CN101927391A - 对破损金属部件进行自动堆焊修复的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种对破损金属部件进行自动堆焊修复的方法，是针对于破损金属部件上缺失的部分进行自动堆焊修复的技术方案，本发明由测量机器人和弧焊机器人构成，其中测量机器人由结构光传感器和六自由度机械臂组成，弧焊机器人由焊枪和六自由度机器臂组成。系统工作的步骤是：首先将待修复的破损部件固定在工作台上，由测量机器人扫描破损部件，获得部件破损的三维型面点云数据；然后将三维型面点云数据与金属部件的原始CAD模型进行配准(几何对齐)，通过计算点云数据到CAD模型的误差提取破损区域的点云数据；根据破损区域的三维信息自动生成堆焊修复路径，由计算机控制弧焊机器人完成对部件破损区域的自动修复。

Description

对破损金属部件进行自动堆焊修复的方法

技术领域

本发明涉金属部件修复技术领域，确切的说是一种对破损金属部件进行自动堆焊修复的方法。

背景技术

自20世纪90年代以来，我国对再制造工程进行了深入的研究，有关专家将再制造工程定义为：“是以产品全寿命周期设计和管理为指导，以优质、高效、节能、节才、环保为目标，以先进的技术和产业化生成为手段，来修复和改造废旧产品的一系列技术措施和工程活动的总称”。

再制造工程包括对产品的修复和改造。其中，对金属零部件的修复是再制造工程中的主要研究内容之一。对废旧(破损)金属零部件的缺损部分进行尺寸修复是关键环节，现有的修复方法包括堆焊技术、电刷镀技术、热喷涂技术、激光再制造技术等。

堆焊技术是利用焊接的方法在机械零件表面熔敷一层合金涂层，使表面具有防腐、耐磨、耐热等性能，并同时恢复零件的几何尺寸。因为报废或损坏的零部件其退役情况和损坏方式的多样性，所以对其进行堆焊修复具有小批量、个性化的特点。现有最广泛的修复方法是手工电弧堆焊，其缺点是：1、操作人员必须是掌握熟练的堆焊技术；2、人工修复质量参差不齐，堆焊层的一般较高；3、难以实现批量、流水线方式的工作流程，效率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种对破损金属部件进行自动堆焊修复的方法，快速恢复其几何尺寸。

具体做法是：将废旧(破损)的金属部件固定在工作台上，操作测量机器人对部件进行扫描，得到破损部件的三维型面点云数据。通过测量机器人与弧焊机器人坐标系转换关系，将点云数据转换到弧焊机器人坐标系下，在计算机中导入金属部件的CAD模型，将数据与CAD模型配准，使非破损区域与CAD模型重合，通过计算点云到CAD模型的误差来提取破损区域数据。计算破损点云数据的PCA坐标系，应用平面切割，求取凸包线的方法生成堆焊修复路径。控制弧焊机器人完成对金属部件的缺损部分的几何修复。

本发明的优点是：现有对金属部件进行堆焊尺寸修复的方法主要是采用人工堆焊，劳动强度大，效率低，堆焊层质量和性能难以保证，难以实现批量，流水线方式的工作流程。本发明应用测量机器人，弧焊机器人等先进设备实现对金属部件的自动堆焊修复，具有自动化程度高，修复效率高，修复质量稳定，适用批量修复作业等优点。

附图说明：

图1是本发明的系统组成图。

图2是本发明中PCA坐标系反映的破损数据在三维空间中的姿态。

图3是缺损区域生成凸线的示例图。

图4是本发明中焊枪进行堆焊修复时的运动轨迹

图5是本发明中完整的修复路径。

图中1为焊枪，2为线结构光传感器，3为2#六自由度机械臂，4为1#六自由度机械臂。

具体实施方式：

该系统由测量机器人和弧焊机器人两个部分组成。其中，测量机器人由线结构光传感器2和1#六自由度机械臂4组成，机械臂选用motoman公司的HP6型号机器人。弧焊机器人由焊枪(1)和2#六自由度机械臂(3)组成，集成产品选择motoman公司MOTOMAN-SSA2000弧焊机器人。

工作过程：

系统工作过程包括3个部分：破损部件型面扫描和定位、破损区域的提取和自动生成修复路径。

(1)破损部件型面扫描和定位：

应用测量机器人获得的金属部件型面的数据，该数据是在测量机器人基坐标系下的三维点云数据，测量机器人基坐标系与弧焊机器人基坐标系的关系可以预先标定，因此可以将金属部件型面数据变换到弧焊机器人基坐标系下，即实现了破损部件在弧焊机器人坐标系下的定位。

(2)破损区域的提取：

该过程是通过把金属部件原始CAD模型与点云数据配准来提取破损区域的点云数据。部件的CAD模型以STL(Stereo Lithography)的文件格式进行运算，STL是用三角面片来描述三维实体模型。应用最近点迭代(ICP)算法实现点云数据与CAD模型的配准，在进行迭代过程中，将旋转平移矩阵作用于CAD模型，通过改变CAD模型的位置和姿态实现CAD模型与点云数据的几何对齐，即实现点云数据非破损数据与CAD模型的重合。在配准完成后，通过计算点云数据与CAD模型的误差来确定破损区域的点云数据。如果设定误差阀值为ε，那么当点云与CAD模型的距离误差大于ε，那该点数据即为破损区域数据。

(3)自动生成修复路径：

步骤1.建立破损数据的PCA坐标系

应用主元分析方法(PCA)确定破损区域方向，设破损点云为P{p₁，p₂...p_n}，点云中心为p_c，则

$p_c=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i---\left(6\right)$

构建协方差矩阵C_p

$C_p=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(p_i-p_c){(p_i-p_c)}^T---\left(7\right)$

C_p为对实对称矩阵，计算其三个非负的特征值λ₁，λ₂和λ₃。设λ₁≥λ₂≥λ₃，对应于λ₁，λ₂和λ₃的单位特征向量为e₁，e₂和e₃。三个特征向量相互正交，构成三维直角坐标系，即做PCA坐标系，PCA坐标系反映了破损数据在三维空间中的姿态。如图2示例所示，蓝色区域代表的破损区域点云数据，其PCA坐标系如图中标识所示。其中e₃近似垂直于破损区域的曲面，为焊枪较理想修复姿态，e₁为破损区域的长轴方向，为焊枪修复时的运动方向。

步骤2.计算CAD模型上对应点集：

在e₃方向上计算点云P{p₁，p₂...p_n}在CAD模型的投影点集Q{q₁，q₂...q_n}。在三维空间中，过p_i点做垂直于e₁，e₂所在平面(平行于向量e₃)的直线，得到直线与CAD模型的交点q_i，则得到P在CAD模型上的对应点集Q。点集P和Q在构成了一系列空间线段(p_i，q_i)，则缺损区域的信息由线段集(p_i，q_i)进行描述。

步骤3.生成修复路径：

对于已知的焊丝，根据经验可以得到其在特定功率和速度下进行堆焊的熔敷层的高度和宽度，设其高度为h，其宽度为w。

采用平面切割和求取凸包线的方法生成修复路径。首先，求取破损区域在e₃方向上的最小点(在PCA坐标系下的最低点)为p_min。以p_min为基准点，做垂直于e₃轴，间距为h的平面集与线段集相交，得到点集P₁，P₂...P_i。点集P_i是在不同平面上的二维点集，计算P_i的凸包得到其凸包线C₁，C₂...C_i。对于实例数据其结果如图3所示，其中黑色封闭曲线为C₁，C₂，C₃。

在空间中做垂直于e₂，间距为w的平面集，每一个平面能够与凸包线相交得到2个交点，即一条直线段。这样由得到的线段集构成了直线修复路径。如图4所示为最底层(C₁)生成的修复路径C1_L1，C1_L2...C1_Ln，作为焊枪进行堆焊修复时的运动轨迹。如5所示为完整的修复路径。通过计算机控制弧焊机器人按照生成路径运动实现对破损区域的堆焊修复。

Claims (3)

1.一种对破损金属部件进行自动堆焊修复的方法，其特征在于：由测量机器人和弧焊机器人组成，其中测量机器人由结构光传感器(2)和1#六自由度机械臂(4)构成，弧焊机器人由焊枪(1)和2#六自由度机械臂(3)构成；其工作过程如下：

a、用测量机器人扫描金属部件，得到金属部件的三维型面数据，三维型面数据为点云数据；

b、将点云数据与原始CAD模型进行比对，提取出破损区域数据；

c、根据破损区域数据生成修复路径；

d、控制弧焊机器人修复破损区域数据。

2.根据权利要求1所述的一种对破损金属部件进行自动堆焊修复的方法，其特征在于：点云数据与原始CAD模型比对是通过ICP配准算法实现，破损区域数据通过配准误差阀值确定。

3.根据权利要求1所述的一种对破损金属部件进行自动堆焊修复的方法，其特征在于：点云方向是应用PCA算法确定，破损区域的修复路径是用空间中的线段集描述破损区域三维信息，通过平面切割，计算凸包线生成。

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