基于激光的焊缝几何形貌自动采集及其在有限元分析中的应用

自动化焊接应用广泛，能够实现均匀且可重复的焊缝。然而，目前该技术在多道次焊接过程中缺乏自适应能力，而这一点在手工焊接中可由熟练的技术人员自然完成。通过使用激光扫描仪，本方案可在不造成延迟的情况下对焊接过程进行监测，避免了使用物理量具手动采集焊缝几何参数所带来的耗时问题。

它还能生成沉积过程的数字记录，可用于后续分析。该方案由Meta one实现，Meta one是焊接单元的数字化系统，由曼彻斯特大学开发。

数字孪生技术能够在数字空间中记录和回放的不仅包括成形几何形状，还包括机器人指令、机器人实际运动，以及焊接单元和局部熔池的摄像画面。激光扫描仪需要进行校准，以纠正其与成形基板之间可能存在的任何偏斜或倾斜。在校准过程中，激光扫描仪的数据将被纳入焊接机器人的坐标系中。

快速获取焊缝几何形貌可促进焊道间决策的制定，可能通过机器学习进一步优化，并允许有限元模型使用真实的熔敷几何形貌进行建模。首先，将校准组件以与坐标测量机中原点相同的空间方位放置于焊接舱内。使用激光扫描系统对校准组件进行扫描设置，并记录扫描输出至包含X、Y和Z值的坐标文件中。

使用激光扫描仪测量每个基准球体。对每个球体进行扫描以测量校准部件。通过排除源自基底的点来截断线扫描数据，方法是在已知位置周围对X和Y方向应用圆形掩模，并在Z方向应用阈值。利用滤波后的点集进行最小二乘球面拟合，确定球心坐标。

现在使用配备已知尺寸金属探针的焊接机器人定位校准组件。通过触觉感应程序，使探针在多个位置与每个基准球表面接触。当接触时，低电压电路闭合，通过系统软件记录机器人的位置。

然后将用于接受沉积的基板或母材放入焊接舱内。接着，使用焊接机器人进行一道焊道操作，沿基板表面沉积一条材料。编程控制扫描机器人沿焊道位置对齐的路径移动。

对于简单的直线焊缝，使用与焊接机器人相同的起点和终点，并通过扫描机器人扫描整个板面区域以增强覆盖范围。在扫描头移动经过工件时进行测量。记录扫描路径的起点和终点、机器人的移动速度以及数据采集频率。

确认该频率对应的空间间隔不小于有限元分析中计划的最小单元尺寸。使用 Python 代码将扫描得到的焊道形貌拟合为适当的解析函数。对于单道焊道沉积，采用抛物线函数进行曲线拟合。

将校准过程中使用的相同仿射变换矩阵应用于激光扫描数据。将扫描数据裁剪至覆盖微珠并包含其周围边距的区域。使用基于高度的滤波器去除由反射引起的任何扫描伪影。

然后通过求解平板法向量，对裁剪后的扫描图像中平板的局部区域进行平整化处理，并应用旋转矩阵使平板法向量与垂直轴对齐。旋转微珠，使其与Y轴对齐，以简化后续处理。通过在基板水平略上方应用高度滤波器来检测微珠的方向，并将所得数据用一阶多项式进行拟合，生成表示微珠方向的矢量。

如果焊道不直，可将其划分为若干近似直线的小段。现在裁剪旋转后的区域，去除多余的板面区域，同时在焊道两侧各保留约五毫米的材料。选取焊道中心区域，对该位置的数据截面执行抛物线拟合。

然后利用拟合的抛物线曲线，通过在焊球与基板接触并达到最大高度处的 X 坐标上计算该曲线的值，确定焊球的横向范围。接着，采用类似的阈值高度法评估 Y 坐标，以确定焊球在该方向上的延伸范围。在焊球的两端，将相同的抛物线形状投影到 XY 平面，生成终止轮廓。

通过在覆盖微珠整个跨度的多个 X 和 Y 坐标处计算所有抛物线，来确定微珠的完整轮廓。然后通过指定基底的实际范围或使用预定义尺寸，添加基底基材的几何形状。接着在 FreeCAD 中使用网格化工具，将这组抛物线截面转换为单一的三维实体几何体。

该表面应适用于导入有限元分析环境。将轮廓点转换至原始焊接机器人坐标系中。首先，将焊道重置到新坐标系的原点。

然后应用变换以恢复其在原始坐标系中的位置。利用宏将微珠和基底根据先前计算的几何点导出为 STL 和 step 文件。最后，将完整的几何结构导出为适用于有限元分析的文件格式，例如 INP 格式。

可选地，在 FreeCAD 中使用 NETGEN 网格有限元工具生成网格，采用中等精细度，最大单元尺寸为 0.5 毫米，最小单元尺寸为 0.1 毫米。应用于基准球位置的变换矩阵导致不同坐标系之间的点集出现重叠且视觉上可区分。使用激光扫描仪测量的基准球半径与边缘检测法和坐标测量机技术相比，显示出一致的轻微低估。

激光扫描仪在测定基准球体之间距离时的位置误差范围为1.30毫米至2.05毫米，而三坐标测量机和电子边缘探测的误差均保持在0.1毫米以下。最终的网格化完整焊缝几何形状已成功导入有限元分析软件。