自动化与MATLAB电子束自由形式制作

在国际空间站和其他长期的太空任务,能够取代了部分关键系统可以把潜在的使命失败变成成功。但是宇航员如何制造零件或工具在微重力和数百英里的地球表面?

制造(EBF电子束自由形式³)技术提供了一种可能的解决方案。发明了NASA兰利研究中心,EBF³是一层金属添加剂生产过程,使用电子束能量来源和送丝的股票构建3 d对象通过添加材料(主要是铝和钛合金)层的层。NASA兰利目前的系统是基于一个Sciaky电子束焊机,多年来一直用于工厂(图1 a和1 b)。电子束焊接是适合空间应用,因为他们必须在真空中运作和功能在微重力环境下的骨质流失。

然而,直到最近,甚至制造相对简单的形状使用电子束焊机是一个劳动密集型手工的过程需要密切监督由技术熟练的操作符。在NASA兰利,我们开发了一种控制系统在MATLAB^®完全自动化的过程,能产生复杂的钛和铝组件CAD软件中创建一个3 d表示。

MATLAB的交互式的环境和面向对象的编程特性简化控制开发过程中的每个阶段:开发机器人控制,添加支持阅读形状标准镶嵌语言(STL)文件的数据,并将测量和图像采集功能。金宝app

生成与MATLAB控制代码

在手动EBF³刀位点的过程,一个工程师写指令,计算机数控编程语言。这些指令,例如,打开电子束并设置其强度,开始喂线启动熔池金属的,和移动机器人焊机创建一个金属珠。因为珠子的确切厚度不能预先确定的,工程师必须估计下一层应该开始的地方。如果估计是,工程师必须手动调整在沉积焊接平台的高度。即使有专业技能和知识,这是一个挑战写刀位点和牧羊人的过程来完成更复杂的比任何部分基本的三维形状。

我们自动化这个过程的首要任务是为简化刀位点的创建更复杂的形状,例如orthogrid几何图形用于加强低温坦克的刀位点(图2)。这种结构很难写,特别是代码需要防止过量的物质沉积在十字路口。

我们的解决方案是开发一个MATLAB脚本,该脚本可以自动生成刀位点用于创建复杂对象的描述对象的的兴趣点。给定的描述网格如图2所示,例如,MATLAB脚本生成评论刀位点将梁,设置适当的电源设置,移动机器人通过制造网格所需要的点焊机,然后关掉梁。

从CAD文件制作部分

有些我们制造的形状设计使用CAD软件包,可以导出设计为STL文件。我们的自动化的下一步是使用MATLAB直接读取这些STL文件,然后生成所需的刀位点制造他们定义的形状。

我们写了MATLAB代码解析STL文件获得的3 d表示形状(图3)。然后片形成的代码层厚度约的沉积金属压条的焊机。

例如,给定一个目标1英寸的高度和厚度0.025英寸,MATLAB代码适用于几何计算确定的点上面的平面形状和1英寸的基地将相交(图4)。

MATLAB代码命令这些点到一个逻辑焊机工具路径(图5)和生成刀位点的层。作为我们开发了这段代码,我们用MATLAB可视化三维形状,个人层次,这些层的合成工具路径。

将仪器

在自动化生产过程中刀位点来创建一个任意的三维形状,我们将我们的注意力转向焊接过程。因为它是不可能精确地控制金属压条的高度产生的焊机,每层沉积的厚度可能会有所不同。虽然通常层厚度不同的预期是什么小于0.002英寸,当需要几百层形成一个部分,重复甚至一个小错误在每一层会导致明显的差异部分的高度的设计和它的高度。操作员不能手动调整焊机的高度来纠正这个错误。

我们的解决方案是一个激光测量系统称为顺序水平自动z轴测量,或沙札姆。控制通过仪器控制工具箱™,这个系统将一束激光到部分被制造来确定当前高度。MATLAB代码使用这个值来选择下一片制造的位置。这个基本的反馈控制使我们能够复制原始的设计更准确,减少人工干预的焊工操作符(图6)。

我们的下一个过程改进关注收紧控制珠。具体地说,我们想要自动调整电子束的权力基于熔池的大小的金属在焊接点。存款一个统一的珠子,我们需要减少权力时熔池成为权力太大,增加当游泳池太小了。再一次,这个任务通常由操作员手动处理,并需要大量的经验。

自动化这个过程的一部分,我们建立了一个8位黑白相机拍摄焊接。我们使用图像采集工具™从摄像机导入图像,图像处理工具箱™和模糊逻辑工具箱™以编程方式确定时熔池的大小需要调整。更容易表达机器操作员的经验观测值在模糊逻辑比在一个方程来描述它们。我们可以调整模糊逻辑,直到我们得到我们想要的结果。在我们创建的模糊干扰系统的基础上,用MATLAB代码调整电子束电流通过仪器控制工具箱和一个rs - 232焊机的电脑链接。

装配完整的控制系统

完整的控制系统由一个控制台PC和MATLAB代码,运行的仪表PC和Sciaky的嵌入式计算机控制机器人。插装电脑,MATLAB应用程序称为编排生成STL文件的刀位点。将这段代码发送到控制台PC,代码编译和上传到焊机的嵌入式计算机。然后编排信号开始焊接的焊工。

随着层沉积,MATLAB闭环控制器监控熔池并根据需要调整电子束电流。当层完成,编排指示焊机移动SHAZAM和测量部分的高度。然后将第二片从STL文件基于当前高度,并重复这个过程,直到完成。MATLAB在这一领域的一个关键好处是它能够整合和协调不同的技术,包括刀位点生成软件,焊机,相机和激光测量系统。

开发和维护MATLAB的超过12000行代码,系统包括简化了应用面向对象的编程技术。沙札姆设备,例如,访问被表示为一个对象,通过定义良好的方法等s.open ()和s.measure。面向对象的代码几乎是自我记录,比一组更容易调试散射子程序(图7)。

classdef shazam处理属性lmu %激光测量单元(敏锐度®基于“增大化现实”技术700)Zaber zab %接口®真空额定驱动器w2kOffset % [x y z]向量抵消探针的焊机点%的一组点测量x y z [t] %的结果测量结果portLmu =“com2”;portZab =“com3”;结束函数方法%不是一套完整的方法打开(sha) %为手动操作功能来简化输入%开门盾牌sha.zab.open;结束函数测量(沙,能正常%每一点做一个Z轴测量x = 1:大小(sha.points, 1) %移动上面的调查重点w2k.goto (sha.points (x,:) + sha.w2kOffset);%的X和Y坐标curPos = sha.points (X):);%得到测量(Z) curPos (3) = sha.height;%的记录位置sha.results (x,:) = curPos;端端端端

使用MATLAB我们随时可以交互式地检查任何对象。面向对象的方法也使得系统更容易添加新的功能。我们正在测试一个系统,使用相机来检测问题送丝装置和热电偶监测基板的温度,在制造部分。

我们已经经过考验我们EBF的一个微型版本³焊接系统在美国宇航局的失重飞机。我们也使用这项技术的实际应用。例如,一个航空公司与我们一起工作让我们产生4-pound展示一部分潜在的材料和省力EBF的好处³的过程。部分的形状需要他们开始用钛坯重400磅,这将导致大量的浪费和需要周机器。使用我们的系统,我产生了一个粗略的版本的一部分在一天之内体重仅23磅。从这部分的400磅的块消除两周的加工和减少所需的钛80%以上。