A non-planar slicing and hybrid path generation method for robotic wire arc additive remanufacturing of large sprockets​​

Resumen Técnico: Segmentación No Plana y Generación de Trayectorias Híbridas para la Remanufactura Robótica por Arco con Alambre (WAAR) de Grandes Engranajes

Planteamiento del Problema
Los grandes engranajes de maquinaria de carbón para la minería son componentes críticos propensos al desgaste, la exfoliación y fallos locales en las áreas de transición entre los dientes y las superficies de la garganta. Estas regiones dañadas se caracteran por superficies curvas cóncavas complejas, variaciones significativas de curvatura y accesibilidad espacial restringida. La Remanufactura por Arco con Alambre (WAAR) convencional, que utiliza estrategias de segmentación plana, enfrenta desafíos significativos en este contexto:

• Desajuste Geométrico: Las capas planas no se ajustan a la superficie curva del sustrato, lo que provoca una mala calidad de la interfaz.
• Interferencia del Robot: El espacio estrecho entre los dientes del engranaje limita la postura de la antorcha, lo que a menudo causa interferencia espacial o fuerza al robot a configuraciones singulares.
• Inestabilidad del Proceso: El flujo de metal fundido inducido por la gravedad provoca el colapso del cordón y una formación desigual en superficies empinadas o cóncavas.
• Efecto Escalonado: La segmentación plana en superficies curvas resulta en desviaciones geométricas significativas y rugosidad superficial.

Los métodos existentes, como la segmentación por coordenadas cilíndricas o la segmentación de superficie isotérmica, están limitados a geometrías rotacionales específicas o incurren en costos computacionales prohibitivos para modelos grandes y complejos.

Metodología
Los autores proponen un sistema WAAR integrado de hardware-software y un nuevo marco de planificación de trayectorias que consta de tres componentes principales:

1. Sistema Integrado de Hardware-Software:

   • Hardware: Un robot de soldadura de 6 ejes combinado con un posicionador de 2 ejes (inclinación y rotación) para formar un sistema coordinado de 8 ejes. Esta configuración optimiza la postura de la antorcha, manteniendo el eje de la antorcha perpendicular a la superficie curva para mitigar el flujo de metal inducido por la gravedad. Se utiliza un escáner láser 3D portátil para la ingeniería inversa de la pieza de trabajo dañada.
   • Software: Un flujo de trabajo que utiliza Rhino y Grasshopper para el modelado paramétrico, la segmentación no plana y la generación de trayectorias, integrado con un software de planificación de movimiento robótico personalizado.

2. Segmentación No Plana por Regiones:

   • Construcción de Superficie de Desplazamiento (Offset): En lugar de planos horizontales, el método construye una familia de superficies de desplazamiento basadas en la geometría curva del sustrato. La distancia de desplazamiento se calcula utilizando parámetros de espesor de capa ($\Delta h$) y un vector normal de la superficie de referencia.
   • Segmentación de Regiones: Reconociendo que toda la garganta cóncava es demasiado compleja para una única trayectoria global, el modelo dañado se segmenta en el límite de transición de máxima curvatura. Esto divide el área de reparación en dos subregiones, reduciendo el rango de variación de las normales de la superficie y simplificando las restricciones cinemáticas del robot para cada subregión.
   • Intersección de Malla: Las superficies de desplazamiento se intersectan con la malla STL del modelo dañado para extraer los límites de las capas internas, asegurando que las capas segmentadas se ajusten a la geometría específica de la región dañada.

3. Generación de Trayectoria Híbrida Basada en Transformación-Proyección:

   • Transformación de Coordenadas: Para evitar la inestabilidad de la construcción directa de trayectorias 3D, la capa de segmentación no plana se rota mediante una matriz de transformación rígida (rotación de Rodrigues) de modo que su normal promedio se alinee con el eje Z global.
   • Generación de Relleno 2D: En este plano 2D transformado, se genera una trayectoria de relleno tipo zigzag estándar utilizando el desplazamiento de polígonos (algoritmo Clipper) y el recorte de escaneo (scanline clipping). Los parámetros incluyen la distancia del borde, el espaciamiento de la pista y el ángulo de relleno.
   • Proyección Inversa: Los puntos de la trayectoria 2D se mapean de vuelta a la superficie curva 3D mediante la intersección rayo-triángulo para asegurar que los puntos se ubiquen precisamente en la malla. Finalmente, una transformación de coordenadas inversa restaura la trayectoria al sistema de coordenadas original de la pieza de trabajo.

Contribuciones Clave

• Marco de Segmentación No Plana: El desarrollo de un flujo de trabajo paramétrico basado en Grasshopper que genera capas conformes y no planas mediante el desplazamiento de una superficie de referencia, reemplazando la segmentación plana tradicional para sustratos curvos complejos.
• Estrategia de Segmentación por Regiones: Un enfoque novedoso para descomponer zonas dañadas cóncavas complejas (gargantas de engranajes) en los límites de curvatura, permitiendo una planificación de movimiento robótico factible en espacios restringidos.
• Algoritmo de Generación de Trayectoria Híbrida: Un método que reduce la planificación de trayectorias en superficies curvas 3D a un problema 2D estable mediante transformación de coordenadas, generación de relleno 2D y proyección inversa, asegurando la consistencia espacial y la controlabilidad de los parámetros.
• Validación del Sistema Integrado: El establecimiento de un sistema WAAR completo (robot de 8 ejes + posicionador + software personalizado) diseñado específicamente para la remanufactura de grandes engranajes.

Resultos Experimentales
Se realizaron experimentos de reparación en un engranaje grande dañado utilizando alambre con núcleo de fundente J507.

• Formabilidad: Comparado con la segmentación plana, el método propuesto produjo un cordón de soldadura de contorno exterior uniforme con transiciones suaves, eliminando el flujo de metal y el colapso de los bordes. El relleno interno no mostró falta de fusión macroscópica ni defectos.
• Precisión Geométrica: Las mediciones de coordenadas punto a punto de la superficie reparada revelaron:
  • Desviaciones en la dirección X: -0.27 mm a -0.21 mm.
  • Desviaciones en la dirección Y: 0.59 mm a 0.61 mm.
  • Desviaciones en la dirección Z (altura): 0.09 mm a 1.54 mm (promedio de 0.82 mm).
• Estabilidad del Proceso: La reparación multicapa demostró una estabilidad de cordón consistente y un llenado completo de la región dañada sin defectos visibles.

Significado y Reivindicaciones
El artículo afirma que el método propuesto supera eficazmente las restricciones geométricas de las superficies curvas complejas en WAAR. Al integrar la segmentación no plana con una estrategia de generación de trayectorias híbridas, el sistema logra:

• Accesibilidad Mejorada: La configuración de 8 ejes y la segmentación por regiones permiten que el robot acceda a los espacios restringidos entre dientes sin interferencias.
• Calidad Mejorada: Las capas conformes previenen el flujo de metal fundido y aseguran una buena formabilidad, abordando las limitaciones de la segmentación plana en superficies irregulares.
• Controlabilidad y Repetibilidad: El método de transformación-proyección proporciona un flujo de trabajo estable y parametrizable que satisface los requisitos para la planificación de trayectorias robóticas industriales.
• Aplicabilidad de Ingeniería: La reparación exitosa de un engranaje típico dañado valida la viabilidad de este enfoque para la remanufactura de componentes de alto valor y gran escala en entornos operativos severos.