CN108972006A - 一种金属零部件的增减复合智能修复系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属零部件的增减复合智能修复系统，包括激光3D打印装置、惰性气体保护手套箱、数控机床系统、三维扫描装置、切削加工装置、支架、数据处理系统；数控机床系统包括机床、能沿X、Y、Z轴移动的运动机构、与运动机构连接的可转动抓取装置和控制系统；激光3D打印装置的熔覆头、三维扫描装置的扫描头、切削加工装置的刀头、支架、以及数控机床系统的机床、运动机构和可转动抓取装置位于惰性气体保护手套箱内；支架上具有支持熔覆头、三维扫描装置的扫描头、切削加工装置的刀头的结构；数据处理系统分别与数控机床和三维扫描装置电连接。本发明能够全自动、高效、精准、低成本地修复金属零部件，具有大规模工业化应用的潜力。
Description
技术领域
本发明涉及金属零部件修复技术领域，更具体地，涉及一种金属零部件的增减复合智能修复系统。
背景技术
金属零部件的修复技术在资源节约型和环境友好型社会的建设中表现出越来越重要的作用，在金属零部件的再制造中得到日益广泛的应用，对于金属零件的维修保障工程发展具有重要意义和应用价值，修复技术也因此得到了巨大的发展。
金属零部件修复的最终目的都是为了恢复损伤零部件的性能，使之与原新产品性能接近或相同。常规的金属零部件的修复技术主要有电镀、电弧或火焰堆焊、等离子喷涂(焊)和激光熔覆等。目前，常规的金属零部件的修复工作主要通过人工完成，受待修零件形状以及损伤缺陷的限制，常规的金属零部件修复技术加工精度不高，喷涂质量难以保障。而且，金属零部件在使用常规技术修复之后需要进一步人工机械加工来修整粗糙不平的零件表面和去除多余修复部分，工作量大，人工成本极高。因此，如何全自动、高效、精准、低成本地利用智能方法修复金属零部件，是金属零部件修复技术领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属零部件的增减复合智能修复系统，能够全自动、更高效、更精准的修复金属零部件。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种金属零部件的增减复合智能修复系统，其特征在于，包括
激光3D打印装置、惰性气体保护手套箱、数控机床系统、三维扫描装置、切削加工装置、支架、数据处理系统；
数控机床系统包括机床、能沿X、Y、Z轴移动的运动机构、与运动机构连接的可转动抓取装置和控制系统；
激光3D打印装置的熔覆头、三维扫描装置的扫描头、切削加工装置的刀头、支架、以及数控机床系统的机床、运动机构和可转动抓取装置位于惰性气体保护手套箱内；
支架上具有支持熔覆头、三维扫描装置的扫描头、切削加工装置的刀头的结构；
数据处理系统分别与数控机床和三维扫描装置电连接。
进一步地，所述数据处理系统包括数据接收模块、清除异常坐标数据模块、三维模型构建模块、增材填充路径规划模块、减材加工路径规划模块和数据输出模块；
所述数据接收模块用于接收来自三维扫描装置的扫描数据，扫描完成时，触发清除异常坐标数据模块；
所述清除异常坐标数据模块用于对数据接收模块接收的扫描数据进行正确性验证，去除异常坐标数据，生成新的三维坐标数据，同时，触发三维模型构建模块；
所述三维模型构建模块用于根据新的三维坐标数据生成三维模型，并将生成的三维模型与未损坏的金属零部件三维模型进行差值对比，得到差值部分的三维模型，根据差值的正负，判断差值部分为多余部分或缺少部分，当差值部分为多余部分时，触发减材加工路径规划模块，当差值部分为缺少部分时，触发增材填充路径规划模块；
所述增材填充路径规划模块用于对缺少部分的三维模型进行增材填充路径规划，并将规划结果传输到数据输出模块；
所述减材加工路径规划模块用于对多余部分的三维模型进行减材加工路径规划，并将规划结果传输到数据输出模块；
所述数据输出模块用于将增材填充路径规划或减材加工路径规划转化为数控机床系统可识别的信号，并将信号传输给数控机床系统。
进一步地，所述清除异常坐标数据模块中，异常坐标数据的判断方法为：比较每一个点的Z轴坐标绝对值|Zi|与该点在XY平面3毫米范围内所有点的Z轴坐标平均值大小，若某一点的则认定该点为异常坐标数据。
进一步地，所述增材填充路径规划模块中，增材填充路径规划的过程为：根据缺失部分的三维XYZ绝对坐标数据的Z轴坐标值，将缺失部分XYZ绝对坐标数据按照指定的层间高度ΔZ沿着Z轴分成若干层；根据每一层缺失部分XYZ绝对坐标数据的X轴坐标值，将每一层缺失部分XYZ绝对坐标数据按照指定的宽度ΔX沿着X轴分成若干段；根据每一段缺失部分XYZ绝对坐标数据的Y轴坐标值，设定增材填充路径从Y轴最小值走到Y轴最大值。
进一步地，所述减材加工路径规划模块中，减材加工路径规划的过程为：根据多余部分的三维XYZ绝对坐标数据的Z轴坐标值，将多余部分XYZ绝对坐标数据按照指定的层间高度ΔZ′沿着Z轴分成若干层；根据每一层多余部分XYZ绝对坐标数据的X轴坐标值，将每一层多余部分XYZ绝对坐标数据按照指定的宽度ΔX′沿着X轴分成若干段；根据每一段多余部分XYZ绝对坐标数据的Y轴坐标值，设定减材填充路径从Y轴最小值走到Y轴最大值。
进一步地，所述三维模型构建模块中，未损坏的金属零部件三维模型可以利用绘图软件根据实际零部件尺寸绘制而成，或利用三维扫描装置扫描未损坏的金属零部件获得。
进一步地，所述切削加工装置的刀头为车刀。
进一步地，所述熔覆头是激光熔覆头、等离子熔覆头、热喷涂熔覆头或电弧喷涂熔覆头。
进一步地，所述三维扫描装置为激光扫描仪或光栅三维扫描仪，所述光栅三维扫描仪为白光扫描或蓝光扫描。
从上述技术方案可以看出，本发明通过将激光3D增材和传统减材方法相结合，并利用数据处理系统和数控机床系统的精准加工，可以实现金属零部件的全自动、更精准、更高效地修复。
附图说明
图1是本发明的金属零部件的增减复合智能修复装备的结构示意图；
图2是本发明的数据处理系统的结构示意图；
图中1为惰性气体保护手套箱，2为运动机构，3为可转动抓取装置，4为三维扫描装置扫描头，5为熔覆头，6为切削加工刀头，7为支架，8为数控机床，9为物料输送装置，10为热源产生装置，11为待修复金属零部件。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1。如图所示，一种金属零部件的增减复合智能修复装备，包括激光3D打印装置、惰性气体保护手套箱、数控机床系统、三维扫描装置、切削加工装置、支架、数据处理系统。
激光3D打印装置包括热源产生装置、物料输送装置、熔覆头，物料输送装置输送的物料可以是丝材或粉末，熔覆头可以是激光熔覆头、等离子熔覆头、热喷涂熔覆头或电弧喷涂熔覆头。激光3D打印装置对待修复金属零部件进行修复。
为了降低惰性气体保护手套箱的体积，优选地，将熔覆头设计成可移动的，可被可转动抓取装置从支架处抓取并移动到待修复金属零部件上方的任意位置进行打印。
数控机床系统包括机床、能沿X、Y、Z轴移动的运动机构、与运动机构连接的可转动抓取装置和控制系统，将待修复金属零部件置于机床上，机床可转动，运动机构位于机床上方，用于将操作扫描装置的扫描头、熔覆头以及切削加工装置的刀头从支架移动到使用位置，使用完毕后，再将它们送回支架处。可转动抓取装置主要为抓取扫描头、熔覆头以及刀头，并且可带动扫描头、熔覆头以及刀头在空间中转动一定角度，配合机床的转动，可以使熔覆头精准定位需要修复的位置。可以通过控制系统完成对运动机构、可移动抓取装置以及机床的运动设置和控制。
激光3D打印装置、数控机床、以及切削加工装置可以为任何一种现有技术。
惰性气体保护手套箱主要为激光修复提供无氧环境。在整个修复过程中，增材修复和减材加工是一气呵成，因此，激光3D打印装置的熔覆头、三维扫描装置的扫描头、切削加工装置的刀头、支架、以及数控机床系统的机床、运动机构和可转动抓取装置位于惰性气体保护手套箱内。
三维扫描装置扫描头对金属零部件进行三维扫描，得到金属零部件表面每一个点的三维空间坐标数据，并将数据传输到数据处理系统，构建金属零部件的实体模型。优选地，三维扫描装置可以为激光扫描仪或光栅三维扫描仪，光栅三维扫描仪可以为白光扫描或蓝光扫描，三维扫描装置的测量精度为0.001～0.005mm。
切削加工装置的刀头优选为车刀。也可以有其它刀头，例如磨头、钻刀、铣刀等，切削加工装置的刀头也可以为上述刀头的任意组合。
可转动抓取装置设置于运动机构上，支架上具有支持熔覆头、三维扫描装置扫描头、切削加工刀头的结构。设备在工作时可以根据需要实现三维扫描装置扫描头、熔覆头和切削加工刀头的自由更换。当需要三维扫描时，可转动抓取装置移动到支架位置，抓取三维扫描装置扫描头，然后对金属零部件进行三维扫描；当需要增材加工时，可转动抓取装置移动到支架位置，抓取熔覆头，然后对金属零部件进行增材填充加工；当需要减材加工时，可转动抓取装置移动到支架位置，抓取切削加工刀头，然后对金属零部件进行减材切削加工。切削加工刀头优选为车刀。
数据处理系统分别与数控机床和三维扫描装置电连接，接收来自扫描装置的坐标信息，将坐标信息转化为三维模型，然后对三维模型进行增材填充路径规划或减材加工路径规划。增材填充路径规划主要是熔覆头扫描路径的规划，可以是打印层厚、激光光斑直径、搭接率等的设计，减材加工路径规划主要是切削加工装置的刀头的路径的规划，可以是去材层厚、刀头每次切削的宽度、刀头的路径等的设计。之后，数据处理系统将增材填充路径规划或减材加工路径规划转化为数控机床系统能够识别的信息传输给数控机床的控制系统，以使数控机床操作运动机构和可转动抓取装置进行修复。通过计算机程序的辅助设计，可以精准控制打印质量以及修复表面的光滑度，提高修复质量。
具体地，参阅图2，数据处理系统包括数据接收模块、清除异常坐标数据模块、三维模型构建模块、增材填充路径规划模块、减材加工路径规划模块和数据输出模块。
数据接收模块用于接收来自三维扫描装置的扫描数据，扫描完成时，触发清除异常坐标数据模块。
清除异常坐标数据模块用于对数据接收模块接收的扫描数据进行正确性验证，去除异常坐标数据，生成新的三维坐标数据，同时，触发三维模型构建模块。异常坐标数据的判断方法为：比较每一个点的Z轴坐标绝对值|Zi|与该点在XY平面3毫米范围内所有点的Z轴坐标平均值大小，若某一点的则认定该点为异常坐标数据。去除异常坐标数据可以使获得的三维模型更准确，从而使修复更准确。
三维模型构建模块用于根据新的三维坐标数据生成三维模型，并将生成的三维模型与未损坏的金属零部件三维模型进行差值对比，得到差值部分的三维模型，根据差值的正负，判断差值部分为多余部分或缺少部分，当差值部分为多余部分时，触发减材加工路径规划模块，当差值部分为缺少部分时，触发增材填充路径规划模块。
增材填充路径规划模块用于对缺少部分的三维模型进行增材填充路径规划，并将规划结果传输到数据输出模块。增材填充路径规划的过程为：根据缺失部分的三维XYZ绝对坐标数据的Z轴坐标值，将缺失部分XYZ绝对坐标数据按照指定的层间高度ΔZ沿着Z轴分成若干层；根据每一层缺失部分XYZ绝对坐标数据的X轴坐标值，将每一层缺失部分XYZ绝对坐标数据按照指定的宽度ΔX沿着X轴分成若干段；根据每一段缺失部分XYZ绝对坐标数据的Y轴坐标值，设定增材填充路径从Y轴最小值走到Y轴最大值。
减材加工路径规划模块用于对多余部分的三维模型进行减材加工路径规划，并将规划结果传输到数据输出模块。减材加工路径规划的过程为：根据多余部分的三维XYZ绝对坐标数据的Z轴坐标值，将多余部分XYZ绝对坐标数据按照指定的层间高度ΔZ′沿着Z轴分成若干层；根据每一层多余部分XYZ绝对坐标数据的X轴坐标值，将每一层多余部分XYZ绝对坐标数据按照指定的宽度ΔX′沿着X轴分成若干段；根据每一段多余部分XYZ绝对坐标数据的Y轴坐标值，设定减材填充路径从Y轴最小值走到Y轴最大值。
数据输出模块用于将增材填充路径规划或减材加工路径规划转化为数控机床系统可识别的信号，并将信号传输给数控机床系统。
未损坏的金属零部件的实体模型可以通过以下途径获得，第一，将未损坏的金属零部件放在数控机床上，用三维扫描装置扫描头进行扫描获得，第二，利用绘图软件根据实际零部件尺寸绘制而成。
通过上述的数据处理系统可以实现自动识别增材加工或减材加工，而且整个过程全自动进行，通过将增材和减材复合，不仅可以提高打印修复的均匀性，提高修复质量，而且可以保证修复表面具有高的光滑度。
本发明的修复系统可以实现对待修复金属零部件的全自动修复，以利用激光熔覆金属粉末来增减复合智能修复TC4钛合金零部件为例，阐述利用上述装备进行金属零部件的增减复合智能修复方法，包括以下步骤：
步骤S1：将TC4钛合金粉末放置到物料输送装置内，设置打印参数，例如激光功率、扫描速度、物料出料速度等。
步骤S2：将未损坏的完整TC4钛合金金属零部件放置到数控机床上，数据处理系统控制运动机构带动可转动抓取装置移动到支架位置，抓取三维扫描装置扫描头，然后对该TC4钛合金金属零部件进行三维扫描，将扫描结果传输至数据处理系统数据处理系统，获得未损坏的完整TC4钛合金金属零部件的实体模型。或者，也可以通过计算机根据未损坏的TC4钛合金金属零部件的尺寸绘制得到。
步骤S3：将待修复TC4钛合金金属零部件置于惰性气体保护手套箱内的数控机床上。
步骤S4：调试数控机床系统，确保运动机构以及可转动抓取装置能够按预定程序正确执行，调试数据处理系统是否与数控机床系统正确匹配。
步骤S5：检查所有电路是否正确连接，所有电器是否正常使用，设置好切削加工装置的参数。
步骤S6：启动系统开始修复。数控机床系统控制运动机构带动可转动抓取装置至支架处，抓取支架上的三维扫描装置扫描头，然后移动至待修复TC4钛合金金属零部件上方，对待修复TC4钛合金金属零部件进行三维扫描，扫描获得的待修复TC4钛合金金属零部件表面每一个点的三维空间坐标数据被传输至数据处理系统，并启动数据处理系统，扫描完成后，将三维扫描装置扫描头放回支架处。
步骤S7：数据处理系统根据扫描的三维坐标信息，经过异常坐标数据清洗后，构建待修复TC4钛合金金属零部件的三维模型，并将待修复TC4钛合金金属零部件的实体模型与未损坏的TC4钛合金金属零部件实体模型进行差值对比，得到需要修复的缺失部分模型，对需要修复的缺失部分模型进行增材填充路径规划，之后，将规划结果传输到数控机床系统；
步骤S8：数控机床系统控制运动机构带动可转动抓取装置至支架处，抓取支架上的熔覆头，移动至待修复TC4钛合金金属零部件的需要修复的缺失部分处，按照规划的增材填充路径进行增材填充修复，修复完成后，将熔覆头放回支架处。
步骤S9：数控机床系统控制运动机构带动可转动抓取装置至支架处，抓取支架上的三维扫描装置扫描头，然后移动至增材填充修复完成的TC4钛合金金属零部件上方，再次对TC4钛合金金属零部件进行三维扫描，扫描获得的修复后金属零部件表面每一个点的三维空间坐标数据被传输至数据处理系统数据处理系统，并启动数据处理系统，扫描完成后，将三维扫描装置扫描头放回支架处。
步骤S10：数据处理系统依据三维空间坐标，经过异常坐标数据清洗后，构建增材填充修复完成的TC4钛合金金属零部件的实体模型，并将增材填充修复完成的TC4钛合金金属零部件的实体模型与未损坏的TC4钛合金金属零部件实体模型进行差值对比，得到增材填充修复完成之后的多余部分模型，对增材填充修复完成之后的多余部分模型进行减材加工路径规划；将减材加工路径规划转化为数控机床系统能够识别的信号，并将信号传输给数控机床系统；
步骤S11：数控机床系统控制运动机构带动可转动抓取装置至支架处，抓取支架上的切削加工刀头，移动至增材填充修复完成之后的多余部分处，按照规划的减材加工路径进行减材处理，完成后，将切削加工刀头放回支架处。至此，整个修复过程完成。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种金属零部件的增减复合智能修复系统，其特征在于，包括
激光3D打印装置、惰性气体保护手套箱、数控机床系统、三维扫描装置、切削加工装置、支架、数据处理系统；
数控机床系统包括机床、能沿X、Y、Z轴移动的运动机构、与运动机构连接的可转动抓取装置和控制系统；
激光3D打印装置的熔覆头、三维扫描装置的扫描头、切削加工装置的刀头、支架、以及数控机床系统的机床、运动机构和可转动抓取装置位于惰性气体保护手套箱内；
支架上具有支持熔覆头、三维扫描装置的扫描头、切削加工装置的刀头的结构；
数据处理系统分别与数控机床和三维扫描装置电连接。
2.根据权利要求1所述的金属零部件的增减复合智能修复系统，其特征在于，所述数据处理系统包括数据接收模块、清除异常坐标数据模块、三维模型构建模块、增材填充路径规划模块、减材加工路径规划模块和数据输出模块；
所述数据接收模块用于接收来自三维扫描装置的扫描数据，扫描完成时，触发清除异常坐标数据模块；
所述清除异常坐标数据模块用于对数据接收模块接收的扫描数据进行正确性验证，去除异常坐标数据，生成新的三维坐标数据，同时，触发三维模型构建模块；
所述三维模型构建模块用于根据新的三维坐标数据生成三维模型，并将生成的三维模型与未损坏的金属零部件三维模型进行差值对比，得到差值部分的三维模型，根据差值的正负，判断差值部分为多余部分或缺少部分，当差值部分为多余部分时，触发减材加工路径规划模块，当差值部分为缺少部分时，触发增材填充路径规划模块；
所述增材填充路径规划模块用于对缺少部分的三维模型进行增材填充路径规划，并将规划结果传输到数据输出模块；
所述减材加工路径规划模块用于对多余部分的三维模型进行减材加工路径规划，并将规划结果传输到数据输出模块；
所述数据输出模块用于将增材填充路径规划或减材加工路径规划转化为数控机床系统可识别的信号，并将信号传输给数控机床系统。
3.根据权利要求2所述的金属零部件的增减复合智能修复系统，其特征在于，所述清除异常坐标数据模块中，异常坐标数据的判断方法为：比较每一个点的Z轴坐标绝对值|Zi|与该点在XY平面3毫米范围内所有点的Z轴坐标平均值大小，若某一点的则认定该点为异常坐标数据。
4.根据权利要求2所述的金属零部件的增减复合智能修复系统，其特征在于，所述增材填充路径规划模块中，增材填充路径规划的过程为：根据缺失部分的三维XYZ绝对坐标数据的Z轴坐标值，将缺失部分XYZ绝对坐标数据按照指定的层间高度ΔZ沿着Z轴分成若干层；根据每一层缺失部分XYZ绝对坐标数据的X轴坐标值，将每一层缺失部分XYZ绝对坐标数据按照指定的宽度ΔX沿着X轴分成若干段；根据每一段缺失部分XYZ绝对坐标数据的Y轴坐标值，设定增材填充路径从Y轴最小值走到Y轴最大值。
5.根据权利要求2所述的金属零部件的增减复合智能修复系统，其特征在于，所述减材加工路径规划模块中，减材加工路径规划的过程为：根据多余部分的三维XYZ绝对坐标数据的Z轴坐标值，将多余部分XYZ绝对坐标数据按照指定的层间高度ΔZ′沿着Z轴分成若干层；根据每一层多余部分XYZ绝对坐标数据的X轴坐标值，将每一层多余部分XYZ绝对坐标数据按照指定的宽度ΔX′沿着X轴分成若干段；根据每一段多余部分XYZ绝对坐标数据的Y轴坐标值，设定减材填充路径从Y轴最小值走到Y轴最大值。
6.根据权利要求2所述的金属零部件的增减复合智能修复系统，其特征在于，所述三维模型构建模块中，未损坏的金属零部件三维模型可以利用绘图软件根据实际零部件尺寸绘制而成，或利用三维扫描装置扫描未损坏的金属零部件获得。
7.根据权利要求1所述的金属零部件的增减复合智能修复系统，其特征在于，所述切削加工装置的刀头为车刀。
8.根据权利要求1所述的金属零部件的增减复合智能修复系统，其特征在于，所述熔覆头是激光熔覆头、等离子熔覆头、热喷涂熔覆头或电弧喷涂熔覆头。
9.根据权利要求1所述的金属零部件的增减复合智能修复系统，其特征在于，所述三维扫描装置为激光扫描仪或光栅三维扫描仪，所述光栅三维扫描仪为白光扫描或蓝光扫描。
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