CN106203726A - 精密零件表面缺陷修复系统及修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种精密零件表面缺陷修复系统及修复方法。修复系统包括三维扫描系统、标准零件模块、喷涂模块、缺陷零件模块、比较模块和喷枪；三维扫描系统用于扫描采集标准零件和缺陷零件的型面数据；标准零件模块用于建立标准零件模型；喷涂模块根据标准零件的表面喷涂参数建立喷涂作业数据库；缺陷零件模块用于建立缺陷零件模型；比较模块将缺陷零件的表面数据与对应标准零件的表面数据进行对比，建立表面缺陷区域的型面数据和模型，并反演建立缺陷零件表面缺陷区域的喷涂修复路径，将建立的喷涂修复路径与标准零件表面喷涂参数进行对比优化，向喷枪输出表面缺陷区域修复的表面喷涂参数；喷枪对缺陷零件的表面缺陷区域进行针对性的喷涂修复。

Description

精密零件表面缺陷修复系统及修复方法
技术领域
本发明涉及精密零件的表面修复技术，具体是一种精密零件表面缺陷的修复系统，以及修复方法。
背景技术
精密零件是工业设备、尤其是能量转换设备上的核心零件之一，例如发动机上的叶片。在精密零件的制造过程中或设备的服役过程中，精密零件会出现各种损伤，这包括了精密零件表面结构（通常是涂层）的损伤，因而，需要对精密零件在制造过程中或后期使用中进行维修处理。
目前，对于精密零件表面缺陷修复的主要技术措施为对比判断法，例如中国专利文献公开的“一种三维打印产品的高精度修补方法”（公开号：CN 104385640A，公开日：2015年3月4日）、“一种零部件损伤的激光立体仿形修复方法”（公开号：CN 105598450A，公开日：2016年5月25日）等。这些技术首先获取标准零件的型面数据和模型，然后获取缺陷零件的型面数据和模型，再将二者对比得到缺陷零件表面缺陷区域的数据和模型，以此向喷枪下达喷涂修复指令，实现喷涂修复。这些技术虽然能够对精密要求的缺陷零件进行修复，但其在修复过程中无法实现喷涂路径及喷涂参数的动态调整，从而为了可靠地修复缺陷零件的表面缺陷区域，使得喷涂厚度有较大余量，需要后期加工处理以去除喷涂余量，使喷涂修复能够符合预期值。
由此可见，上述这些修复技术的修复过程不仅麻烦、周期长，而且后期的余量处理不仅劳动强度大、材料浪费严重，更甚的是后期余量处理的表面质量无法可靠保证，通常只能处理型面较为简单的表面，例如平面或圆形规则弧面等，对于复杂曲面，例如发动机叶片的型面，则很难获得可靠地、高质量的修复效果。对于精密零件表面缺陷如何进行可靠地、高质量的喷涂修复，一直以来，国外采取的是技术封锁，即对于精密零件表面缺陷的可靠地、高质量的喷涂修复，需要将缺陷精密零件送至国外，这不仅极大的造成人力、物力、财力的浪费，而且也阻碍了国内技术的发展。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述现有技术的不足，自主研发一种能够可靠地实现智能化、高质量、经济而高效修复的精密零件表面缺陷修复系统，以及修复方法。
本发明所采用的技术方案是，一种精密零件表面缺陷修复系统，所述修复系统包括：
-三维扫描系统，所述三维扫描系统用于分别扫描采集标准零件和缺陷零件的型面数据；
-标准零件模块，所述标准零件模块根据三维扫描系统对标准零件所扫描采集的型面数据，对应的建立标准零件的模型，并将标准零件的型面数据和模型存储；
-喷涂模块，所述喷涂模块根据标准零件模块所存储的标准零件的型面数据和模型，获得标准零件的表面喷涂参数，建立包含型面喷涂路径规划、喷枪运行工况和喷涂材料特性在内的数据库；
-缺陷零件模块，所述缺陷零件模块根据三维扫描系统对缺陷零件所扫描采集的型面数据，对应的建立缺陷零件的模型，并将缺陷零件的型面数据和模型存储；
-比较模块，所述比较模块用于读取缺陷零件模块所存储的缺陷零件的表面数据，将所读取的缺陷零件的表面数据与标准零件模块所存储的对应标准零件的表面数据进行对比，若对比结果在喷涂修复作业的范围之内，则比较模块根据对比结果建立缺陷零件表面缺陷区域的型面数据和模型，比较模块通过所建立的型面数据和模型反演建立缺陷零件表面缺陷区域的喷涂修复路径，所述比较模块将建立的喷涂修复路径与喷涂模块中所存储的标准零件表面喷涂参数进行对比优化，向喷枪输出对缺陷零件进行表面缺陷区域修复的表面喷涂参数；
-喷枪，所述喷枪根据比较模块输出的表面喷涂参数，对缺陷零件的表面缺陷区域进行针对性的喷涂修复。
所述喷涂材料特性包括喷涂材料在碰撞基底前的特性、在碰撞基底形成的涂层、所形成涂层的热障性能、所形成涂层的结构强度。
所述精密零件为航空发动机的叶片。
一种精密零件表面缺陷修复方法，包括下列步骤：
步骤1. 采用三维扫描系统扫描采集标准零件的型面数据；
步骤2. 根据三维扫描系统对标准零件所扫描采集的型面数据，对应的建立标准零件的模型，并将标准零件的型面数据和模型存储；
步骤3. 根据标准零件模块所存储的标准零件的型面数据和模型，获得标准零件的表面喷涂参数，建立包含型面喷涂路径规划、喷枪运行工况和喷涂材料特性在内的数据库；
步骤4. 采用三维扫描系统扫描采集缺陷零件的型面数据，根据三维扫描系统对缺陷零件所扫描采集的型面数据，对应的建立缺陷零件的模型，并将缺陷零件的型面数据和模型存储；
步骤5. 读取缺陷零件的表面数据，将所读取的缺陷零件的表面数据与对应标准零件的表面数据进行对比，若对比结果在喷涂修复作业的范围之内，则根据对比结果建立缺陷零件表面缺陷区域的型面数据和模型，接着通过所建立的型面数据和模型反演建立缺陷零件表面缺陷区域的喷涂修复路径，将建立的喷涂修复路径与步骤3中的标准零件表面喷涂参数进行对比优化，向喷枪输出对缺陷零件进行表面缺陷区域修复的表面喷涂参数；
步骤6. 喷枪根据步骤5所输出的表面喷涂参数，对缺陷零件的表面缺陷区域进行针对性的喷涂修复。
步骤3中的喷涂材料特性包括喷涂材料在碰撞基底前的特性、在碰撞基底形成的涂层、所形成涂层的热障性能、所形成涂层的结构强度。
所述修复方法还对喷涂修复完毕的零件进行检验再修复，所述检验再修复是执行步骤4、步骤5和步骤6。
所述精密零件为航空发动机的叶片。
本发明的有益效果是：本发明通过扫描标准零件而获取标准零件的表面喷涂参数，进而提前建立标准零件表面喷涂作业（包含型面喷涂路径规划、喷枪运行工况和喷涂材料特性在内）的数据库；在遇到精密零件损坏时，通过将所扫描的缺陷零件的表面数据与数据库中的对应标准零件的表面数据进行对比，从而建立缺陷零件表面缺陷区域的喷涂修复路径，进而将所建立的喷涂修复路径与数据库中的表面喷涂参数进行对比优化（即修复过程中能够有效、可靠地实现喷涂路径及喷涂参数的动态调整），对缺陷零件的表面缺陷区域可靠地实现了智能化、高质量、高效率的修复，其极大的提高了修复质量、缩减了修复周期，经济效益显著，实用性强。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明修复系统的原理框图。
图2是本发明修复方法的流程图。
具体实施方式
实施例1
参见图1所示，本发明为精密零件（例如发动机叶片、尤其是航空发动机叶片）的表面缺陷修复系统，该表面缺陷通常是指精密零件的表面涂层损失，修复系统包括三维扫描系统、计算机和喷枪。
其中，三维扫描系统根据修复作业要求，用于分别扫描采集标准零件的型面数据和缺陷零件的型面数据。
具体的，三维扫描系统作为本系统的子系统，其主要由双目工业相机、投影仪、转台和定位平面组成。转台、投影仪和双目工业相机的动作由计算机控制，计算机上设有对应的数据处理程序，通过处理程序对扫描采集到的数据进行处理，投影仪用于投影结构光到转台上的被测精密零件上，双目工业相机用于抓拍投影仪投影到被测精密零件上以后所产生的变形条纹图，定位平面用于对转台进行定位，作为参照对比的基准。扫描采集方法是，先对整个扫描系统进行标定，再以定位平面为基准对转台进行定位，然后将被测精密零件固定在转台上，由投影仪投影蓝色结构光到被测精密零件上，双目工业相机分别抓拍变形条纹，然后进行相位解算及匹配，得到单次测量的叶片点云数据，计算机上的处理程序自动控制转动转台，重复投影抓拍解算过程，得到被测精密零件的360°多视角的扫描测量数据，利用定位的四元数及旋转中心对扫描测量数据进行计算，自动完成被测精密零件型面的拼接，获得被测精密零件型面的完整融合数据；最后，利用ICP算法，对转台的机械误差进行补偿，获取高精度的被测精密零件的完整融合数据。
计算机内嵌装有修复软件，该修复软件具有标准零件模块、喷涂模块、缺陷零件模块和比较模块。
标准零件模块用于接收三维扫描系统对标准零件所扫描采集的型面数据，根据该型面数据，对应的建立标准零件的模型，并将标准零件的型面数据和模型存储，形成标准零件的型面数据库。
喷涂模块用于获取标准零件模块内所存储的标准零件的型面数据和模型，根据标准零件的模型；喷涂模块根据标准零件模块所存储的标准零件的型面数据和模型，进行喷涂设计，获得标准零件的表面喷涂参数，进而建立包含型面喷涂路径规划（以曲面拓扑原理建立）、建立喷枪运行工况和喷涂材料（即颗粒）特性在内的喷涂数据库。前述喷涂材料特性包括喷涂材料在碰撞基底前的特性（包括粒子在撞击基底前的温度、速度等离散数据信息等）、在碰撞基底形成的涂层、所形成涂层的热障性能、所形成涂层的结构强度等，这样有利于优化喷涂设计和选择涂层微结构，能够通过反问题求解法确立涂层制备的工艺条件。前述喷枪运行工况的建立是，使用熔融因子和飞行雷诺数等无量纲物理概念，建立喷枪操作条件与粒子在撞击基底时的状态，包括速度、温度、尺寸等，以及splat特性等，确立喷涂工况以及喷枪与基底的相对位置等。
缺陷零件模块用于接收三维扫描系统对缺陷零件所扫描采集的型面数据，根据该型面数据，对应的建立缺陷零件的模型，并将缺陷零件的型面数据和模型存储，形成缺陷零件的型面数据库；
比较模块用于读取缺陷零件模块所存储的缺陷零件的表面数据（包括型面数据和模型），将所读取的缺陷零件的表面数据与标准零件模块所存储的对应标准零件的表面数据进行对比，完成误差量化分析，若对比结果在喷涂修复作业的范围之内，则比较模块根据对比结果建立缺陷零件表面缺陷区域的型面数据和模型，完成维修评估，基于维修评估报告的信息，比较模块通过所建立的型面数据和模型反演建立缺陷零件表面缺陷区域的喷涂修复路径，并进行可控涂层制备，接着，比较模块将建立的喷涂修复路径与喷涂模块中所存储的标准零件表面喷涂参数进行对比，根据对比误差结果，对缺陷零件表面缺陷区域的修复表面喷涂参数进行动态优化，向喷枪输出对缺陷零件进行表面缺陷区域修复的表面喷涂参数；若对比结果在喷涂修复作业的范围之外，则对缺陷零件终止本次喷涂修复（可以作报废处理或转入其他修复作业中）。
喷枪的动作由计算机上的驱动程序控制，而驱动程序则接收比较模块输出的表面喷涂参数，因而，喷枪根据比较模块输出的表面喷涂参数，对缺陷零件的表面缺陷区域进行针对性的喷涂修复。
通过上述系统已修复的修复零件可以进行修复误差的分析对比，具体是，将修复零件当作缺陷零件进行处理即可，即重复缺陷零件的修复过程，若修复误差在规定的允许范围内，则喷涂修复处理完毕；若修复误差超出所规定的允许范围，则根据修复误差的分析结果，将修复零件转入其他修复作业中，进行后期加工处理，然后再重新扫描，以便分析修复误差，直至修复误差在允许的范围内。
实施例2
参见图2所示，本发明为精密零件（例如发动机叶片、尤其是航空发动机叶片）的表面缺陷修复方法，其包括下列步骤：
步骤1. 采用三维扫描系统扫描采集标准零件的型面数据；具体的，三维扫描系统主要由双目工业相机、投影仪、转台和定位平面组成；转台、投影仪和双目工业相机的动作由计算机控制，计算机上设有对应的数据处理程序，通过处理程序对扫描采集到的数据进行处理，投影仪用于投影结构光到转台上的被测精密零件上，双目工业相机用于抓拍投影仪投影到被测精密零件上以后所产生的变形条纹图，定位平面用于对转台进行定位，作为参照对比的基准；扫描采集方法是，先对整个扫描系统进行标定，再以定位平面为基准对转台进行定位，然后将被测精密零件固定在转台上，由投影仪投影蓝色结构光到被测精密零件上，双目工业相机分别抓拍变形条纹，然后进行相位解算及匹配，得到单次测量的叶片点云数据，计算机上的处理程序自动控制转动转台，重复投影抓拍解算过程，得到被测精密零件的360°多视角的扫描测量数据，利用定位的四元数及旋转中心对扫描测量数据进行计算，自动完成被测精密零件型面的拼接，获得被测精密零件型面的完整融合数据；最后，利用ICP算法，对转台的机械误差进行补偿，获取高精度的被测精密零件的完整融合数据；
步骤2. 收集获取三维扫描系统对标准零件所扫描采集的型面数据，根据三维扫描系统对标准零件所扫描采集的型面数据，对应的建立标准零件的模型，并将标准零件的型面数据和模型存储；
步骤3. 获取标准零件的型面数据和模型，根据标准零件的型面数据和模型，进行喷涂设计，获得标准零件的表面喷涂参数，进而建立包含型面喷涂路径规划（以曲面拓扑原理建立）、建立喷枪运行工况和喷涂材料（即颗粒）特性在内的喷涂数据库；前述喷涂材料特性包括喷涂材料在碰撞基底前的特性（包括粒子在撞击基底前的温度、速度等离散数据信息等）、在碰撞基底形成的涂层、所形成涂层的热障性能、所形成涂层的结构强度等，这样有利于优化喷涂设计和选择涂层微结构，能够通过反问题求解法确立涂层制备的工艺条件；前述喷枪运行工况的建立是，使用熔融因子和飞行雷诺数等无量纲物理概念，建立喷枪操作条件与粒子在撞击基底时的状态，包括速度、温度、尺寸等，以及splat特性等，确立喷涂工况以及喷枪与基底的相对位置等；
步骤4. 采用三维扫描系统扫描采集缺陷零件的型面数据（扫描方法如步骤1），根据三维扫描系统对缺陷零件所扫描采集的型面数据，对应的建立缺陷零件的模型，并将缺陷零件的型面数据和模型存储；
步骤5. 读取缺陷零件的表面数据（包括型面数据和模型），将所读取的缺陷零件的表面数据与对应标准零件的表面数据进行对比，完成误差量化分析，若对比结果在喷涂修复作业的范围之内，则根据对比结果建立缺陷零件表面缺陷区域的型面数据和模型，完成维修评估，基于维修评估报告的信息，通过所建立的型面数据和模型反演建立缺陷零件表面缺陷区域的喷涂修复路径，并进行可控涂层制备，接着，将建立的喷涂修复路径与步骤3中的标准零件表面喷涂参数进行对比根据对比误差结果，对缺陷零件表面缺陷区域的修复表面喷涂参数进行动态优化，向喷枪输出对缺陷零件进行表面缺陷区域修复的表面喷涂参数；若对比结果在喷涂修复作业的范围之外，则对缺陷零件终止本次喷涂修复（可以作报废处理或转入其他修复作业中）；
步骤6. 喷枪根据步骤5所输出的表面喷涂参数，对缺陷零件的表面缺陷区域进行针对性的喷涂修复；
步骤7. 对步骤6喷涂修复的修复零件进行检验再修复，所述检验再修复具体是重复执行上述步骤4、步骤5和步骤6（即将修复零件当作缺陷零件处理），直至修复误差在允许的范围内。
以上各实施例仅用以说明本发明，而非对其限制；尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：本发明依然可以对上述各实施例中的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种精密零件表面缺陷修复系统，其特征在于，所述修复系统包括：
-三维扫描系统，所述三维扫描系统用于分别扫描采集标准零件和缺陷零件的型面数据；
-标准零件模块，所述标准零件模块根据三维扫描系统对标准零件所扫描采集的型面数据，对应的建立标准零件的模型，并将标准零件的型面数据和模型存储；
-喷涂模块，所述喷涂模块根据标准零件模块所存储的标准零件的型面数据和模型，获得标准零件的表面喷涂参数，建立包含型面喷涂路径规划、喷枪运行工况和喷涂材料特性在内的数据库；
-缺陷零件模块，所述缺陷零件模块根据三维扫描系统对缺陷零件所扫描采集的型面数据，对应的建立缺陷零件的模型，并将缺陷零件的型面数据和模型存储；
-比较模块，所述比较模块用于读取缺陷零件模块所存储的缺陷零件的表面数据，将所读取的缺陷零件的表面数据与标准零件模块所存储的对应标准零件的表面数据进行对比，若对比结果在喷涂修复作业的范围之内，则比较模块根据对比结果建立缺陷零件表面缺陷区域的型面数据和模型，比较模块通过所建立的型面数据和模型反演建立缺陷零件表面缺陷区域的喷涂修复路径，所述比较模块将建立的喷涂修复路径与喷涂模块中所存储的标准零件表面喷涂参数进行对比优化，向喷枪输出对缺陷零件进行表面缺陷区域修复的表面喷涂参数；
-喷枪，所述喷枪根据比较模块输出的表面喷涂参数，对缺陷零件的表面缺陷区域进行针对性的喷涂修复。
2.根据权利要求1所述精密零件表面缺陷修复系统，其特征在于，所述喷涂材料特性包括喷涂材料在碰撞基底前的特性、在碰撞基底形成的涂层、所形成涂层的热障性能、所形成涂层的结构强度。
3.根据权利要求1或2所述精密零件表面缺陷修复系统，其特征在于，所述精密零件为航空发动机的叶片。
4.一种精密零件表面缺陷修复方法，包括下列步骤：
步骤1. 采用三维扫描系统扫描采集标准零件的型面数据；
步骤2. 根据三维扫描系统对标准零件所扫描采集的型面数据，对应的建立标准零件的模型，并将标准零件的型面数据和模型存储；
步骤3. 根据标准零件模块所存储的标准零件的型面数据和模型，获得标准零件的表面喷涂参数，建立包含型面喷涂路径规划、喷枪运行工况和喷涂材料特性在内的数据库；
步骤4. 采用三维扫描系统扫描采集缺陷零件的型面数据，根据三维扫描系统对缺陷零件所扫描采集的型面数据，对应的建立缺陷零件的模型，并将缺陷零件的型面数据和模型存储；
步骤5. 读取缺陷零件的表面数据，将所读取的缺陷零件的表面数据与对应标准零件的表面数据进行对比，若对比结果在喷涂修复作业的范围之内，则根据对比结果建立缺陷零件表面缺陷区域的型面数据和模型，通过所建立的型面数据和模型反演建立缺陷零件表面缺陷区域的喷涂修复路径，将建立的喷涂修复路径与步骤3中的标准零件表面喷涂参数进行对比优化，向喷枪输出对缺陷零件进行表面缺陷区域修复的表面喷涂参数；
步骤6. 喷枪根据步骤5所输出的表面喷涂参数，对缺陷零件的表面缺陷区域进行针对性的喷涂修复。
5.根据权利要求4所述精密零件表面缺陷修复方法，其特征在于：步骤3中的喷涂材料特性包括喷涂材料在碰撞基底前的特性、在碰撞基底形成的涂层、所形成涂层的热障性能、所形成涂层的结构强度。
6.根据权利要求4所述精密零件表面缺陷修复方法，其特征在于：所述修复方法还对喷涂修复完毕的零件进行检验再修复，所述检验再修复是执行步骤4、步骤5和步骤6。
7.根据权利要求4、5或6所述精密零件表面缺陷修复方法，其特征在于，所述精密零件为航空发动机的叶片。
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