CN105063615B - 一种用于自由曲面表面修复的激光熔覆扫描路径获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于自由曲面表面修复的激光熔覆扫描路径获取方法，其中仅需采用轮廓仪对自由曲面进行扫描以获取该自由曲面上的多个曲面特征点的特征点信息，获取扫描数据阵列；然后通过MATLAB对这些扫描数据阵列进行处理，并据此计算自由曲面上所有单道中心线的位置及各单道中心线上多个离散的轮廓特征点的特征点信息，获取单道数据阵列；最后将该单道数据阵列导入激光熔覆设备的路径控制器中，便可使其自动拟合形成每条单道中心线的单道曲线轨迹，实现对自由曲面的激光熔覆加工。该方法可快捷有效且较为精确地获取自由曲面上的特征点的形状信息，进而可方便地获取自由曲面激光熔覆扫描路径，给实际的激光熔覆加工提供了极大的便利。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于自由曲面表面修复的激光熔覆扫描路径获取方法。
背景技术
激光熔覆技术由于具有冷却速度快、变形小、熔覆层性能优异等特点而得到广泛应用，而激光熔覆扫描路径的获取则是激光熔覆的关键技术之一。特别是对于具有非规则表面形状的零件，如何能够准确有效地获取其激光熔覆扫描路径更是成为了最重要的技术环节。
目前，激光熔覆扫描路径的获取方法主要有示教编程、高级编程、离线编程和在线编程，其中对于任意自由曲面的扫描路径获取，只有通过示教编程和在线编程可以满足，但示教编程不仅工作量大、操作繁琐，而且编程精度较低；在线编程虽然精度较高，但投入成本较大，难以实现普及与推广，且目前尚处于研发阶段。离线编程需要预先存有待修复曲面的3D模型，而高级编程则需要零件曲面轮廓的具体数学表达式或轮廓上各特征点的形状信息，一般高级编程使用于特定形状的零件表面修复。因此，上述的这些扫描路径获取方法均难以胜任自由曲面表面修复环境，研究出适合自由曲面激光熔覆修复的工艺方法成为亟待解决的难题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的缺点，提供一种用于自由曲面表面修复的激光熔覆扫描路径获取方法，以快速有效且较为精确地获取曲面零件上自由曲面的扫描路径。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于自由曲面表面修复的激光熔覆扫描路径获取方法，待激光熔覆的对象为具有自由曲面的实体零件表面，所述扫描路径获取方法包括如下步骤：
(1)扫描获取曲面特征点信息，采用轮廓仪对所述实体零件的表面进行3D扫描，扫描时分别沿着所述自由曲面的长度方向与宽度方向按序扫描，获取所述自由曲面上的多个曲面特征点的曲面特征点信息，所述曲面特征点信息均包括用于反映该曲面特征点坐标值的位置信息、用于体现该曲面特征点处法线空间倾斜角度的法线角度信息；
(2)数据处理，将步骤(1)扫描获取的所有所述曲面特征点信息导入MATLAB中形成扫描数据阵列，并按如下步骤对该扫描数据阵列进行数据处理：
ⅰ.数据删减，在所述扫描数据阵列中，沿所述自由曲面的长度方向与宽度方向分别间隔设定值选取相应的曲面特征点信息数据，形成简化后的扫描数据阵列；
ⅱ.数据定位，根据激光熔覆加工时的单道尺寸与搭接量，定位所述自由曲面上每一个单道中心线所在的位置，在每一条所述单道中心线上选取多个轮廓特征点，并记录每条所述单道中心线上每个所述轮廓特征点的位置信息数据；
ⅲ.数据计算，计算每条所述单道中心线上每个所述轮廓特征点的法线角度信息数据；
ⅳ.数据提取，将经步骤ⅱ与步骤ⅲ获取的所有的所述轮廓特征点的位置信息数据与法线角度信息数据提取出来，形成单道数据阵列；
(3)离散点曲线拟合，激光熔覆设备上具有用于控制激光熔覆工作头工作路径的路径控制器，将步骤(2)获取的所述单道数据阵列输入所述路径控制器中，并使得所述路径控制器控制所述激光熔覆工作头按照轨迹逼近的方式，运用每条单道中心线上多个离散的轮廓特征点的特征点信息来拟合形成该单道中心线的单道曲线轨迹，实现对所述自由曲面的激光熔覆。
优选地，所述步骤(1)中，采用轮廓仪扫描所述自由曲面时，扫描的长度方向平行所述自由曲面上长度方向的边线，扫描的宽度方向垂直于扫描的长度方向。
进一步地，所述步骤ⅲ中，所述轮廓特征点的所述法线角度信息数据的计算是通过将该轮廓特征点处的法线分别投影至XOZ、YOZ平面中，分别计算其在XOZ平面中第一投影的夹角α、计算其在YOZ平面中第二投影线的夹角β，所述的夹角α与所述的夹角β形成该轮廓特征点的法线角度信息数据。
更进一步地，所有的所述单道中心线沿所述自由曲面的宽度方向间隔分布，当所述单道中心线为第j道时，该第j道单道中心线上第i个轮廓特征点的法线角度信息数据按照如下公式计算：其中x，y，z分别代表的是相应轮廓特征点的坐标值，i，j为大于1的正整数。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明中通过采用轮廓仪对自由曲面进行扫描以获取自由曲面上曲面特征点的特征点信息，再通过MATLAB进行数据处理并获取自由曲面上所有单道中心线上的多个离散的轮廓特征点的特征点信息，最后通过路径控制器进行离散点曲线拟合，便可获取激光熔覆扫描路径，实现对自由曲面的激光熔覆加工。该方法可快捷有效且较为精确地获取自由曲面上的特征点的形状信息，进而可方便地获取自由曲面激光熔覆扫描路径，给实际的激光熔覆加工提供了极大的便利。
附图说明
附图1为本发明的路径获取方法的流程示意图；
附图2为本发明一具体实施例的单道中心线轨迹示意图；
附图3为激光熔覆时搭接量、单道宽度与单道中心线之间的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
如图1所示为一种用于自由曲面表面修复的激光熔覆扫描路径获取方法的具体流程图，其中，待激光熔覆的对象为具有自由曲面的实体零件表面，熔覆处理的即为该自由曲面。
该扫描路径获取方法包括如下步骤：
首先，扫描获取特征点信息。采用轮廓仪对实体零件的表面进行3D扫描，操作时可将实体零件放置于3D轮廓扫描仪的工作区域内进行扫描，当实体零件较大时，也可采用手持式轮廓扫描仪进行扫描。扫描时沿着自由曲面的长度方向和宽度方向按序扫描，即先沿着长度方向进行一次扫描后，扫描仪的扫描头部沿自由曲面宽度方向位移一定距离后再沿自由曲面的长度方向按序扫描，此处，扫描的长度方向为平行于自由曲面上长度方向的边线，扫描的宽度方向则为垂直于扫描的长度方向。在上述扫描的过程中获取自由曲面上多个曲面特征点的特征点信息，每个曲面特征点的特征点信息均包括用于反映相应曲面特征点坐标值的位置信息、用于体现该曲面特征点处法线空间倾斜角度的法线角度信息。
第二，数据处理，即将上述扫描得到的特征点信息进行数据处理，该数据处理在MATLAB程序中进行，首先将所有扫描到的特征点信息导入MATLAB中形成扫描数据阵列，例如各曲面特征点处的Z轴坐标可表示如式(1)所示：
其中m为正整数，扫描的数据共有m*m个，即长度方向与宽度方向均扫描m个数据。——式(1)。
该数据处理包括如下步骤：
ⅰ.数据删减。
由于激光熔覆时单道具有一定的宽度，3D扫描得到的数据并非都是有效数据，同时为了减小矩阵中的数值个数以方便后续数据处理，接下来对上述扫描数据阵列进行数据删减处理。具体删减时，在该扫描数据阵列中，沿自由曲面的长度方向与宽度方向分别间隔设定值选取相应的曲面特征点信息数据，形成简化后的扫描数据阵列，例如简化后各曲面特征点处的Z轴坐标可表示如式(2)所示：
其中n＜m，n为正整数。——式(2)。
ⅱ.数据定位。
根据激光熔覆加工时的单道尺寸与搭接量，如图3所示，定位自由曲面上每一个单道中心线所在的位置，如图2所示，在每一条单道中心线上选取多个轮廓特征点，并根据该定位后的位置记录每条单道中心线上各轮廓特征点的位置信息数据，当单道中心线上的轮廓特征点不是轮廓仪扫描的曲面特征点时，需要根据该轮廓特征点附近已扫描到的曲面特征点位置信息来确定其位置信息。
ⅲ.数据计算。
计算每条单道中心线上各轮廓特征点的法线角度信息数据。该轮廓特征点的法线角度信息数据的计算是通过将该轮廓特征点处的法线分别投影至XOZ、YOZ平面中，分别计算其在XOZ平面中第一投影的夹角α、计算其在YOZ平面中第二投影线的夹角β，上述的夹角α与夹角β便形成该轮廓特征点的法线角度信息数据。在本实施例中，如图2所示，所有的单道中心线沿自由曲面的宽度方向间隔分布，当单道中心线为第j道时，该第j道单道中心线上第i个轮廓特征点的法线角度信息数据按照如下公式计算：
其中：x，y，z分别代表的是相应轮廓特征点的坐标值，i，j为大于1的正整数。
ⅳ.数据提取
将上述经步骤ⅱ与步骤ⅲ获取的所有的单道中心线上的位置信息数据与法线角度信息数据提取出来，形成单道数据阵列。
最后进行离散点曲线拟合。现有的激光熔覆设备上均设有用于控制激光熔覆工作头工作路径的路径控制器，该路径控制器中可根据多个离散的点采用不同的拟合方式拟合工作头的行走路径曲线，从而实现激光熔覆加工。在经过上述步骤获取所有单道中心线上的多个离散的轮廓特征点信息后，将单道数据阵列导入路径控制器中，并使得路径控制器控制激光熔覆工作头按照轨迹逼近的方式，运动每条单道中心线上多个离散的轮廓特征点的特征点信息来拟合形成该单道中心线的单道曲线轨迹，从而实现对自由曲面的激光熔覆。
综上，本发明的一种用于自由曲面表面修复的激光熔覆扫描路径获取方法，其中仅需采用轮廓仪对自由曲面进行扫描以获取该自由曲面上的多个曲面特征点的特征点信息，获取扫描数据阵列；然后通过MATLAB对这些扫描数据阵列进行处理，并据此计算自由曲面上所有单道中心线的位置及各单道中心线上多个离散的轮廓特征点的特征点信息，获取单道数据阵列；最后将该单道数据阵列导入激光熔覆设备的路径控制器中，便可使其自动拟合形成每条单道中心线的单道曲线轨迹，使得激光熔覆工作头按照该单道曲线轨迹工作，便可实现对自由曲面的激光熔覆加工。该方法可快捷有效且较为精确地获取自由曲面上的特征点的形状信息，进而可方便地获取自由曲面激光熔覆扫描路径，给实际的激光熔覆加工提供了极大的便利。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种用于自由曲面表面修复的激光熔覆扫描路径获取方法，待激光熔覆的对象为具有自由曲面的实体零件表面，其特征在于，所述扫描路径获取方法包括如下步骤：
(1)扫描获取曲面特征点信息，采用轮廓仪对所述实体零件的表面进行3D扫描，扫描时分别沿着所述自由曲面的长度方向与宽度方向按序扫描，获取所述自由曲面上的多个曲面特征点的曲面特征点信息，所述曲面特征点信息均包括用于反映该曲面特征点坐标值的位置信息、用于体现该曲面特征点处法线空间倾斜角度的法线角度信息；
(2)数据处理，将步骤(1)扫描获取的所有所述曲面特征点信息导入MATLAB中形成扫描数据阵列，并按如下步骤对该扫描数据阵列进行数据处理：
ⅰ.数据删减，在所述扫描数据阵列中，沿所述自由曲面的长度方向与宽度方向分别间隔设定值选取相应的曲面特征点信息数据，形成简化后的扫描数据阵列；
ⅱ.数据定位，根据激光熔覆加工时的单道尺寸与搭接量，定位所述自由曲面上每一个单道中心线所在的位置，在每一条所述单道中心线上选取多个轮廓特征点，并记录每条所述单道中心线上每个所述轮廓特征点的位置信息数据；
ⅲ.数据计算，计算每条所述单道中心线上每个所述轮廓特征点的法线角度信息数据；
ⅳ.数据提取，将经步骤ⅱ与步骤ⅲ获取的所有的所述轮廓特征点的位置信息数据与法线角度信息数据提取出来，形成单道数据阵列；
(3)离散点曲线拟合，激光熔覆设备上具有用于控制激光熔覆工作头工作路径的路径控制器，将步骤(2)获取的所述单道数据阵列输入所述路径控制器中，并使得所述路径控制器控制所述激光熔覆工作头按照轨迹逼近的方式，运用每条单道中心线上多个离散的轮廓特征点的特征点信息来拟合形成该单道中心线的单道曲线轨迹，实现对所述自由曲面的激光熔覆。
2.根据权利要求1所述的用于自由曲面表面修复的激光熔覆扫描路径获取方法，其特征在于：所述步骤(1)中，采用轮廓仪扫描所述自由曲面时，扫描的长度方向平行所述自由曲面上长度方向的边线，扫描的宽度方向垂直于扫描的长度方向。
3.根据权利要求2所述的用于自由曲面表面修复的激光熔覆扫描路径获取方法，其特征在于：所述步骤ⅲ中，所述轮廓特征点的所述法线角度信息数据的计算是通过将该轮廓特征点处的法线分别投影至XOZ、YOZ平面中，分别计算其在XOZ平面中第一投影的夹角α、计算其在YOZ平面中第二投影线的夹角β，所述的夹角α与所述的夹角β形成该轮廓特征点的法线角度信息数据。
4.根据权利要求3所述的用于自由曲面表面修复的激光熔覆扫描路径获取方法，其特征在于：所有的所述单道中心线沿所述自由曲面的宽度方向间隔分布，当所述单道中心线为第j道时，该第j道单道中心线上第i个轮廓特征点的法线角度信息数据按照如下公式计算： 其中x，y，z分别代表的是相应轮廓特征点的坐标值，i，j为大于1的正整数。
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