述各短边投影长度与预设的长度阈值之间的关系确定所述成形方向变换策略的步骤可以包括：
75.步骤e1，若所述各短边投影长度中存在小于所述长度阈值的短边投影长度，则使用头尾互换策略；
76.步骤e2，若所述各短边投影长度中不存在小于所述长度阈值的短边投影长度，则使用十字交叉策略。
77.可以将初始扫描方向设置为那么根据obb计算中得到的各短边投影长度，如果存在方向上的投影长度小于预设的长度阈值len
min
的边，则可以采用头尾互换策略，即依次沿和两个方向成形轨迹。否则，采用十字交叉策略，即依次沿四个方向成形轨迹。
78.步骤s30，根据所述投影参数以及预设的间距参数在所述轮廓轨迹内构建直线填充轨迹；
79.在轮廓轨迹内部可以使用直线填充轨迹进行熔覆-滚压复合成形，直线填充轨迹之间互相平行，每个分层轮廓中的直线轨迹与相邻层互不相同，形成的焊道方向逐层变换，可以减小零件的各向异性以及翘曲变形。每条直线填充轨迹之间的间距，直线填充轨迹和轮廓轨迹之间的间距由预设的间距参数决定。可以通过调节间距参数和直线填充轨迹的条数使直线填充轨迹在轮廓轨迹中均匀分布。
80.在一些可行的实施方式中，根据所述投影参数以及预设的间距参数在所述轮廓轨迹内构建直线填充轨迹的步骤可以包括：
81.步骤f，获取所述投影参数中的轮廓投影长度，以及所述间距参数中的轮廓间距和第一轨迹间距；
82.步骤g，在所述轮廓投影长度的范围内，以所述轮廓轨迹为边界，根据所述轮廓间距构建边界直线轨迹；
83.步骤h，以所述边界直线轨迹为基准，根据所述第一轨迹间距均匀划分出内部直线轨迹。
84.在直线填充轨迹的规划过程中，可以先获取间距参数中的轮廓间距df和轨迹间距of，轮廓投影长度轮廓间距表示最外侧直线填充轨迹和轮廓轨迹之间的距离，轨迹间距表示相邻直线填充轨迹之间的距离，第一轨迹间距表示本层的轮廓轨迹中相邻直线填充轨迹之间的距离o
f1
，轮廓投影长度可以为扫描方向上轮廓轨迹的长度，表示扫描方向，扫描方向可以为长边方向或短边方向。根据当前扫描方向以轮廓轨迹sd为初始基准，偏移距离df构造第一条直线与轮廓相交，得到首条直线填充轨迹p1，然后按距离of继续
偏移直线与轮廓相交，直到直线不与轮廓相交，构造填充线段p2，
…
，pn，边界线段pn距离轮廓恰好也为df。如图4a所示，直线填充轨迹满足以下公式1：
85.公式1：w＝2
×df
+(n-2)
×
of。
86.其中，n表示直线填充轨迹的数目，满足
87.在图4a中，对于本层的直线填充轨迹，则满足w＝2
×df1
+(n-2)
×of1
。
88.在一些可行的实施方式中，在根据所述投影参数以及预设的间距参数在所述轮廓轨迹内构建直线填充轨迹的步骤之后，还可以包括：
89.步骤i，在检测到所述轮廓投影长度发生变化时，保持所述轮廓间距不变，改变所述第一轨迹间距，得到第二轨迹间距；
90.步骤j，若所述第二轨迹间距超过预设的间距阈值，则改变所述直线填充轨迹的数目或所述轮廓间距，使所述轮廓投影长度的残余间距不超过预设的残余间距阈值。
91.待成形零件往往不是规则的立体形状，也就意味着每个分层轮廓大小的不一致性。在进行每个分层轮廓中的直线填充轨迹规划时，可以将上一层的已规划的轨迹作为参考基准，当本层的分层轮廓与上一层相同时，直接将上一层的已规划的轨迹作为本层的轨迹，当本层的分层轮廓与上一层不相同时，轮廓投影长度也会发生变化，对直线填充轨迹进行自适应更新，使其可以满足上述公式1。
92.在自适应更新的过程中，可以使用残余间距e评估直线填充轨迹规划的合理性。残余间距e的表达式如下公式2：
93.公式2：e＝w-2
×df-n
×
of。
94.轨迹间距应满足预设的轨迹间距阈值范围[of′
，o
f*
]。如果那么更新否则，缩小轨迹间距，对上述o
ff
值进行进一步判断，如果o
ff
≥of′
，则更新of＝o
ff
，增加一条直线轨迹；否则，更新of＝of′
，n，e，增加直线轨迹数目，减小两侧直线轨迹与轮廓轨迹距离。
[0095]
结合附图对上述自适应更新进行举例说明。将图4a作为已规划好的直线填充轨迹，可以看出在图4a中，满足d
f1
＝df，o
f1
＝of，直线填充轨迹的数目n＝3。先对第一轨迹间距进行调整，如图4b所示，增大轨迹间距，保证与轮廓间距不变，即有d
f2
＝df，o
f2
》of。若增大后的轨迹间距o
f2
》o
f*
，超出阈值，则需要增加一条轨迹以减小轨迹间距，如图4c调整后，d
f3
＝df，o
f3
《of，n＝4。但是，如果o
f3
《of′
，轨迹间距过小，会造成焊道隆起，此时需要以最小间距构造内部直线轨迹，而减小边界轨迹间距，如图4d所示，即d
f4
《df，o
f4
＝of′
。残余间距小于残余间距阈值可以作为自适应更新完成的依据，在理想情况下，残余间距为零。
[0096]
步骤s40，根据所述成形方向变换策略将所述轮廓轨迹和所述直线填充轨迹组合为实际成形轨迹，以供成形设备根据所述实际成形轨迹进行复合成形。
[0097]
在实际的零件成形过程中，轮廓轨迹和直线填充轨迹可以分布成形，直线填充轨
迹的成形顺序可以在轮廓轨迹之前。实际成形轨迹包含了待成形零件所需的所有轨迹路径以及轨迹路径方向，也即实际成形轨迹可视为轨迹向量的集合。轮廓轨迹和直线填充轨迹均具有起始点、成形方向和成形路径这些轨迹路径参数。可以根据上述轨迹路径参数将轮廓轨迹和直线填充轨迹组合为实际成形轨迹，熔覆头、滚压头和机床协同作业进行复合成形。
[0098]
在一些可行的实施方式中，根据所述成形方向变换策略将所述轮廓轨迹和所述直线填充轨迹组合为实际成形轨迹的步骤可以包括：
[0099]
步骤l，确定所述分层轮廓中的轮廓起始层，以及所述轮廓起始层中的第一轮廓起点，根据预设的起点变换规则在所述轮廓起始层的相邻层中选择第二轮廓起点，直至所有分层轮廓的轮廓起点位置确定；
[0100]
步骤m，获取所述轮廓起始层中直线填充轨迹的第一成形方向，根据所述第一成形方向和所述成形方向变换策略设置所述轮廓起始层的相邻层的第二成形方向，直至所有分层轮廓的成形方向确定；
[0101]
步骤n，在每个分层轮廓中，以所述轮廓起点位置为初始成形点位置，沿所述成形方向将所述轮廓轨迹和所述直线填充轨迹连接组成所述实际成形轨迹。
[0102]
轮廓起始层可以为分层轮廓中的任意一层，在实际情况中，可以将位于最顶层的分层轮廓作为起始轮廓层，第一轮廓起点为起始轮廓层的成形起点，可以随机设置。预设的起点变换规则可以为角度变换规则或距离变换规则。角度变换规则可视为以第一轮廓起点为起点，第一轮廓起点所在边为起始边，起始边旋转预设变换角度后与某条边相交得到交点，此交点在相邻层中相应位置则为第二轮廓起点。预设变换角度可以为30
°
。距离变换规则可以为以第一轮廓起点为起始点，沿起始点所在的边长方向移动预设变换距离之后得到交点，此交点在相邻层中的对应位置则为第二轮廓起点。从轮廓起始层开始，每个相邻层依次重复上述变换步骤，可以在所有分层轮廓中确定轮廓轨迹的轮廓起点。轮廓起点层层错开，避免了始终在同一位置开始打印，减小了应力集中和起点焊道突起。
[0103]
在轮廓起始层中，直线填充轨迹规划完成后，成形方向为沿直线方向，起始端可以为直线填充轨迹与轮廓轨迹相交的任意一端，相邻层的成形方向按照成形方向变换策略确定。最终分层轮廓中的相邻层成形方向各不相同，且采用的十字交叉策略，在成形过程中逐层变换熔覆和滚压的焊道方向，可有效减小制件的各向异性，以及零件翘曲变形。轮廓轨迹通常为闭合形状，轮廓起点位置确定后，轮廓轨迹的成形方向可以与直线填充轨迹的成像方向相同，如此，起始点、成形方向和成形路径得以确定，轮廓轨迹和直线填充轨迹连接形成实际成形轨迹。图5为实际成形轨迹的示意图，在图5中，左侧待成形零件使用十字交叉策略，右侧待成形零件使用头尾交换策略，图中的箭头方向表示成形方向，实心圆点表示轮廓起点。
[0104]
直线填充轨迹中还可以插入加速点，在加速段成形设备高速成形，可以减小直线填充轨迹起始阶段的凸起。加速点的设置位置可以参见图4a，m表示加速点，s表示起始点，e表示结束点，在sm段以1.3-1.5倍正常成形速度运行，me段以正常成形速度运行，正常成形速度可以为400-1000mm/min，sm段的距离可以设置为3-5mm。
[0105]
在本实施例中，获取待成形零件的分层轮廓，根据预设的偏移距离在所述分层轮廓中划分出轮廓轨迹，确定所述轮廓轨迹的外接包围区域，根据所述轮廓轨迹在所述外接
包围区域中的投影参数获取成形方向变换策略，根据所述投影参数以及预设的间距参数在所述轮廓轨迹内构建直线填充轨迹，根据所述成形方向变换策略将所述轮廓轨迹和所述直线填充轨迹组合为实际成形轨迹，以供成形设备根据所述实际成形轨迹进行复合成形，在零件净尺寸区域构造直线填充轨迹进行激光熔覆-随形滚压复合成形填充，保证了焊道能够得到完全滚压，从而大幅提高零件内部组织致密度和综合力学性能，通过轮廓轨迹自由熔积扫描消除和改善边界流淌现象，保证了轮廓精度和表面平整度，还使用成形方向变换策略逐层变换熔覆和滚压的焊道方向，减小零件的翘曲变形，故提高了零件的成形质量。
[0106]
进一步的，在本技术激光增材-随形滚压复合的路径规划方法的第二实施例中，参照图6，该方法包括：
[0107]
步骤s50，若检测到所述成形设备运行至所述直线填充轨迹，则获取所述成形设备的机器人倾斜参数，对所述机器人倾斜参数进行轨迹坐标变换，得到轨迹坐标参数，根据所述轨迹坐标参数控制所述成形设备的机床运动；
[0108]
除实际成形轨迹之外，成形设备在运行成形轨迹的过程中具有不同的姿态参数，控制机器人和机床协同作业。图7为直线填充轨迹成形过程示意图，如图7所示，机器人倾斜一定的角度，运行至距离滚压头距离为distr的位置，滚压头-熔覆头朝向和距离固定不变。机器人倾斜参数可以包括倾斜角度、朝向和滚压头-熔覆头之间的距离。根据滚压头-熔覆头朝向，轨迹进行坐标变换，得到轨迹坐标参数，即机床坐标系下的旋转角度和坐标点位置，机床转台根据旋转角度旋转至指定位置，机床基座按坐标点位置运动，机器人保持静止。轨迹坐标变换使用的公式如下公式3：
[0109]
公式3：
[0110]
其中，x、y和z分别表示坐标系中的三个坐标轴，旋转角度θ由直线填充轨迹的方向和滚压头-熔覆头方向之间的夹角确定，参照以下公式4：
[0111]
公式4：
[0112]
其中，δ＝
±
1，确定了机床转台沿逆时针(1)或顺时针(-1)方向。
[0113]
成形直线轨迹时，熔覆头倾斜一定角度，从而能够靠近滚压头，保持较小的滚压距离，倾斜角度可在10
°‑
30
°
区间调整，滚压距离可以在25mm-40mm区间调整。
[0114]
步骤s60，若检测到所述成形设备运行至所述轮廓轨迹，则获取所述轮廓轨迹中轨迹点的空间方向参数，将所述空间方向参数转换为旋转角度参数，根据所述旋转角度参数和控制所述成形设备的机器人运动。
[0115]
成形轮廓轨迹sd时，可以设置安全距离dist
safe
，机器人和机床同步移动安全距离，熔覆头远离滚压头，然后变换回竖直状态。安全距离的设置范围可以为150-250mm。机器人按轮廓轨迹sd指示的位置和姿态运动，机床静止。完成一层的轨迹成形后，机器人和滚压头抬高，重复上述运动打印后续分层轮廓层。空间方向参数可以包括轨迹点内角平分方向和
轨迹点坐标。轮廓轨迹sd中每个点的熔覆头倾斜方向可视为由竖直方向绕点的轨迹切方向旋转一定角度得到，可以按如下公式5计算：
[0116]
公式5：
[0117]
其中，是竖直方向，是点的内角平分线方向，是旋转角度。
[0118]
根据向量转欧拉角的计算方法，计算机器人从竖直姿态旋转至倾斜姿态，需要的空间直角坐标系下的三个轴的旋转角度abc，上述abc即为旋转角度参数，按如下公式6计算：
[0119]
公式6：
[0120]
图8为轮廓轨迹成形过程的熔覆头倾斜姿态示意图，如图8所示，对于轮廓轨迹，在每个点处构造局部坐标系o
′
x
′y′z′
，z
′
轴与全局坐标系z轴相同，y
′
轴为顶点的内角平分线，x
′
轴由y
′
、z
′
向量叉乘得到，熔覆头初始为竖直姿态，即z轴方向，将熔覆头绕局部x
′
轴旋转θ角度，可以在20
°‑
45
°
之间，根据工艺参数调整。然后，根据向量转欧拉角转换公式计算出机器人abc三个姿态值。
[0121]
在本实施例中，在机器人-机床双通道协同平台上，针对不同成形轨迹的成形特点控制机器人和机床的协同作业，实现了金属零件的激光熔覆-随形滚压复合成形，基于几何轨迹，高效且合理地规划了机器人和机床运动路径，避免干涉。
[0122]
本技术实施例还提供一种电子设备，所述电子设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的激光增材-随形滚压复合的路径规划程序，所述激光增材-随形滚压复合的路径规划程序配置为实现如上文所述的激光增材-随形滚压复合的路径规划方法的步骤。本技术实施例电子设备的具体实施方式参见上述激光增材-随形滚压复合的路径规划方法各实施例，在此不再赘述。
[0123]
本技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有激光增材-随形滚压复合的路径规划程序，所述激光增材-随形滚压复合的路径规划程序被处理器执行时实现如上文所述的激光增材-随形滚压复合的路径规划方法的步骤。本技术实施例计算机可读存储介质的具体实施方式参见上述激光增材-随形滚压复合的路径规划方法各实施例，在此不再赘述。
[0124]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
[0125]
上述本技术实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0126]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上所述的一个
存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述的方法。
[0127]
以上仅为本技术的优选实施例，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。

技术特征：

1.一种激光增材-随形滚压复合的路径规划方法，其特征在于，所述激光增材-随形滚压复合的路径规划方法包括以下步骤：获取待成形零件的分层轮廓，根据预设的偏移距离在所述分层轮廓中划分出轮廓轨迹；确定所述轮廓轨迹的外接包围区域，根据所述轮廓轨迹在所述外接包围区域中的投影参数获取成形方向变换策略；根据所述投影参数以及预设的间距参数在所述轮廓轨迹内构建直线填充轨迹；根据所述成形方向变换策略将所述轮廓轨迹和所述直线填充轨迹组合为实际成形轨迹，以供成形设备根据所述实际成形轨迹进行复合成形。2.如权利要求1所述的激光增材-随形滚压复合的路径规划方法，其特征在于，所述获取待成形零件的分层轮廓，根据预设的偏移距离在所述分层轮廓中划分出轮廓轨迹的步骤包括：获取所述待成形零件的三维模型，对所述三维模型进行分层切片处理，得到所述分层轮廓；以所述偏移距离为基准，将所述分层轮廓向内侧区域移动，得到所述轮廓轨迹。3.如权利要求1所述的激光增材-随形滚压复合的路径规划方法，其特征在于，所述确定所述轮廓轨迹的外接包围区域，根据所述轮廓轨迹在所述外接包围区域中的投影参数获取成形方向变换策略的步骤包括：确定所述轮廓轨迹的方向包围盒，以及所述方向包围盒的短边方向；将所述轮廓轨迹的每条边分别投影至所述短边方向，得到各短边投影长度；根据所述各短边投影长度与预设的长度阈值之间的关系确定所述成形方向变换策略。4.如权利要求3所述的激光增材-随形滚压复合的路径规划方法，其特征在于，所述根据所述各短边投影长度与预设的长度阈值之间的关系确定所述成形方向变换策略的步骤包括：若所述各短边投影长度中存在小于所述长度阈值的短边投影长度，则使用头尾互换策略；若所述各短边投影长度中不存在小于所述长度阈值的短边投影长度，则使用十字交叉策略。5.如权利要求1所述的激光增材-随形滚压复合的路径规划方法，其特征在于，所述根据所述投影参数以及预设的间距参数在所述轮廓轨迹内构建直线填充轨迹的步骤包括：获取所述投影参数中的轮廓投影长度，以及所述间距参数中的轮廓间距和第一轨迹间距；在所述轮廓投影长度的范围内，以所述轮廓轨迹为边界，根据所述轮廓间距构建边界直线轨迹；以所述边界直线轨迹为基准，根据所述第一轨迹间距均匀划分出内部直线轨迹。6.如权利要求5所述的激光增材-随形滚压复合的路径规划方法，其特征在于，在所述根据所述投影参数以及预设的间距参数在所述轮廓轨迹内构建直线填充轨迹的步骤之后，还包括：在检测到所述轮廓投影长度发生变化时，保持所述轮廓间距不变，改变所述第一轨迹
间距，得到第二轨迹间距；若所述第二轨迹间距超过预设的间距阈值，则改变所述直线填充轨迹的数目或所述轮廓间距，使所述轮廓投影长度的残余间距不超过预设的残余间距阈值。7.如权利要求1所述的激光增材-随形滚压复合的路径规划方法，其特征在于，所述根据所述成形方向变换策略将所述轮廓轨迹和所述直线填充轨迹组合为实际成形轨迹的步骤包括：确定所述分层轮廓中的轮廓起始层，以及所述轮廓起始层中的第一轮廓起点，根据预设的起点变换规则在所述轮廓起始层的相邻层中选择第二轮廓起点，直至所有分层轮廓的轮廓起点位置确定；获取所述轮廓起始层中直线填充轨迹的第一成形方向，根据所述第一成形方向和所述成形方向变换策略设置所述轮廓起始层的相邻层的第二成形方向，直至所有分层轮廓的成形方向确定；在每个分层轮廓中，以所述轮廓起点位置为初始成形点位置，沿所述成形方向将所述轮廓轨迹和所述直线填充轨迹连接组成所述实际成形轨迹。8.如权利要求1-7任一项所述的激光增材-随形滚压复合的路径规划方法，其特征在于，在所述根据所述成形方向变换策略将所述轮廓轨迹和所述直线填充轨迹组合为实际成形轨迹的步骤之后，还包括：若检测到所述成形设备运行至所述直线填充轨迹，则获取所述成形设备的机器人倾斜参数，对所述机器人倾斜参数进行轨迹坐标变换，得到轨迹坐标参数，根据所述轨迹坐标参数控制所述成形设备的机床运动；若检测到所述成形设备运行至所述轮廓轨迹，则获取所述轮廓轨迹中轨迹点的空间方向参数，将所述空间方向参数转换为旋转角度参数，根据所述旋转角度参数和控制所述成形设备的机器人运动。9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的激光增材-随形滚压复合的路径规划程序，所述激光增材-随形滚压复合的路径规划程序配置为实现如权利要求1至8中任一项所述的激光增材-随形滚压复合的路径规划方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有激光增材-随形滚压复合的路径规划程序，所述激光增材-随形滚压复合的路径规划程序被处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述的激光增材-随形滚压复合的路径规划方法的步骤。

技术总结

本申请公开了一种激光增材-随形滚压复合的路径规划方法、设备及介质，涉及激光增材制造领域，该方法包括：获取待成形零件的分层轮廓，根据预设的偏移距离在所述分层轮廓中划分出轮廓轨迹；确定所述轮廓轨迹的外接包围区域，根据所述轮廓轨迹在所述外接包围区域中的投影参数获取成形方向变换策略；根据所述投影参数以及预设的间距参数在所述轮廓轨迹内构建直线填充轨迹；根据所述成形方向变换策略将所述轮廓轨迹和所述直线填充轨迹组合为实际成形轨迹，以供成形设备根据所述实际成形轨迹进行复合成形。本申请通过轮廓轨迹和直线填充轨迹对待成形零件的尺寸区域进行路径规划，实现了提高金属零件的成形质量的技术效果。现了提高金属零件的成形质量的技术效果。现了提高金属零件的成形质量的技术效果。