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

Resumo Técnico: Fatiamento Não Planar e Geração de Caminho Híbrido para a Remanufaturação Robótica por Arco com Arame (WAAR) de Grandes Rodas Dentadas

Definição do Problema
As grandes rodas dentadas de maquinário de carvão de mineração são componentes críticos propensos ao desgaste, descamação e falha local nas áreas de transição entre os dentes e as superfícies das calhas. Essas regiões danificadas são caracterizadas por superfícies curvas côncavas complexas, variações significativas de curvatura e acessibilidade espacial restrita. As estratégias convencionais de WAAR (Wire Arc Additive Manufacturing) utilizando fatiamento planar enfrentam desafios significativos neste contexto:

• Desajuste Geométrico: As camadas planares não se conformam à superfície curva do substrato, levando a uma má qualidade da interface.
• Interferência do Robô: O espaço estreito entre os dentes da roda dentada limita a postura da tocha, causando frequentemente interferência espacial ou forçando o robô a configurações singulares.
• Instabilidade do Processo: O fluxo de metal fundido induzido pela gravidade causa o colapso do cordão de solda e formação irregular em superfícies íngremes ou côncavas.
• Efeito de Escada (Staircase Effect): O fatiamento planar em superfícies curvas resulta em desvios geométricos significativos e rugosidade superficial.

Métodos existentes, como o fatiamento por coordenadas cilíndricas ou o fatiamento de superfície isotérmica, são limitados a geometrias rotacionais específicas ou incorrem em custos computacionais proibitivos para modelos grandes e complexos.

Metodologia
Os autores propõem um sistema WAAR integrado hardware-software e um novo framework de planejamento de trajetória composto por três componentes principais:

1. Sistema Integrado Hardware-Software:

   • Hardware: Um robô de soldagem de 6 eixos combinado com um posicionador de 2 eixos (inclinação e rotação) para formar um sistema coordenado de 8 eixos. Esta configuração otimiza a postura da tocha, mantendo o eixo da tocha perpendicular à superfície curva para mitigar o fluxo de metal induzido pela gravidade. Um scanner a laser 3D portátil é utilizado para a engenharia reversa da peça de trabalho danificada.
   • Software: Um fluxo de trabalho utilizando Rhino e Grasshopper para modelagem paramétrica, fatiamento não planar e geração de trajetória, integrado com um software de planejamento de movimento robótico personalizado.

2. Fatiamento Não Planar por Região:

   • Construção da Superfície de Deslocamento (Offset): Em vez de planos horizontais, o método constrói uma família de superfícies de deslocamento baseadas na geometria curva do substrato. A distância de deslocamento é calculada usando parâmetros de espessura de camada ($\Delta h$) e um vetor normal de superfície de referência.
   • Segmentação de Região: Reconhecendo que toda a calha côncava é complexa demais para um único caminho global, o modelo danificado é segmentado na fronteira de transição de curvatura máxima. Isso divide a área de reparo em duas sub-regiões, reduzindo a variação do intervalo de normais de superfície e simplificando as restrições cinemáticas do robô para cada sub-região.
   • Interseção de Malha: As superfícies de deslocamento são intersectadas com a malha STL do modelo danificado para extrair as fronteiras internas das camadas, garantindo que as camadas fatiadas se conformem à geometria específica da região danificada.

3. Geração de Caminho Híbrido Baseada em Transformação-Projeção:

   • Transformação de Coordenadas: Para evitar a instabilidade da construção direta de trajetórias 3D, a camada de fatiamento não planar é rotacionada via matriz de transformação rígida (rotação de Rodrigues) de modo que sua normal média se alinhe com o eixo Z global.
   • Geração de Preenchimento 2D: Neste plano 2D transformado, um caminho de preenchimento tipo zigzag padrão é gerado usando o algoritmo de offset de polígono (algoritmo Clipper) e clipping de scanline. Os parâmetros incluem distância de contorno, espaçamento de trilha e ângulo de preenchimento.
   • Projeção Inversa: Os pontos do caminho 2D são mapeados de volta para a superfície curva 3D usando interseção raio-triângulo para garantir que os pontos estejam precisamente sobre a malha. Finalmente, uma transformação de coordenadas inversa restaura o caminho para o sistema de coordenadas original da peça de trabalho.

Principais Contribuições

• Framework de Fatiamento Não Planar: O desenvolvimento de um fluxo de trabalho paramétrico baseado em Grasshopper que gera camadas conformais e não planares através do deslocamento de uma superfície de referência, substituindo o fatiamento planar tradicional para substratos curvos complexos.
• Estratégia de Segmentação por Região: Uma abordagem inovadora para decompor zonas danificadas côncavas complexas (calhas de rodas dentadas) em fronteiras de curvatura, permitindo o planejamento de movimento robótico viável em espaços restritos.
• Algoritmo de Geração de Caminho Híbrido: Um método que reduz o planejamento de trajetória em superfície curva 3D para um problema 2D estável através de transformação de coordenadas, geração de preenchimento 2D e projeção inversa, garantindo consistência espacial e controlabilidade de parâmetros.
• Validação do Sistema Integrado: O estabelecimento de um sistema WAAR completo (robô de 8 eixos + posicionador + software personalizado) especificamente adaptado para a remanufaturação de rodas dentadas de grande porte.

Resultados Experimentais
Experimentos de reparo foram conduzidos em uma roda dentada grande danificada utilizando arame com núcleo de fluxo J507.

• Formabilidade: Comparado ao fatiamento planar, o método proposto produziu um cordão de solda de contorno externo uniforme com transições suaves, eliminando o fluxo de metal e o colapso de borda. O preenchimento interno não apresentou falta de fusão macroscópica ou defeitos.
• Precisão Geométrica: Medições de coordenadas ponto a ponto da superfície reparada revelaram:
  • Desvios na direção X: -0,27 mm a -0,21 mm.
  • Desvios na direção Y: 0,59 mm a 0,61 mm.
  • Desvios na direção Z (altura): 0,09 mm a 1,54 mm (média de 0,82 mm).
• Estabilidade do Processo: O reparo multicamada demonstrou estabilidade consistente do cordão e preenchimento completo da região danificada sem defeitos visíveis.

Significância e Alegações
O artigo afirma que o método proposto supera efetivamente as restrições geométricas de superfícies curvas complexas em WAAR. Ao integrar o fatiamento não planar com uma estratégia de geração de caminho híbrida, o sistema alcança:

• Melhor Acessibilidade: A configuração de 8 eixos e a segmentação por região permitem que o robô acesse espaços restritos entre os dentes sem interferência.
• Qualidade Aprimorada: As camadas conformais evitam o fluxo de metal fundido e garantem boa formabilidade, abordando as limitações do fatiamento planar em superfícies irregulares.
• Controlabilidade e Repetibilidade: O método de transformação-projeção fornece um fluxo de trabalho estável e parametrizável que satisfaz os requisitos para o planejamento de trajetória robótica industrial.
• Aplicabilidade de Engenharia: O reparo bem-sucedido de uma roda dentada típica valida a viabilidade desta abordagem para a remanufaturação de componentes de alto valor e grande escala em ambientes de operação severos.