CN109868470B - 激光熔覆轨迹规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光熔覆轨迹规划方法，包括以下步骤：S1、提供待熔覆物体和其点云图，然后选择第一熔覆轨迹点和一个较小的加工步长；S2、曲线拟合第一熔覆轨迹点，拟合出第一熔覆轨迹及其第一拟合曲线，再根据加工步长确定第一加工点；S3、将第一加工点进行偏移，再搜索偏移后的第一加工点与附近的所有点之间距离，设定阈值并进行判定，若距离大于阈值，则采用插值法或最小二乘法插入新点再判定；S4、将所有小于阈值的点作为第二熔覆轨迹上的第二熔覆轨迹点，再次通过曲线拟合的方式拟合出第二熔覆轨迹的第二拟合曲线，再根据加工步长确定第二加工点；S5、按照步骤S3和S4循环直到产生不了偏移点为止，即可得到待熔覆物体的所有熔覆轨迹。

Description

激光熔覆轨迹规划方法

技术领域

本发明涉及一种激光熔覆轨迹规划方法，属于控制与图形学领域。

背景技术

曲面的激光熔覆强化和修复在工业生产中有很重要的作用与意义，通常情况下，曲面的激光熔覆采用的是示教法，通过让机器人走一系列的点，并记忆点的位置，然后机器人沿着记忆的点重新走一遍轨迹。对于一些规则的曲面，这种方法能起到一定的作用，但是对于那些不规则的曲面零件，这种方法有的时候就失去了作用，或者需要设定许多的点，很费时间且精度也会下降很多(姜付兵,石世宏,石拓,傅戈雁,朱刚贤.基于光内送粉技术的激光加工机器人曲面熔覆试验研究[J].中国激光,2015,42(08):114-120.)。

现有技术中，还有一种方法就是利用点云采集设备，获取物体的点云模型，然后按照熔覆方向对点云模型做等距切片(陈影.复杂曲面零件激光熔覆的路径规划研究[D].新疆大学,2017.)，但是对于一系列等距截面与点云轮廓的交点的连线，弧长会存在较大的差异性，尤其是当两个平行截面与弧长的圆心距离较远时，这种差异性会更加明显，这就使得多条熔道搭接的时候各自的搭接率不相等，会对熔覆质量造成很大的不良影响。如图1所示，对图1中的物体进行激光熔覆，当沿着熔覆方向做等距切片，垂直熔覆方向作截断面，在某一截断面处可以看到熔覆轨迹的间距如图2，其不同截断面之间的熔覆宽度是不同的，使得熔覆质量很低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光熔覆轨迹规划方法，该方法能够根据激光熔覆熔道宽度，自适应设置每一条熔覆轨迹间距相等的轨迹规划方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种激光熔覆轨迹规划方法，包括以下步骤：

S1、提供待熔覆物体，采集所述待熔覆物体的点云图，根据所述点云图选择第一熔覆轨迹点和加工步长，所述第一熔覆轨迹点组成第一熔覆轨迹；

S2、通过曲线拟合第一熔覆轨迹点，拟合出所述第一熔覆轨迹的第一拟合曲线，再根据所述加工步长在所述第一拟合曲线中确定第一加工点；

S3、将所述第一加工点进行偏移，再搜索偏移后的第一加工点与附近的所有点之间距离，设定阈值并进行判定，若距离大于阈值，则采用插值法或最小二乘法插入新点再判定；

S4、将所有小于所述阈值的点作为第二熔覆轨迹上的第二熔覆轨迹点，再次通过曲线拟合的方式拟合出所述第二熔覆轨迹的第二拟合曲线，再根据第二加工步长确定第二加工点；

S5、按照步骤S3和S4循环直到产生不了偏移点为止，即可得到待熔覆物体的所有熔覆轨迹。

进一步地，步骤S3中，所述第一加工点沿着垂直于所述第一熔覆轨迹并与曲面相切的方向进行偏移。

进一步地，偏移距离为1～5mm。

进一步地，所有熔覆轨迹中，从第一熔覆轨迹到第二熔覆轨迹直至循环结束，长度逐渐变短。

进一步地，所述阈值为0.1～0.5mm。

进一步地，所有加工步长的范围为0.2～1mm。

进一步地，步骤S1中，采用求交法、投影法或曲线拟合的方式选择所述第一熔覆轨迹。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的激光熔覆轨迹规划方法通过控制每一条熔覆轨迹的间距相等，使得搭接率一致，熔覆层更加均匀，提高了表面强化和修复的质量。并且，即使在没有图纸的情况下，该方法也可以对零件完成表面熔覆和强化，且不需要通过示教法，减小了工作量。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为管道封头的轮廓结构示意图；

图2为对图1所示的封头进行等距偏移激光熔覆的熔覆轨迹在某一截断面熔道应有的宽度示意图；

图3为本发明的激光熔覆轨迹规划方法的流程步骤图；

图4为本发明一实施例中对图1所示的封头进行点云采集后得到的点云图；

图5为本发明一实施例中对图1所示的封头采用本方法进行激光熔覆在某一截断面熔道的宽度示意图；

图6为本发明一实施例中对图1所示的封头采用本方法进行激光熔覆的熔覆轨迹模型图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参见图3，本发明所示的激光熔覆轨迹规划方法，包括以下步骤：

S1、提供待熔覆物体，采集所述待熔覆物体的点云图，根据所述点云图选择第一熔覆轨迹点和加工步长，所述第一熔覆轨迹点组成第一熔覆轨迹；

S2、通过曲线拟合第一熔覆轨迹点，拟合出所述第一熔覆轨迹的第一拟合曲线，再根据所述加工步长在所述第一拟合曲线中确定第一加工点；

S3、将所述第一加工点进行偏移，再搜索偏移后的第一加工点与附近的所有点之间距离，设定阈值并进行判定，若距离大于阈值，则采用插值法或最小二乘法插入新点再判定；

S4、将所有小于所述阈值的点作为第二熔覆轨迹上的第二熔覆轨迹点，再次通过曲线拟合的方式拟合出所述第二熔覆轨迹的第二拟合曲线，再根据第二加工步长确定第二加工点；

S5、按照步骤S3和S4循环直到产生不了偏移点为止，即可得到待熔覆物体的所有熔覆轨迹。

具体的：

1)首先采集物体的点云图，根据物体的形状，用求交法或者投影法的切片方式，选择出尽量长的第一条熔覆轨迹(即确定第一熔覆轨迹点)，这样熔覆轨迹逐渐变短，趋向于一个点，易于加工。第一熔覆轨迹的选取原则为尽量使后续的熔覆轨迹越来越短趋向于一个点，或者使后续的熔覆轨迹变化不大；因为采集到的是点云图，所以选择好这条轨迹后，需要用曲线拟合的方式拟合出这条轨迹上的拟合曲线；

2)然后根据加工步长，在这条拟合曲线上按照步长选出加工点，加工步长应该尽可能小，以使熔覆精度更高；

3)接着将这些加工点沿着垂直于熔覆轨迹并与曲面相切的方向偏移一定的距离，搜索偏移后的位置附近的点，设定一个阈值，这个值要尽量小，以0.1mm为例，有小于这个阈值的点便选定，若有多个，选择最小的那个，如果没有符合条件的点，则用插值或者最小二乘的方法插入一个新点；

4)将原来的所有加工点都做完偏移后，重新拟合曲线，拟合曲线有可能是一条空间曲线，并按照步长重新选定加工点，再次偏移，循环直到产生不了偏移点为止。

本发明中，第一熔覆轨迹点为第一熔覆轨迹上所有的点，第二熔覆轨迹点同理；第一加工点为第一条熔覆轨迹上所有实际的加工点，第二加工点同理。

下面将结合具体实施例来对本发明进行进一步详细地说明。

请参见图1、图4至图6，本实施例对图1所示的管道封头进行的半边进行激光熔覆，控制每条熔覆轨迹的间距相等为熔道宽度的三分之二，本实施例设置为2mm。

首先采集该管道封头的点云图，如图4所示。第一条熔覆轨迹选择-0.066m处作一个截断面，采用求交法或投影法的切片方式，取得第一条熔覆轨迹上的点，然后二乘法拟合，选择一个合适的加工步长，比如0.5mm，每0.5mm选择一个加工点，最终得到这条轨迹上的所有加工点。将所有的加工点沿垂直于熔覆方向且与曲面相切的方向偏移2mm，以1mm为搜索半径，搜索偏移后的点这个范围内的所有点距离偏移后的点的距离，小于0.1mm的便被视作下一条熔覆轨迹上的点，若有多个，选择最小的那个，不存在现有点的话，便采用插值法或者最小二乘法，插入新点。最终可以得到第二条熔覆轨迹上的点，再次二乘法拟合，然后按照加工步长选择加工点，得到第二条熔覆轨迹，再次按照此方法得到第三条的熔覆轨迹，直到无法产生新的轨迹为止。

所得到的熔覆轨迹模型如图6所示，通过matlab查看，可以看到，除了最右边第一条熔覆轨迹是在一个平面内的曲线，其他的熔覆轨迹大都是空间曲线，且相邻的两条曲线，他们之间的距离大致都相等。本实施例所采用的熔覆装置为库卡机器人夹持着苏州大学自主研发的光内送粉熔覆喷头，其始终与曲面上熔覆点的梯度方向同向以保证光头始终与曲面垂直，6mm/s的扫描速度，Fe-313粉末采用8g/min的送粉量，800w的激光功率，沿着熔覆轨迹运动最终完成熔覆。

综上所述：本发明的激光熔覆轨迹规划方法通过控制每一条熔覆轨迹的间距相等，使得搭接率一致，熔覆层更加均匀，提高了表面强化和修复的质量。并且，即使在没有图纸的情况下，该方法也可以对零件完成表面熔覆和强化，且不需要通过示教法，减小了工作量。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种激光熔覆轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、提供待熔覆物体，采集所述待熔覆物体的点云图，根据所述点云图选择第一熔覆轨迹点和加工步长，所述第一熔覆轨迹点组成第一熔覆轨迹；

S2、通过曲线拟合第一熔覆轨迹点，拟合出所述第一熔覆轨迹的第一拟合曲线，再根据所述加工步长在所述第一拟合曲线中确定第一加工点；

S3、将所述第一加工点进行偏移，再搜索偏移后的第一加工点与附近的所有点之间距离，设定阈值并进行判定，若距离大于阈值，则采用插值法或最小二乘法插入新点再判定；

S4、将所有小于所述阈值的点作为第二熔覆轨迹上的第二熔覆轨迹点，再次通过曲线拟合的方式拟合出所述第二熔覆轨迹的第二拟合曲线，再根据加工步长确定第二加工点；

S5、按照步骤S3和S4循环直到产生不了偏移点为止，即可得到待熔覆物体的所有熔覆轨迹。

2.如权利要求1所述的激光熔覆轨迹规划方法，其特征在于，步骤S3中，所述第一加工点沿着垂直于所述第一熔覆轨迹并与曲面相切的方向进行偏移。

3.如权利要求1所述的激光熔覆轨迹规划方法，其特征在于，偏移距离为1~5mm。

4.如权利要求1所述的激光熔覆轨迹规划方法，其特征在于，所有熔覆轨迹中，从第一熔覆轨迹到第二熔覆轨迹直至循环结束，长度逐渐变短。

5.如权利要求1所述的激光熔覆轨迹规划方法，其特征在于，所述阈值为0.1~0.5mm。

6.如权利要求1所述的激光熔覆轨迹规划方法，其特征在于，所有加工步长的范围为0.2~1mm。

7.如权利要求1所述的激光熔覆轨迹规划方法，其特征在于，步骤S1中，采用求交法、投影法或曲线拟合的方式选择所述第一熔覆轨迹。

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