CN108274187A - 一种复杂曲面零件缺陷修复系统及修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂曲面零件缺陷修复系统及修复方法，该修复系统包括三维非接触精密测量系统，用于对零件进行扫描，重构零件实体模型；在线激光测量系统，用于在线测量零件表面的实时变化；机器人自动焊接系统，根据在线激光测量系统对零件表面实时检测数据进行分析、确定的焊接位置参数，对零件表面缺陷处进行焊接；机器人自动打磨系统，去除零件表面经所述机器人自动焊接系统焊接后多余的填料，并对零件表面进行精磨处理。整个修复系统结构简单，操作简便，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，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。

Description

一种复杂曲面零件缺陷修复系统及修复方法

技术领域

本发明涉及零件的表面修复技术领域，具体涉及一种复杂曲面零件缺陷修复系统及修复方法。

背景技术

具有复杂曲面的零件如模具、能源、交通、航天航空、航海等领域中常用的叶片类零件，由于长时间运行在高温、高热、高速等恶劣环境下，容易产生裂纹、腐蚀、断裂等损伤，如继续使用会产生不良的后果。传统的修复加工方法通常是用手工完成堆焊、磨削、抛光等步骤，而由于具有复杂曲面的零件破损形状复杂，传统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得到可靠保证。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种能够可靠地实现智能化、高质量、高效修复的复杂曲面零件缺陷修复系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种复杂曲面零件缺陷修复系统，所述修复系统包括：

三维非接触精密测量系统，用于对零件进行扫描，重构零件实体模型；

在线激光测量系统，用于在线测量零件表面实时变化；

机器人自动焊接系统，根据所述在线激光测量系统对零件表面实时检测数据进行分析、确定的焊接位置参数，对零件表面缺陷处进行焊接；

机器人自动打磨系统，根据所述三维非接触精密测量系统生成的零件实体模型与理论设计模型的对比结果，及所述在线激光测量系统对零件表面的实时检测数据，去除零件表面经所述机器人自动焊接系统焊接后多余的填料，并对零件表面进行精磨处理。

优选地，所述的焊接位置参数包括焊接起始位置、焊接结束位置、焊缝偏移距离、堆焊层数。

优选地，所述修复系统还包括用于安装零件的多轴变位机，所述多轴变位机用于调整所述零件的工作位置、角度。

本发明的另一个目的是提供一种复杂曲面零件缺陷修复方法，骤包括如下步骤：

1）采用三维非接触精密测量系统对零件表面进行扫描，构建实体模型，并与理论设计模型进行比较，提取缺陷数据；

2）对步骤1）所提取的缺陷数据进行曲线拟合；

3）将经步骤2）曲线拟合后的缺陷数据按照给定尺度进行离散化，得到一数据阵列，将所述数据阵列传送给在线激光测量系统，在线激光测量系统对零件的位置进行矫正，以满足机器人自动焊接系统的焊接要求；

4）机器人自动焊接系统按照在线激光测量系统所确定的焊接位置参数进行焊接；

5）焊接结束后，机器人自动打磨系统对零件表面的焊接处去氧化层及多余量处理；

6）在线激光测量系统对焊接结果进行测量分析，给出打磨参数；

7）机器人自动打磨系统根据步骤6）给出的打磨参数对零件表面焊接处进行打磨处理。

优选地，所述修复方法还包括对打磨完毕后的零件进行检验与再修复，具体的，由在线激光测量系统对步骤7）所得到的打磨结果进行测量，测量后重复步骤5）、步骤6）和步骤7）。

优选地，步骤1）中采用了几何修复方法提取所述缺陷数据。

这里的几何修复方法首先通过建立复杂曲面破损零件的实测截面数据与其名义几何模板曲线之间的关系，然后利用交替迭代精配准和自由变形的优化方法，即轮换变量法计算实际测量点到模板曲线的最近点和平移、旋转、变形变换矩阵的求解，逐步减小模板曲线和破损零件实测数据之间的几何偏差，使设计模板曲线与测量点最大限度地贴合，从而重建缺损的截面轮廓曲线，最后对截面轮廓进行蒙皮操作生成复杂零件的曲面，有效恢复了破损区域几何形状。

优选地，所述的焊接位置参数包括焊接起始位置、焊接结束位置、焊缝偏移距离、堆焊层数。

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：本发明的复杂曲面零件缺陷修复系统，包括三维非接触精密测量系统、在线激光测量系统、机器人自动焊接系统、机器人自动打磨系统。整个修复系统结构简单，操作简便，通过使用三维非接触精密测量系统对零件表面进行扫描并进行实体模型重构，与理论设计模型进行比较，提取缺陷数据，并将该缺陷数据传递给在线激光测量系统，在线激光测量系统对零件表面的实时变化进行测量，调整零件位置，并给出焊接位置参数，而后机器人自动焊接系统根据焊接位置参数进行焊接操作，机器人自动打磨系统再根据在线激光测量系统给出的打磨参数进行打磨，这样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，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

附图1为本发明所述的复杂曲面零件缺陷修复系统的原理图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。

一种复杂曲面零件缺陷修复系统，该修复系统包括三维非接触精密测量系统、在线激光测量系统、机器人自动焊接系统及机器人自动打磨系统，参见图1所示。

具体的，该三维非接触精密测量系统用于对零件进行扫描，重构零件实体模型；在线激光测量系统，用于在线测量零件表面及实时变化；机器人自动焊接系统根据在线激光测量系统所确定的焊接位置参数，对零件表面缺陷处进行焊接，这里的焊接位置参数是由在线激光测量系统对零件表面实时检测数据进行分析后得到的；机器人自动打磨系统，根据三维非接触精密测量系统生成的零件实体模型与理论设计模型的对比结果，及在线激光测量系统对零件表面的实时检测数据，去除零件表面经机器人自动焊接系统焊接后多余的填料，并对零件表面进行精磨处理。

采用该修复系统对零件表面进行修复时，具体的操作步骤如下：

1）采用三维非接触精密测量系统对零件表面进行扫描，重构实体模型，并与理论设计模型进行比较，提取缺陷数据；

2）对步骤1）所提取的缺陷数据进行曲线拟合；

3）将经步骤2）曲线拟合后的缺陷数据按照给定尺度进行离散化，得到一数据阵列，将该数据阵列传送给在线激光测量系统，在线激光测量系统对零件的位置进行矫正，以满足机器人自动焊接系统的焊接要求，具体的可以采用多轴变位机，将零件置于多轴变位机上，在线激光测量系统通过控制多轴变位机来调整零件的工作位置、角度；

4）机器人自动焊接系统按照在线激光测量系统所确定的焊接位置参数进行焊接，这里的焊接位置参数包括焊接起始位置、焊接结束位置、焊缝偏移距离、堆焊层数；

5）焊接结束后，机器人自动打磨系统对零件表面的焊接处去氧化层处理；

6）在线激光测量系统对焊接结果进行测量分析，给出打磨参数；

7）机器人自动打磨系统根据步骤6）给出的打磨参数对零件表面焊接处进行打磨处理；

8）通过在线激光测量系统对步骤7）所得到的打磨结果进行检验、测量，测量后重复步骤5）、步骤6）和步骤7）对零件进一步做修磨处理。

在步骤1）中如果被测零件没有理论设计模型，那么必须要对零件进行建模，特别是要对缺陷部分建立双模型：零件轮廓模型与缺陷轮廓模型。具体的，采用NURBS曲面模型来建立轮廓模型。NURBS曲面的拟合一般是根据点云数据点，在满足精度和光滑性等要求的条件下，反算出NURBS曲面控制点及相应权值，从而重构出NURBS曲面。拟合算法可以是基本的逼近法，插补法或二者的结合。

利用OpenGL库函数来拟合并重构出具有逼真效果的NURBS曲面模型，但是OpenGL库函数是通过控制点来绘制NURBS曲面，不能通过点云数据直接构建NURBS曲面，需要反算出NURBS曲面控制点网阵列，才能利用OpenGL技术进行曲面拟合和重构。

步骤1）中采用了几何修复方法来提取缺陷数据。具体的，该几何修复方法首先通过建立复杂曲面破损零件的实测截面数据与其名义几何模板曲线之间的关系，然后利用交替迭代精配准和自由变形的优化方法，即轮换变量法计算实际测量点到模板曲线的最近点和平移、旋转、变形变换矩阵的求解，逐步减小模板曲线和破损零件实测数据之间的几何偏差，使设计模板曲线与测量点最大限度地贴合，从而重建缺损的截面轮廓曲线，最后对截面轮廓进行蒙皮操作生成复杂零件的曲面，有效恢复了破损区域几何形状。

该几何修复方法解决了复杂曲面破损零件三维测量数据与原CAD模型偏差大的问题，保证几何修复的精确性和实用性。通过上述方法所获得的缺陷数据是在法线方向的阵列，此数据如何运用还需要与实际的工装以及工件的位置等因素综合考虑。

这里，零件在焊接之前的定位、焊接过程中的焊道跟踪以及焊后的尺寸测量都需要在线完成，在线激光测量系统实现了对焊接轨迹、打磨路径或多轴变位机转动的精确控制，同时机器人自动焊接系统、机器人自动打磨系统接收到在线激光测量系统传来的数据，可实时转换为相应的控制参数，如运动速度、加速度、定位坐标及运动方向等。从而确保了该修复系统能够智能化、高质量、高效率的修复具有复杂曲面的缺陷零件。

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据以实施，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之内。

Claims (7)

1.一种复杂曲面零件缺陷修复系统，其特征在于，所述修复系统包括：

三维非接触精密测量系统，用于对零件进行扫描，重构零件实体模型；

在线激光测量系统，用于在线测量零件表面实时变化；

机器人自动焊接系统，根据所述在线激光测量系统对零件表面实时检测数据进行分析、确定的焊接位置参数，对零件表面缺陷处进行焊接；

机器人自动打磨系统，根据所述三维非接触精密测量系统生成的零件实体模型与理论设计模型的对比结果，及所述在线激光测量系统对零件表面的实时检测数据，去除零件表面经所述机器人自动焊接系统焊接后多余的填料，并对零件表面进行精磨处理。

2.根据权利要求1所述的修复系统，其特征在于，所述的焊接位置参数包括焊接起始位置、焊接结束位置、焊缝偏移距离、堆焊层数。

3.根据权利要求1所述的修复系统，其特征在于，所述修复系统还包括用于安装零件的多轴变位机，所述多轴变位机用于调整所述零件的工作位置、角度。

4.一种复杂曲面零件缺陷修复方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）采用三维非接触精密测量系统对零件表面进行扫描，构建实体模型，并与理论设计模型进行比较，提取缺陷数据；

2）对步骤1）所提取的缺陷数据进行曲线拟合；

3）将经步骤2）曲线拟合后的缺陷数据按照给定尺度进行离散化，得到一数据阵列，将所述数据阵列传送给在线激光测量系统，在线激光测量系统对零件的位置进行矫正，以满足机器人自动焊接系统的焊接要求；

4）机器人自动焊接系统按照在线激光测量系统所确定的焊接位置参数进行焊接；

5）焊接结束后，机器人自动打磨系统对零件表面的焊接处去氧化层及多余量处理；

6）在线激光测量系统对焊接结果进行测量分析，给出打磨参数；

7）机器人自动打磨系统根据步骤6）给出的打磨参数对零件表面焊接处进行打磨处理。

5.根据权利要求4所述的修复方法，其特征在于，所述修复方法还包括对打磨完毕后的零件进行检验与再修复，具体的，由在线激光测量系统对步骤7）所得到的打磨结果进行测量，测量后重复步骤5）、步骤6）和步骤7）。

6.根据权利要求4所述的修复方法，其特征在于，步骤1）中采用了几何修复方法提取所述缺陷数据。

7.根据权利要求4所述的修复方法，其特征在于，所述的焊接位置参数包括焊接起始位置、焊接结束位置、焊缝偏移距离、堆焊层数。