CN109055930A - 一种工件表面损伤的快速修复装置及其修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种工件表面损伤的快速修复装置及其修复方法，包括用于支撑和提供力反馈的机械臂工作平台、设置在机械臂工作平台上的激光模块、与激光模块配合的送粉模块、与送分模块配合的3D扫描模块，其具体使用步骤如下：1)固定；2)安装；3)扫描；4)获取；5)拟合分析；6)设置参数；7)生成轨迹；8)拆卸；9)修复；10)重复修复；采用具有力矩反馈的机械臂作为移动装置，不但实现了安全的人际交互操作，还为工件和机械臂在同坐标下的快速建模提供条件；采用机械臂+多种功能模块的系统集成方式，可有效精简工件表面损伤修复装置的体积和复杂度。

Description

一种工件表面损伤的快速修复装置及其修复方法
技术领域
本发明涉及工件表面修复装置技术领域，具体是一种工件表面损伤的快速修复装置及其修复方法。
背景技术
在航空维修领域，激光熔覆、激光去除等增减材技术对表面损伤工件的修复已开展应用多年，采取的装置结构一般为“移动装置+激光头”。由于机械臂的柔性大、程控性好，因此常被作为带载激光头的移动装置。而机械臂的加工轨迹的生成是修复过程中的主要工作内容。
机器人运动轨迹的生成目前主要有两种方式，一是通过厂家提供的远程操控手柄进行示教编程和控制，二是采用机器人仿真软件，例如法国达索公司的Delmia、德国西门子公司的Process Simulate、美国MASTER公司的Robot master进行离线编程后导入机器人控制器实现。两种方式各有优缺点，示教编程操作简单易上手，但是机器臂轨迹路线简单；离线编程功能强大，可实现复杂轨迹的路径规划，操作人员需要经过专业培训，对仿真软件进行深入学习。正是由于上述机械臂轨迹生成方式的固有缺点，针对实际的工件，特别是异型工件表面进行修复时往往费时费力，对人员的技能要求高。
中国专利申请号为CN104674210A公开了一种工件激光自动化修复方法，涉及到机械臂运动轨迹的生成方式，具体如下：1)激光3D扫描仪对工件进行三维型面在线扫描，获得工件表面的空间采样点，即三维点云数据；2)对扫描得到的空间采样点进行坐标变换，在修复执行机构坐标系中重构三维工件表面点集；3)对步骤1)获得的点云数据进行图像处理，提取工件的边界轮廓；4)根据工件边界轮廓生成激光熔覆轨迹；5)将激光熔覆轨迹转换为机器识别代码存储至修复执行机构中；6)修复执行机构根据激光熔覆轨迹对工件进行自动修复。该发明克服了机械臂在人工示教编程方式下坐标对齐准确性低、生成加工路径粗糙、修复精度低等问题，但同时，存在以下几个缺点：1)激光3D扫描仪与修复执行机构位于不同坐标系下，增加了空间采样点的坐标变换操作，并且未说明其实现方式；2)工件损伤部位往往是局部区域，因此激光熔覆区域与工件边界轮廓并不完全一致，根据工件边界轮廓生成激光熔覆轨迹并不完全符合实际修复需求；3)对于缺少工件准确三维模型的需求未提出解决方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种工件表面损伤的快速修复装置及其修复方法。
一种工件表面损伤的快速修复装置,包括用于支撑和提供力反馈的机械臂工作平台、设置在机械臂工作平台上用于在工件表面损伤修复时提供激光能量输出的激光模块、与激光模块配合的送粉模块、与送分模块配合的3D扫描模块。
所述的机械臂工作平台包括可装载多种功能模块进行移动且带有力矩反馈、适合人机协作的机械臂以及相关的控制器、驱动器以及用于放置损伤工件和标准工件的操作平台
所述的激光模块包括激光发生装置、光纤传输通道、激光熔覆头和激光头。
所述的送粉模块用于在工件表面损伤修复时配合激光熔覆头进行激光熔覆修复。
所述的3D扫描模块用于对标准工件和损伤工件进行3D扫描并生成三维点云数据。
一种工件表面损伤的快速修复装置的修复方法,其具体步骤如下：
1)固定：将标准工件和损伤工件固定在机械臂工作平台的操作平台上。
2)安装：将3D扫描模块安装到机械臂上；
3)扫描：操作人员抓住机械臂并利用装载在机械臂终端上3D扫描模块分别对标准工件和损伤工件的待修复区域进行扫描；
4)获取：控制器获取机械臂的移动轨迹和坐标状态，结合3D扫描模块采集的标准工件和损伤工件的三维点云数据，生成基于机械臂坐标的标准工件的标准区域模型和损伤工件的修复区域模型；
5)拟合分析：控制器对标准区域模型与修复区域模型进行拟合分析，判断是采用激光熔覆操作还是激光去除操作，并生成修复加工模型；若发现修复区域模型误差在许可范围内，则终止后续步骤；
6)设置参数：操作人员对加工的工艺参数进行设置，或者装置预定值；
7)生成轨迹：基于操作人员的设置值及修复加工模型，控制器生成实际的修复加工轨迹；
8)拆卸：将机械臂执行终端上的3D扫描模块拆下，根据修复模式在机械臂执行终端上装载上激光熔覆头或激光头；
9)修复：控制器驱动机械臂，利用装载在机械臂终端上的激光熔覆头或激光头，按照修复加工轨迹对损伤工件进行激光熔覆或激光去除修复。
10)重复修复：完成一次修复后的工件，重复执行步骤2)-9)，直到控制器确认修复区域模型误差在许可范围内。
所述的步骤6)的工艺参数包括轨迹模式、熔覆速度、激光强度类参数设置。
本发明的有益效果是：采用具有力矩反馈的机械臂作为移动装置，不但实现了安全的人际交互操作，而且为工件和机械臂在同坐标下的快速建模提供条件；采用机械臂+多种功能模块的系统集成方式，可有效精简工件表面损伤修复装置的体积和复杂度；利用3D扫描模块分别对损伤工件和标准工件进行建模，解决了实际修理中经常出现的标准模型缺失情况；另外，利用3D扫描模块对修复后的工件进行再次扫描测量，可对修复质量进行有效控制。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。
如图1所示，一种工件表面损伤的快速修复装置,包括用于支撑和提供力反馈的机械臂工作平台、设置在机械臂工作平台上用于在工件表面损伤修复时提供激光能量输出的激光模块、与激光模块配合的送粉模块、与送分模块配合的3D扫描模块。
所述的机械臂工作平台包括可装载多种功能模块进行移动且带有力矩反馈、适合人机协作的机械臂以及相关的控制器、驱动器以及用于放置损伤工件和标准工件的操作平台。
采用具有力矩反馈的机械臂作为移动装置，不但实现了安全的人际交互操作，而且为工件和机械臂在同坐标下的快速建模提供条件。
采用机械臂+多种功能模块的系统集成方式，可有效精简工件表面损伤修复装置的体积和复杂度。
所述的激光模块包括激光发生装置、光纤传输通道、激光熔覆头和激光头。
所述的送粉模块用于在工件表面损伤修复时配合激光熔覆头进行激光熔覆修复。
所述的3D扫描模块用于对标准工件和损伤工件进行3D扫描并生成三维点云数据。
利用3D扫描模块分别对损伤工件和标准工件进行建模，解决了实际修理中经常出现的标准模型缺失情况，利用3D扫描模块对修复后的工件进行再次扫描测量，可对修复质量进行有效控制。
一种工件表面损伤的快速修复装置的修复方法,其具体步骤如下：
1)固定：将标准工件和损伤工件固定在机械臂工作平台的操作平台上。
2)安装：将3D扫描模块安装到机械臂上；
3)扫描：操作人员抓住机械臂并利用装载在机械臂终端上3D扫描模块分别对标准工件和损伤工件的待修复区域进行扫描；
4)获取：控制器获取机械臂的移动轨迹和坐标状态，结合3D扫描模块采集的标准工件和损伤工件的三维点云数据，生成基于机械臂坐标的标准工件的标准区域模型和损伤工件的修复区域模型；
5)拟合分析：控制器对标准区域模型与修复区域模型进行拟合分析，判断是采用激光熔覆操作还是激光去除操作，并生成修复加工模型；若发现修复区域模型误差在许可范围内，则终止后续步骤；
6)设置参数：操作人员对加工的工艺参数进行设置，或者装置预定值；
7)生成轨迹：基于操作人员的设置值及修复加工模型，控制器生成实际的修复加工轨迹；
8)拆卸：将机械臂执行终端上的3D扫描模块拆下，根据修复模式在机械臂执行终端上装载上激光熔覆头或激光头；
9)修复：控制器驱动机械臂，利用装载在机械臂终端上的激光熔覆头或激光头，按照修复加工轨迹对损伤工件进行激光熔覆或激光去除修复。
10)重复修复：完成一次修复后的工件，重复执行步骤2)-9)，直到控制器确认修复区域模型误差在许可范围内。
所述的步骤6)的工艺参数包括轨迹模式、熔覆速度、激光强度类参数设置。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种工件表面损伤的快速修复装置,其特征在于：包括用于支撑和提供力反馈的机械臂工作平台、设置在机械臂工作平台上用于在工件表面损伤修复时提供激光能量输出的激光模块、与激光模块配合的送粉模块、与送分模块配合的3D扫描模块。
2.根据权利要求1所述的一种工件表面损伤的快速修复装置,其特征在于：所述的机械臂工作平台包括可装载多种功能模块进行移动且带有力矩反馈、适合人机协作的机械臂以及相关的控制器、驱动器以及用于放置损伤工件和标准工件的操作平台。
3.根据权利要求1所述的一种工件表面损伤的快速修复装置,其特征在于：所述的激光模块包括激光发生装置、光纤传输通道、激光熔覆头和激光头。
4.根据权利要求1所述的一种工件表面损伤的快速修复装置,其特征在于：所述的送粉模块用于在工件表面损伤修复时配合激光熔覆头进行激光熔覆修复。
5.根据权利要求1所述的一种工件表面损伤的快速修复装置,其特征在于：所述的3D扫描模块用于对标准工件和损伤工件进行3D扫描并生成三维点云数据。
6.利用权利要求1至5中任一项所述的一种工件表面损伤的快速修复装置的修复方法,其特征在于：其具体步骤如下：
1)固定：将标准工件和损伤工件固定在机械臂工作平台的操作平台上。
2)安装：将3D扫描模块安装到机械臂上；
3)扫描：操作人员抓住机械臂并利用装载在机械臂终端上3D扫描模块分别对标准工件和损伤工件的待修复区域进行扫描；
4)获取：控制器获取机械臂的移动轨迹和坐标状态，结合3D扫描模块采集的标准工件和损伤工件的三维点云数据，生成基于机械臂坐标的标准工件的标准区域模型和损伤工件的修复区域模型；
5)拟合分析：控制器对标准区域模型与修复区域模型进行拟合分析，判断是采用激光熔覆操作还是激光去除操作，并生成修复加工模型；若发现修复区域模型误差在许可范围内，则终止后续步骤；
6)设置参数：操作人员对加工的工艺参数进行设置，或者装置预定值；
7)生成轨迹：基于操作人员的设置值及修复加工模型，控制器生成实际的修复加工轨迹；
8)拆卸：将机械臂执行终端上的3D扫描模块拆下，根据修复模式在机械臂执行终端上装载上激光熔覆头或激光头；
9)修复：控制器驱动机械臂，利用装载在机械臂终端上的激光熔覆头或激光头，按照修复加工轨迹对损伤工件进行激光熔覆或激光去除修复。
10)重复修复：完成一次修复后的工件，重复执行步骤2)-9)，直到控制器确认修复区域模型误差在许可范围内。
7.根据权利要求6所述的一种工件表面损伤的快速修复装置的修复方法,其特征在于：所述的步骤6)的工艺参数包括轨迹模式、熔覆速度、激光强度类参数设置。
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