本发明涉及增材制造领域，特别是涉及一种基于电弧增材制造的机械臂打印姿态优化方法。
背景技术：
1、增材制造(am)具有独特的材料加工机制，已被广泛应用于各个工业领域，例如航空航天工程和汽车制造，用于制造具有复杂几何形状的构件和高附加值部件。增材制造(am)通过逐层构建组件，实现了传统的铣削或铸造工艺难以达到的复杂几何形状。这项技术能够快速制造无模具开发的新能源汽车底盘，而如何对车规级增材制造底盘的打印姿态优化，已引起了工业界和商业界的广泛关注。
2、而金属增材制造(mam)介微观模拟有望解决上述问题，与通常涉及宏观尺度计算域的热力学模拟不同，微观结构模拟域必须限制在小体积内，因为晶粒结构和织构基本在高温下确定，当热源移动较远时不再受影响。然而，该区域应该足够大，以通过连续的层积累来产生重新熔化的效果。而现有的打印方法无法实现从介微观组织层面上上实现对机械臂打印弧度的优化。
技术实现思路
1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于电弧增材制造的机械臂打印姿态优化方法。
2、为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于电弧增材制造的机械臂打印姿态优化方法，包括以下步骤：
3、s1，对平台生成的车体结构进行数模切片，切片后的数模文件是若干的二维图，依据数模切片的数模文件规划打印路径，并生成相应的打印弧度即原始打印弧度(姿态)；然后在无打印弧度(无姿态变化打印)情况下进行模拟打印，比较模拟打印的打印应力与应力仪的应力测试数据是否一致，若误差在合理范围内，则进入下一步骤；
4、s2，将原始打印弧度输入至有限元仿真软件进行模拟打印，导出打印应力数据与温度场数据；有限元仿真软件可以选用abaqus、ansys。
5、s3，采用卡尔曼滤波算法进行打印姿态的优化，得到优化后的打印姿态。
6、进一步地，在切片后的数模文件通过有限元仿真软件进行模拟打印之前，通过以下标准判断熔池打印弧度是否已定位好：
7、(1)金属丝进给位于打印路径之上；
8、(2)打印路径处于基层的正上方；比如第150层实际打印路径在第149层的实际打印路径的正上方，因为可以因为堆叠使得路径有所偏移。
9、(3)打印中心点处在打印基层的轨迹中线。
10、只有定位好熔池打印弧度，才能实现打印弧度的优化，因为有些弧度会出现金属溶体坍塌，会导致本方法失效，本方法基于的前提是打印段不能坍塌。
11、进一步地，采用卡尔曼滤波算法进行打印姿态的优化包括：
12、s31，将步骤s2模拟打印得到的温度场数据导入matlab，得到介微观组织变化图，提取介微观组织，所述介微观组织包括晶界区域和高溶质区域，然后使用协方差公式建立打印弧度与介微观组织的数值联系，得到介微观影响因子；
13、s32，使用协方差公式建立打印弧度与模拟应力的数值联系，得到打印应力影响因子；
14、s33，将介微观影响因子、打印应力影响因子输入卡尔曼滤波器，经过卡尔曼滤波器得到优化后的打印弧度，即打印姿态。
15、进一步地，所述介微观指的是处于1厘米至1微米的尺寸。
16、进一步地，所述提取介微观组织包括：根据自研阈值算法计算每幅介微观图片下的溶质分布与树枝晶状态：首先，将彩色二维直方图转换为灰度图，然后计算出晶界灰度值在整张二维微观组织图里面的占比，其中晶界灰度值是通过将溶质灰度值像素和晶界灰度值像素相加计算得出的。通过树枝晶状态，可以知道晶界区域状态，溶质分布区域可以直观看出高溶质区域在那个位置。
17、进一步地，所述采用卡尔曼滤波算法进行打印姿态的优化是基于打印优化模型实现的，打印优化模型表示为：
18、angle＝angle+qbias·δt+newgyro·δt
19、qbias＝qgyro＝stressnoise(si) (18)
20、newgyro＝organizationalnoise(si)
21、其中angle表示优化的弧度值；
22、angle表示要优化的机械臂打印弧度值；
23、δt表示采样周期；
24、newgyro表示微观模拟的弧度值；
25、qbias表示机械臂打印过程的偏差值，通常为1，且大部分为负值；考虑到高弧度变化下应力的负相关影响，当其为正值时，在前面需添加负号。
26、qgyro表示应力噪声协方差；
27、stressnoise(si)表示打印应力协方差与机械臂a6轴打印角速度的乘积；
28、organizationalnoise(si)表示晶界和高溶质区域的百分比与机械臂打印轴打印角速度的乘积。
29、在本文中，对机械臂姿态优化针对的是a6轴(打印轴)，其余的轴会根据优化后的a6轴姿态，从而自动调整。
30、进一步地，在无打印弧度(无姿态变化打印)情况下进行模拟打印是通过将移动热源位置输入abaqus模型得到温度值和应力值，所述移动热源位置是通过以下方式获得：
31、选用双椭球体热源模型去建立任意自由曲线成形路径下的等效热源模型，根据该模型，热源沿x'轴运动，其双椭球体的前部与后部描述方程为：
32、
33、其中q(x′,y′,z′)表示坐标为(x′,y′,z′)区域的能量大小；
34、(x′,y′,z′)为是一个点相对于热源的局部坐标，x′,y′,z′对应机械臂src文件中的a、b、c值；
35、a、b、c分别为半椭球在x、y、z轴上的特征长度；
36、下标f和r反映了前后椭球体，ff＝2/(1+ar/af)和fr＝2/(1+ar/af)分别定义了热源前后部分的热源功率(q)的分数；
37、并且单位长度向焊件输入的热能(线能量)q表示为：
38、
39、式中：η为热效率；u为焊接电压；v为焊接速度,mm/s，i为焊接电流。
40、进一步地，所述介微观组织变化情况通过以下步骤得到：
41、s301，通过瞬态热传导的控制方程进行热场计算，瞬态热传导的控制方程为：
42、
43、式中t为温度，t为时间，ρ为密度，cp为比热，fs为固相分数，λ为导热系数，δh为凝固潜热；表示后向差分的数学符号；
44、s302，枝晶生长计算的过程如下：
45、首先需要考虑液体和固体之间的溶质分配，在sl界面处，液体和固体之间的溶质分配由下式计算：
46、cs＝kc1#(6)
47、式中，k为配分系数；
48、cs为固体浓度；
49、c1为液相界面成分；
50、根据式(6)，生长的枝晶在sl界面处拒绝溶质；然后计算整个区域内的溶质扩散：
51、
52、式中表示
53、表示后向差分的数学符号；
54、c为成分，d为溶质扩散系数，下标i分别表示固体或液体；
55、表示扩散系数乘以前后溶质浓度的后向差分；
56、表示在界面处被排出的溶质量。
57、为使sl界面处性质不连续的问题易于处理，在求解式(7)时，定义等效成分ce和等效扩散系数de如下：
58、对于液相：
59、ce＝c1,de＝d1#(8)
60、对于固相：
61、
62、对于界面：
63、ce＝c1,de＝d1#(10)
64、固液体界面：
65、de＝ds#(11)
66、在界面和液体之间：
67、de＝dl#(12)
68、局部曲率κ和局部界面方向φ的表达式如下：
69、
70、
71、f(θ,φ)是表面能各向异性的度量，表达式如下：
72、f(θ,φ)＝1-δcos(4(φ-θ))#(15)
73、从这些方程可以清楚地看出，由于表面能对界面过冷的影响，局部κ值较大的区域生长将会减慢。这种影响的大小取决于f(θ,φ)，后者在φ与θ显著不同的界面位置上的尺寸较大。公式(13)的各向异性参数δ是一个常量，描述φ-θ在计算f(θ,φ)时的差异有多显著。
74、然后根据式(6)计算出固化量后，则根据先前固体浓度cs和单元中计算的计算出更新的固体浓度c′s。
75、
76、其中fs表示固相分数；
77、表示先前的固体浓度；
78、δfs表示固相分数差值；
79、表示等效固体浓度；
80、溶质量s的变化量由
81、s＝cl(1-k)δfs#(17)
82、其中s表示溶质量s的变化量；
83、cl表示液相金属浓度；
84、k表示配分系数；
85、将s添加到局部c1中或从局部的c1中减去，且在所有单元格中同时将计算出的δfs添加到fs的当前值。
86、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明基于介微观模拟仿真并通过卡尔曼滤波对机械臂打印姿态的优化，能够充分过滤应力激增和溶质过度聚集区域，更加精确定位打印熔池的三维旋转弧度位置。
87、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
1.一种基于电弧增材制造的机械臂打印姿态优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于电弧增材制造的机械臂打印姿态优化方法，其特征在于，在切片后的数模文件通过有限元仿真软件进行模拟打印之前，通过以下标准判断熔池打印弧度是否已定位好：
3.根据权利要求1所述的一种基于电弧增材制造的机械臂打印姿态优化方法，其特征在于，采用卡尔曼滤波算法进行打印姿态的优化包括：
4.根据权利要求3所述的一种基于电弧增材制造的机械臂打印姿态优化方法，其特征在于，所述介微观指的是处于1厘米至1微米的尺寸。
5.根据权利要求3所述的一种基于电弧增材制造的机械臂打印姿态优化方法，其特征在于，所述提取介微观组织包括：根据自研阈值算法计算每幅介微观图片下的溶质分布与树枝晶状态：首先，将彩色二维直方图转换为灰度图，然后计算出晶界灰度值在整张二维微观组织图里面的占比，其中晶界灰度值是通过将溶质灰度值像素和晶界灰度值像素相加计算得出的。
6.根据权利要求1所述的一种基于电弧增材制造的机械臂打印姿态优化方法，其特征在于，所述采用卡尔曼滤波算法进行打印姿态的优化是基于打印优化模型实现的，打印优化模型表示为：
7.根据权利要求1所述的一种基于电弧增材制造的机械臂打印姿态优化方法，其特征在于，在无打印弧度情况下进行模拟打印是通过将移动热源位置输入abaqus模型得到温度值和应力值，所述移动热源位置是通过以下方式获得：
8.根据权利要求1所述的一种基于电弧增材制造的机械臂打印姿态优化方法，其特征在于，所述介微观组织变化情况通过以下步骤得到：
