CN107856309B - 一种增材制造与再制造快速路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种增材制造与再制造快速路径规划方法，包括：将零件的损伤区域规则化成尽可能小且不干涉零件的其他结构的形状；扫描获得规则化后的损伤部位的一组点云数据；直接对点云数据利用平面进行等间距切片处理，得到一组离散点云环；将点云环投影到切片平面上，扫描填充得出扫描路径。能够避免复杂的建模过程，同时显著减少大量的数据运算，有效提高了实际工作效率。去除繁琐的CAD模型建立过程，并且采用相对较为简单的算法实现扫描路径规划，能够有效解决扫描路径规划过程中运算数据量大、计算效率低的问题，显著缩短增材再制造的时间周期。

Description

一种增材制造与再制造快速路径规划方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，特别是涉及一种增材制造与再制造快速路径规划方法。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing)技术是根据CAD/CAM设计，使用激光/电弧等高能束作为热源熔化材料，采用逐层堆积的方法制造实体零件的技术，相对于传统的减材制造技术，它是一种材料累积的制造方法，其极大程度提高了材料的利用率、缩短产品的生产周期，大幅提高生产效率和制造技术的核心竞争力。

增材再制造是利用AM技术对因磨损、断裂、腐蚀等缘由造成零部件尺寸缺失进行增材修复，并在增材修复的同时利用新材料、新工艺及新技术使其综合性能到达甚至超过新品性能。增材再制造可极大程度的减少因服役损伤、加工失误损伤和制造缺陷等造成的大型零件的报废，极大程度上延长了零件的使用寿命，其在大型飞机结构件的修复上得到广泛运用。

目前，如图1所示的增材再制造中通用的扫描路径规划方法：将用三维软件设计的零件CAD模型转化为STL文件导入到成形软件中，然后按照增材制造的分层厚度将三维模型进行分层切片处理，得到实体模型的边缘轮廓线，最后确定每层的扫描路径并逐层堆积完成零件的制造或修复。

其具体操作方法如下：

1)建立CAD模型：增材再制造的结构为零件的损坏区域，如何得到缺损部分的实物模型，显然采用正向设计无法解决，这就需要用到逆向建模。逆向建模是采用三维扫描仪对实体模型进行点数据的采集，通过初步处理，然后将点云数据导入通用的三维CAD软件，运用逆向模块进行实体建模进而得到CAD模型。

2)模型切片处理：将CAD模型转化为STL格式文件，其中STL文件是采用离散化的思想将实体模型表面三角面化，即用大量的三角面片去拟合原来的三维模型。因此，切片处理也即求出切割平面与各三角形边的交点，并逐次连接各点从而求出切面轮廓，如图2所示。

3)扫描路径规划：对于某层截面轮廓线，以扫描间距为宽度，采用等间距的直线段分割轮廓线，求出各直线与轮廓线的交点，连接对应交点即为扫描路径，如图3所示。

4)按各层扫描线逐层扫描制造：按规划得到的每层扫描轨迹进行扫描，逐层累加制造，直至最终完成零件的增材制造或再制造。

在实际工作过程中发现，常用的扫描路径规划方法需要通过获取的点云数据建立CAD模型，然后对比标准模型从而获取零件损伤区域模型，其过程较为繁琐。同时，切片处理和路径规划两个过程均传统计算机算法，其计算数据量大，计算效率低，从而导致实际工作中零件修复效率低。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种增材制造与再制造快速路径规划方法，能够避免复杂的建模过程，同时显著减少大量的数据运算，有效提高了实际工作效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种增材制造与再制造快速路径规划方法，包括：

将零件的损伤区域规则化成尽可能小且不干涉零件的其他结构的形状；

扫描获得规则化后的损伤部位的一组点云数据；

直接对点云数据利用平面进行等间距切片处理，得到一组离散点云环；

将点云环投影到切片平面上,采用算术平均的方法求起止点，扫描填充得出扫描路径。

所述将零件的损伤区域规则化成尽可能小且不干涉零件的其他结构的形状的具体方法是：

设损伤零件的修复方向为Z向，采用一种形状的一个包围盒或者多种形状包围盒组合或者一种形状的多个包围盒组合，对零件的损伤区域进行规则化处理，将损伤区域打磨成尽量小且不干涉零件其他结构的规则形状，平行于Z向看规则化后的形状为一种形状或多种形状的组合，垂直Z向看坡口损伤部位规则化成坡口。

所述包围盒的形状包括：矩形、圆形、三角形。

采用矩形包围盒对所述零件的损伤区域进行规则化处理时，矩形包围盒四角采用圆角形式过渡；对于多个矩形包围盒组合时，两个矩形包围盒接合处不加圆角过渡；针对位于零件边缘的损伤区域，规则化处理时零件边缘处不加圆角过渡。

所述坡口为梯形坡口，且所述坡口与零件表面夹角大于45度，且坡口底面与侧面采用圆角过渡。

所述直接对点云数据利用平面进行等间距切片处理之前，对点云数据进行去噪声处理和稀疏化处理。

所述直接对点云数据利用平面进行等间距切片处理的具体方法是：切完当前层增加一个增材制造层厚，对下一层进行切片处理，直至将整组点云数据都处理完，将切片处理得到的各层点云数据分别投影到各层平面，得到离散点云环。

所述扫描路径根据扫描方向不同分为横向扫描路径、纵向扫描路径。

所述扫描路径为横向扫描路径时，扫描填充的方法具体是：

将离散点云环数据置于坐标系中，寻找最高点纵坐标y_max与最低点纵坐标y_min；

定义直线l₀：y＝y_min，抬升直线l₀得到直线l₁:y₁＝y_min+Δy，其中Δy为增材再制造过程中扫描间距；

在左半部分点云中寻找直线l₁上方距直线l₁最近点A₁(x_a,y_a)，再寻找直线l₁下方距直线l₁最近点B₁(x_b,y_b)，求取该两点横坐标的算术平均值

确定扫描路径左侧端点M₁(x₁,y₁)；

在右半部分点云中寻找直线l₁上方距直线l₁最近点C₁(x_c,y_c)，再寻找直线l₁下方距直线l₁最近点D₁(x_d,y_d)，求得取该两点横坐标的算术平均值

确定扫描路径右侧端点N₁(x₂,y₁)；

连接扫描路径左侧端点、右侧端点所成的直线段MN，即为该道扫描路径；

同理，逐次抬高直线l_i至y_max≤l_i≤y_max+Δy，依次求取每道扫描路径得到一系列平行线，连接每条直线段即为该层扫描路径。

所述扫描路径为纵向扫描路径时，扫描填充的方法具体是：

将离散点云环数据置于坐标系中，寻找横坐标最大值x_max与横坐标最小值x_min；

定义直线l₀′：x＝x_min，抬升直线l₀′得到直线l₁′:x₁′＝x_min+Δx，其中Δx为增材再制造过程中扫描间距；

在上半部分点云中寻找直线l₁′右方距直线l₁′最近点A₁′(x_a′,y_a′)，再寻找直线l₁′左方距直线l₁′最近点B₁′(x_b′,y_b′)，求取该两点纵坐标的算术平均值

确定扫描路径上侧端点M₁′(x₁′,y₁′)；

在下半部分点云中寻找直线l₁′右方距直线l₁′最近点C₁′(x_c′,y_c′)，再寻找直线l₁′左方距直线l₁′最近点D₁′(x_d′,y_d′)，求得取该两点纵坐标的算术平均值

确定扫描路径下侧端点N₁′(x₁′,y₂′)；

连接扫描路径下侧端点、上侧端点所成的直线段M′N′，即为该道扫描路径。

同理，逐次右移直线l_i′至x_max≤l_i′≤x_max+Δx，依次求取每道扫描路径得到一系列平行线，连接每条直线段即为该层扫描路径。

有益效果：

本发明与现有技术相比，去除繁琐的CAD模型建立过程，并且采用相对较为简单的算法实现扫描路径规划，能够有效解决扫描路径规划过程中运算数据量大、计算效率低的问题，显著缩短增材再制造的时间周期，有效提高了工作效率。

附图说明

图1是增材再制造中通用的扫描路径规划方法流程图；

图2是图1所示方法得到的切面轮廓示意图；

图3是图1所示方法得到的扫描路径示意图；

图4是本发明具体实施方式中的一种增材制造与再制造快速路径规划方法流程图；

图5是本发明具体实施方式中的规则化处理示意图，(a)为矩形包围盒规则化处理示意图示意图，(b)为多个矩形包围盒组合规则化处理示意图；

图6是本发明具体实施方式中的损伤区域位于零件边缘的规则化处理示意图；

图7是本发明具体实施方式中的坡口形状示意图；

图8是本发明具体实施方式中的离散点云环示意图；

图9是本发明具体实施方式中的扫描填充流程图；

图10是本发明具体实施方式中的扫描填充示意图；

图11是本发明具体实施方式中的扫描路径得到的一系列平行线；

图12(a)～(c)分别是本发明具体实施方式中的三种扫描路径。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

本实施方式提供如图4所示的一种增材制造与再制造快速路径规划方法，包括：

步骤1、将零件的损伤区域规则化成尽可能小且不干涉零件的其他结构的形状；

具体方法是：

设损伤零件的修复方向为Z向，考虑零件的实际形状与结构，同时考虑增材再制造过程产生的热影响，在不影响其他结构性能的情况下，采用一种形状的一个包围盒或者多种形状包围盒组合或者一种形状的多个包围盒组合，对零件的损伤区域进行规则化处理，将损伤区域打磨成尽量小且不干涉零件其他结构的规则形状，可以采用矩形、圆形、三角形等多种形状中的一种形状包围盒或者多种形状包围盒组合进行规则化处理，平行于Z向看规则化后的形状为一种形状或多种形状的组合，垂直Z向看坡口损伤部位规则化成坡口。

本实施方式中对于不同的损伤形状均优选按矩形包围盒规则化处理，并使矩形包围盒面积最小，如图5(a)所示。对于损伤尺寸较大，也可采用多个矩形包围盒组合规则化形式，如图5(b)所示。矩形包围盒四角优选采用圆角形式过渡，圆角半径R＝3mm，也可根据激光光斑半径放大或缩小；对于多个矩形包围盒组合规则化形式，两个矩形包围盒接合处不加圆角过渡，如图5(b)所示。若损伤区域位于零件边缘，规则化时零件边缘处不加圆角过渡，如图6所示。

为了保证修复区域与零件基体结合良好，应使得修复过程中热源在基体表面形成良好熔池，垂直Z向看坡口损伤部位规则化成坡口，优选为图7所示梯形坡口而非直角矩形坡口。并且，在研究过程中发现选择合适的坡口角度，两侧基体对于热量的吸收率较高，形成的熔池更加良好，因此，坡口与零件表面夹角优选大于45度，如零件尺寸受限、结构干涉或其他情况最小也不应小于30度。同时，为防止坡口底角处出现熔合不良等现象，坡口底面与侧面应采用圆角过渡，半径R＝3mm，如图7所示。

步骤2、扫描获得规则化后的损伤部位的一组点云数据；

本实施方式优选采用三维扫描仪或其他接触式/非接触式采集方法扫描规则化后的损伤区域，得到点云数据，并对点云数据进行去噪声处理和稀疏化处理。

去噪声处理，即去除因扫描误差产生的与实际点集偏差较大的点，避免因误差点导致计算误差；

稀疏化处理，即去除重复或相邻较近的点，可大幅度减少点云数，有效减少后续过程的计算时间。

步骤3、直接对点云数据利用平面进行等间距切片处理，得到一组离散点云环，避免了建模过程，减少了因建模所使用的时间；

如图8所示，直接对点云数据利用平面进行等间距切片处理，切完当前层增加一个增材制造层厚(即增材再制造过程中扫描每层时Z轴抬升量)，对下一层进行切片处理，直至将整组点云数据都处理完，将切片处理得到的各层点云数据分别投影到各层平面，得到离散点云环。

步骤4、将点云环投影到切片平面上，扫描填充得出扫描路径。

扫描路径根据扫描方向不同可分为横向扫描路径或纵向扫描路径。扫描填充得出横向扫描路径为例，给出扫描填充流程如图9所示，扫描填充示意图如图10所示：

将离散点云环数据置于坐标系中，寻找最高点纵坐标y_max与最低点纵坐标y_min；

定义直线l₀：y＝y_min，抬升直线l₀得到直线l₁:y₁＝y_min+Δy，其中Δy为增材再制造过程中扫描间距；

在左半部分点云中寻找直线l₁上方距直线l₁最近点A₁(x_a,y_a)，再寻找直线l₁下方距直线l₁最近点B₁(x_b,y_b)，求取该两点横坐标的算术平均值

确定扫描路径左侧端点M₁(x₁,y₁)；

在右半部分点云中寻找直线l₁上方距直线l₁最近点C₁(x_c,y_c)，再寻找直线l₁下方距直线l₁最近点D₁(x_d,y_d)，求得取该两点横坐标的算术平均值

确定扫描路径右侧端点N₁(x₂,y₁)；

连接扫描路径左侧端点、右侧端点所成的直线段MN，即为该道扫描路径；

同理，逐次抬高直线l_i至y_max≤l_i≤y_max+Δy，依次求取每道扫描路径得到如图11所示的一系列平行线，连接每条直线段即为该层扫描路径，如图12(a)～(c)所示，依据图11得到的平行线将扫描填充线段邻近相连即得到图12(a)所示的扫描轨迹1；或是将扫描填充线段首尾相连，中间虚线为空行程即得到图12(b)所示的扫描轨迹2；或是将扫描填充线段隔行相连即得到图12(c)所示的扫描轨迹3；根据扫描轨迹结合高能束参数、材料送给参数、环境控制和数控系统指令格式生成相应的代码，用于驱动增材制造装备完成零件的增材制造与再制造。

若需求取纵向扫描路径，需将上述过程中的直线改为纵向直线完成扫描。

扫描路径为纵向扫描路径时，扫描填充的方法具体是：

将离散点云环数据置于坐标系中，寻找横坐标最大值x_max与横坐标最小值x_min；

定义直线l₀′：x＝x_min，抬升直线l₀′得到直线l₁′:x₁′＝x_min+Δx，其中Δx为增材再制造过程中扫描间距；

在上半部分点云中寻找直线l₁′右方距直线l₁′最近点A₁′(x_a′,y_a′)，再寻找直线l₁′左方距直线l₁′最近点B₁′(x_b′,y_b′)，求取该两点纵坐标的算术平均值

确定扫描路径上侧端点M₁′(x₁′,y₁′)；

在下半部分点云中寻找直线l₁′右方距直线l₁′最近点C₁′(x_c′,y_c′)，再寻找直线l₁′左方距直线l₁′最近点D₁′(x_d′,y_d′)，求得取该两点纵坐标的算术平均值

确定扫描路径下侧端点N₁′(x₁′,y₂′)；

连接扫描路径下侧端点、上侧端点所成的直线段M′N′，即为该道扫描路径。

同理，逐次右移直线l_i′至x_max≤l_i′≤x_max+Δx，依次求取每道扫描路径得到一系列平行线，连接每条直线段即为该层扫描路径。

Claims (8)

1.一种增材制造与再制造快速路径规划方法，其特征在于，包括：

将零件的损伤区域规则化成尽可能小且不干涉零件的其他结构的形状；

扫描获得规则化后的损伤部位的一组点云数据；

直接对点云数据利用平面进行等间距切片处理，得到一组离散点云环；

将点云环投影到切片平面上，扫描填充得出扫描路径；

所述直接对点云数据利用平面进行等间距切片处理的具体方法是：切完当前层增加一个增材制造层厚，对下一层进行切片处理，直至将整组点云数据都处理完，将切片处理得到的各层点云数据分别投影到各层平面，得到离散点云环；

所述扫描路径为横向扫描路径时，扫描填充的方法具体是：

将离散点云环数据置于坐标系中，寻找最高点纵坐标y_max与最低点纵坐标y_min；

定义直线l₀：y＝y_min，抬升直线l₀得到直线l₁:y₁＝y_min+Δy，其中Δy为增材再制造过程中扫描间距；

在左半部分点云中寻找直线l₁上方距直线l₁最近点A₁(x_a,y_a)，再寻找直线l₁下方距直线l₁最近点B₁(x_b,y_b),求得取该两点横坐标的算术平均值

确定扫描路径左侧端点M₁(x₁,y₁)；

在右半部分点云中寻找直线l₁上方距直线l₁最近点C₁(x_c,y_c)，再寻找直线l₁下方距直线l₁最近点D₁(x_d,y_d),求得取该两点横坐标的算术平均值

确定扫描路径右侧端点N₁(x₂,y₁)；

连接扫描路径左侧端点、右侧端点所成的直线段MN，即为该道扫描路径；

同理，逐次抬高直线l_i至y_max≤l_i≤y_max+Δy，依次求取每道扫描路径得到一系列平行线，连接每条直线段即为该层扫描路径。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将零件的损伤区域规则化成尽可能小且不干涉零件的其他结构的形状的具体方法是：

设损伤零件的修复方向为Z向，采用一种形状的一个包围盒或者多种形状包围盒组合或者一种形状的多个包围盒组合，对零件的损伤区域进行规则化处理，将损伤区域打磨成尽量小且不干涉零件其他结构的规则形状，平行于Z向看规则化后的形状为一种形状或多种形状的组合，垂直Z向看坡口损伤部位规则化成坡口。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述包围盒的形状包括：矩形、圆形、三角形。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，采用矩形包围盒对所述零件的损伤区域进行规则化处理时，矩形包围盒四角采用圆角形式过渡；对于多个矩形包围盒组合时，两个矩形包围盒接合处不加圆角过渡；针对位于零件边缘的损伤区域，规则化处理时零件边缘处不加圆角过渡。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述坡口为梯形坡口，且所述坡口与零件表面夹角大于45度，且坡口底面与侧面采用圆角过渡。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直接对点云数据利用平面进行等间距切片处理之前，对点云数据进行去噪声处理和稀疏化处理。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扫描路径根据扫描方向不同分为横向扫描路径、纵向扫描路径。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扫描路径为纵向扫描路径时，扫描填充的方法具体是：

将离散点云环数据置于坐标系中，寻找横坐标最大值x_max与横坐标最小值x_min；

定义直线l₀′：x＝x_min，抬升直线l₀′得到直线l₁′:x₁′＝x_min+Δx，其中Δx为增材再制造过程中扫描间距；

在上半部分点云中寻找直线l₁′右方距直线l₁′最近点A₁′(x_a′,y_a′)，再寻找直线l₁′左方距直线l₁′最近点B₁′(x_b′,y_b′),求得取该两点纵坐标的算术平均值

确定扫描路径上侧端点M₁′(x₁′,y₁′)；

在下半部分点云中寻找直线l₁′右方距直线l₁′最近点C₁′(x_c′,y_c′)，再寻找直线l₁′左方距直线l₁′最近点D₁′(x_d′,y_d′),求得取该两点纵坐标的算术平均值

确定扫描路径下侧端点N₁′(x₁′,y₂′)；

连接扫描路径下侧端点、上侧端点所成的直线段M′N′，即为该道扫描路径；

同理，逐次右移直线l_i′至x_max≤l_i′≤x_max+Δx，依次求取每道扫描路径得到一系列平行线，连接每条直线段即为该层扫描路径。

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