(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202110719310.9 (22)申请日 2021.06.28 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 113496101 A (43)申请公布日 2021.10.12 (73)专利权人 武汉理工大 学 地址 430070 湖北省武汉市洪山区珞狮路 122号 (72)发明人 胡泽启　华林　秦训鹏　倪茂　 纪飞龙　吴强　杨世明　 (74)专利代理 机构 武汉市首臻知识产权代理有 限公司 42 229 专利代理师 章辉 (51)Int.Cl. G06F 30/27(2020.01) G06F 30/23(2020.01)G06T 17/20(2006.01) G06K 9/62(2022.01) (56)对比文件 CN 111037054 A,2020.04.21 CN 111922484 A,2020.1 1.13 CN 112149198 A,2020.12.2 9 CN 109894614 A,2019.0 6.18 CN 111230869 A,2020.0 6.05 CN 112828311 A,2021.0 5.25 CN 106003719 A,2016.10.12 US 2005023763 A1,2005.02.03 Zeqi Hu et al. .Molten pool behavi ors and formi ng appearance of robotic GMAW o n complex surface w ith vari ous weldi ng positions. 《Journal of Manufacturi ng Processes》 .2021,第13 59-1376页. 审查员 邓迪 (54)发明名称 一种复杂曲面全局横焊位姿随形电弧增材 轨迹规划方法 (57)摘要 一种复杂曲面全局横焊位姿随形电弧增材 轨迹规划方法， 包括以下步骤： 将NURBS参数曲面 离散成三维曲面点云； 获得曲面三维点云分块和 聚类中心； 获得简化的边界多边形； 获取通过聚 类中心的等高线； 将等高线在边界多边形内的部 分作为种子轨迹； 计算任意倾角横焊位姿搭接间 距； 以种子轨迹为基线， 以任意倾角横焊位姿搭 接间距作为偏置距离， 计算基线上各点对应的偏 置点， 作为下一条轨迹的关键点， 重复执行， 直至 覆盖各个曲面三维点云分块。 本设计不仅实现了 全局横焊位姿， 保证了熔池的稳定性和焊道形貌 的一致性， 而且通过自适应调整搭接间距， 保证 了曲面横焊不同倾角下均匀一致的表 面波纹度， 提高了曲面随形增材层表面质量。 权利要求书3页 说明书9页 附图6页 CN 113496101 B 2022.06.24 CN 113496101 B 1.一种复杂曲面全局横焊位姿随形电弧增材轨迹规划方法， 其特征在于， 该方法包括 以下步骤： S1、 选取参数增量Δu、 Δv， 将NURBS参数曲面S(u， v)离散成三维曲面点云Pi(x， y， z)， 并 分别计算各个离散点位置的法向矢量ni＝(nx， ny， nz)、 高斯曲率Hi、 平均曲率Ki， 并构建曲面 几何特征点八维样本空间Fi＝(x， y， z， nx， ny， nz， H， K)； S2、 首先采用减法聚类算 法获得点 云分块数量N和初 始聚类中心 ci， 其中， i＝1， 2， …， N， 然后采用模糊C均值聚类算法优化初始 聚类中心的位置， 并获得精确的曲面三维点云分块 (x， y， z)和精确的聚类中心； S3、 根据曲面三维点云分块(x， y， z)对应的二维uv参数分块， 提取二维uv参数点云边 界， 并根据优化得到简化的边界多边形； S4、 先根据离散的三维曲面点 云Pi(x， y， z)， 连接每相邻的四个点构建四边形小面片， 再 计算通过聚类中心的水平面Z＝c与各个四边形小面片的四条边的交点， 然后将两交点连接 形成线段， 并将同一水平面Z＝c上所有的线段按照首尾相连依 次排序， 构成通过聚类中心 的等高线； S5、 根据等高线与边界多边形的交点数量， 将等高线分解为多段， 将在边界多边形内部 的作为种子 轨迹， 在边界多边形之外的部分移除； S6、 根据曲面横焊姿态下采用的焊接参数和曲面局部倾角， 计算任意倾角横焊位姿搭 接间距； S7、 以步骤S5中获得的种子轨迹为基线， 以步骤S6中获得的任意倾角横焊位姿搭接间 距作为偏置距离， 计算基线上各点对应的偏置点， 作为下一条轨迹的关键点， 重复执行， 直 至覆盖各个曲面 三维点云 分块(x， y， z)。 2.根据权利要求1所述的一种复杂曲面全局横焊位姿随形电弧增材轨迹规划方法， 其 特征在于： 步骤S2中， 点云 分块数量 N通过决定系数δ控制， 其中0＜ δ＜1。 3.根据权利要求1所述的一种复杂曲面全局横焊位姿随形电弧增材轨迹规划方法， 其 特征在于： 步骤S3中， 采用Alpha  Shapes算法提取二维uv参数边界多边形； 在二维uv参数平面内， 每相邻的四个点构成一个方格， 方格存在于三个相邻边界多边 形之间， 为三个边界多边形共享， 即四个顶点分别属于三个边界多边形， 称之为三通格， 其 方格中心 点称之为三通点； 方格存在于四个相邻边界多边形之 间， 为四个边界多边形共享， 即四个顶点分别属于四个边界多边形， 称之为四通格， 其方格中心称之为四通点； 位于二 维 uv参数平 面四个角上的方格顶点称之为角顶 点， 位于二 维uv参数平面边界上且为两边界多 边形所共有称之为 边缘点； 依次连接曲面三维点云分块(x， y， z)中的三通点、 四通点、 角顶点、 边缘点， 获得简化的 边界多边形。 4.根据权利要求1所述的一种复杂曲面全局横焊位姿随形电弧增材轨迹规划方法， 其 特征在于： 步骤S4中， 水平面Z＝c与线段{(X1， Y1， Z1)， (X2， Y2， Z2)}的交点 通过式(1)计算：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 113496101 B 2式(1)中， Xc为交点的X坐标值； Yc为交点的Y坐标值； λ为系数。 5.根据权利要求1所述的一种复杂曲面全局横焊位姿随形电弧增材轨迹规划方法， 其 特征在于： 步骤S5中， 先将种子轨迹映射至二 维uv参数平 面， 再通过NURBS曲线进 行拟合， 然 后通过等弓高误差方法离散， 获得满足离散精度 ε＝0.01要求的离散点， 以该离散点序列作 为当前种子 轨迹。 6.根据权利要求1所述的一种复杂曲面全局横焊位姿随形电弧增材轨迹规划方法， 其 特征在于： 步骤S5中， 在二维uv参数平面内， 计算等高线与边界多边形的相交情况， 当存在 端点在边界多边形内部时， 延长端点线段至与边界相交。 7.根据权利要求1所述的一种复杂曲面全局横焊位姿随形电弧增材轨迹规划方法， 其 特征在于： 步骤S6中， 任意 倾角横焊位姿搭接间距dS通过式(2)计算： 式(2)中， ηS为相邻焊道间搭接率； WHR为焊道宽高比， WHR＝BW/BH， BW为焊道宽度， BH为 焊道高度； Δw 为不同倾角下焊道最高点偏移量。 8.根据权利要求7所述的一种复杂曲面全局横焊位姿随形电弧增材轨迹规划方法， 其 特征在于： 步骤S 6中， 通过中心复合 实验设计进行四因素五水平共计31组实验， 获得不同的 参数下焊道宽度BW、 焊道高度BH、 焊道宽高比WHR以及不同倾角下焊道 最高点偏移 量Δw， 并 通过响应面分析 方法得到二阶回归函数的预测公式： 式(3)、 式(4)、 式(5)中， WFS为送丝速度； AV为焊接电压； TTS为焊接速度； α为曲面局部 倾角。 9.根据权利要求1所述的一种复杂曲面全局横焊位姿随形电弧增材轨迹规划方法， 其 特征在于： 步骤S7中， 基线上 各点对应的偏置点 通过式(6)计算：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 113496101 B 3