CN110543709B - 复杂零件激光熔覆干涉检测及轨迹修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光熔覆技术领域，是一种复杂零件激光熔覆干涉检测及轨迹修正方法。包括以下步骤：S1，生成受损区域的预期加工点；S2，在当前零件加工点di的切平面内创建约束域，沿法向投影得到碰撞域Φ2；S3，结合四叉树结构，在碰撞域Φ2中搜索干涉激光束及干涉点位置；S4，修正干涉激光束，完成激光再制造的轨迹优化。本发明在当前零件加工点的切平面内创建约束域，沿法向投影得到碰撞域，并结合四叉树结构在碰撞域中快速搜索干涉激光束及干涉点位置，对干涉激光束进行姿态修正，完成激光再制造的轨迹优化，从而避免激光束与其余零部件干涉的现象，保护了零件及激光设备，提高了激光再制造技术的应用范围和加工安全性。

Description

复杂零件激光熔覆干涉检测及轨迹修正方法

技术领域

本发明涉及一种激光熔覆技术领域，是一种复杂零件激光熔覆干涉检测及轨迹修正方法。

背景技术

为满足工业制造领域对零件的可靠性要求，越来越多结构复杂的零件应用在实际生产加工中。复杂结构零件的制造成本较高，工作在恶劣工况下受损后，若直接丢弃造成资源浪费。激光增材再制造技术以高精度、高集成度、高适用性的优点成为当前增材智能制造领域中一项新兴技术，对建立节能减排环境友好型社会具有重要意义。

激光熔覆层质量受多个工艺参数耦合作用影响，其中轨迹规划决定了激光头的位姿。现阶段激光熔覆轨迹规划的研究多集中在平面类、轴类等简单零部件。面向发动机气缸、高压蒸汽阀等由若干个零部件组合而成的高附加值复杂结构零件时，由于其自身结构属性，加工难度增加且对再制造设备有更高的要求。这类零件的受损区域多存在于某单个部件的内表面，仅使用现有路径规划方案生成激光扫描路径，易出现激光束与其余零部件干涉的现象，轻则损坏零件，重则损坏激光设备。

发明内容

本发明提供了一种复杂零件激光熔覆干涉检测及轨迹修正方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有激光熔覆轨迹规划方法存在易出现激光束与其余零部件干涉的现象，造成零件或激光设备损坏的问题。

本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种复杂零件激光熔覆干涉检测及轨迹修正方法，包括以下步骤：

S1，生成受损区域的预期加工点；

S2，在当前零件加工点d_i的切平面内创建约束域，沿法向投影得到碰撞域Φ₂；

S3，结合四叉树结构在碰撞域Φ₂中快速搜索干涉激光束及干涉点位置；

S4，修正干涉激光束，完成激光再制造的轨迹优化。

下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

上述S3，结合四叉树结构在碰撞域中快速搜索干涉激光束及干涉点位置的过程包括：

S31，选取激光与零件发生碰撞得到的碰撞域Φ₂；

S32，计算碰撞域Φ₂在u方向、v方向的最大值u_max、v_max与最小值u_min、v_min，构造曲面包围盒的四叉树结构；

S33，在四叉树中划分出子区域，搜索碰撞域Φ₂中的干涉激光束及干涉点位置。

上述S33，在四叉树中划分出子区域，搜索碰撞域Φ₂中的干涉激光束及干涉点位置的过程包括：

S331，根据最大值u_max、v_max与最小值u_min、v_min确定u与v，其中u＝(u_max+u_min)/2，v＝(v_max+v_min)/2；

S332，根据u与v插入四叉树下一级节点，划分出四个子区域Q_m,n，n＝1,2,3,4，m＝1，连接某个子区域中心点O_m,n与d_i，得到中心向量L_m,n；

S333，计算激光束向量L与中心向量L_m,n之间的夹角θ₀，判断夹角θ₀是否小于误差值k，若小于，则该子区域中心点O_m,n为干涉点，激光束向量L为干涉激光束，结束搜索，若大于，则计算该子区域u方向、v方向的极值，返回S331。

上述S31，将碰撞域Φ₂与d_i所在的曲面S进行布尔运算，判断Φ₂∩S是否不等于若/>表示激光与零件发生碰撞。

上述S2，在当前零件加工点d_i的切平面内创建约束域，沿法向投影得到碰撞域Φ₂的过程包括：

S21，计算曲面S中当前零件加工点d_i处的法向量n_i(n_x，n_y，n_z)；

S22，在d_i处的切平面内沿扫描方向建立步长为光斑半径r的两点，计算两点间距离p₀；

S23，计算两点所对应的前后两个相邻熔道的距离h₀，则确定以h₀为长，p₀为宽的光斑约束域，并沿激光束轴线方向l投影得到碰撞域Φ₂；

上述S4，修正干涉激光束，完成激光再制造的轨迹优化的过程包括：

S41，创建以干涉激光束为对象的平面，计算平面与激光束安全照射范围的临界点，将干涉激光束旋转至临界点得到擦边激光束，并计算其旋转角度θ_i；

S42，确定半径补偿误差α，通过下式计算实际干涉角θ；

θ＝θ_i+α

S43，根据实际干涉角θ修正干涉激光束，得到有效激光束，完成激光再制造的轨迹优化。

上述S1，生成受损区域的预期加工点的过程包括：

S11，获取受损区域的点云数据，选取激光熔覆的搭接参数确定切片族的间距，根据点云数据的密集程度设置每个切片的厚度，剔除多余冗杂点；

S12，将激光扫描方向设置为切片生成方向，对与切片族相交的点云数据进行插补操作；

S13，设置相应弓高误差，筛选出合适的实际加工点集，创建所有路径点的坐标及向量数据结构，生成受损区域的预期加工点。

本发明在当前零件加工点的切平面内创建约束域，沿法向投影得到碰撞域，并结合四叉树结构在碰撞域中快速搜索干涉激光束及干涉点位置，对干涉激光束进行姿态修正，完成激光再制造的轨迹优化，从而避免激光束与其余零部件干涉的现象，保护了零件及激光设备，提高了激光再制造技术的应用范围和加工安全性。

附图说明

附图1为本发明的流程图。

附图2为本发明中搜索干涉激光束及干涉点位置的流程图。

附图3为本发明中在四叉树子区域中搜索干涉激光束及干涉点位置的流程图。

附图4为本发明中创建碰撞域的流程图。

附图5为本发明中修正干涉激光束的流程图。

附图6为本发明中生成受损区域的预期加工点的流程图。

附图7为创建碰撞域示意图。

附图8为碰撞域粗略干涉检测示意图。

附图9为基于四叉树精确搜索干涉激光束及干涉点位置示意图。

附图10为干涉激光束修正示意图。

附图11为零件干涉激光束及修正后干涉激光束对比图。

附图12为零件受损区经修正的干涉激光束激光熔覆后的对比图。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：

实施例1：如附图1所示，该复杂零件激光熔覆干涉检测及轨迹修正方法，包括以下步骤：

S1，生成受损区域的预期加工点，即生成激光机器人的预期扫描路径点集；

S2，在当前零件加工点d_i的切平面内创建约束域，沿法向投影得到碰撞域Φ₂；

S3，结合四叉树结构在碰撞域Φ₂中快速搜索干涉激光束及干涉点位置；

S4，修正干涉激光束，完成激光再制造的轨迹优化。

本发明在当前零件加工点的切平面内创建约束域，沿法向投影得到碰撞域，并结合四叉树结构在碰撞域中快速搜索干涉激光束及干涉点位置，对干涉激光束进行姿态修正，完成激光再制造的轨迹优化，从而避免激光束与其余零部件干涉的现象，保护了零件及激光设备，提高了激光再制造技术的应用范围和加工安全性。

下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

如附图1、2、8、9所示，S3，结合四叉树结构在碰撞域中快速搜索干涉激光束及干涉点位置的过程包括：

S31，选取激光与零件发生碰撞得到的碰撞域Φ₂；即，将碰撞域Φ₂与d_i所在的曲面S进行布尔运算，判断Φ₂∩S是否不等于若/>表示激光与零件发生碰撞(如附图8a、b)，则结合四叉树结构在碰撞域中快速搜索干涉激光束及干涉点位置，若/>表示激光能直接照射离散点(如附图8c)，则不进行干涉激光束及干涉点位置的搜索；

S32，计算碰撞域Φ₂在u方向、v方向的最大值u_max、v_max与最小值u_min、v_min，构造曲面包围盒的四叉树结构；

S33，在四叉树中划分出子区域，搜索碰撞域Φ₂中的干涉激光束及干涉点位置。

如附图1、3、9所示，S33，在四叉树中划分出子区域，搜索碰撞域Φ₂中的干涉激光束及干涉点位置的过程包括：

S331，根据最大值u_max、v_max与最小值u_min、v_min确定u与v，其中u＝(u_max+u_min)/2，v＝(v_max+v_min)/2；

S332，根据u与v插入四叉树下一级节点，划分出四个子区域Q_m,n，n＝1,2,3,4，m＝1，连接某个子区域中心点O_m,n与d_i，得到中心向量L_m,n；

S333，计算激光束向量L与中心向量L_m,n之间的夹角θ₀，判断夹角θ₀是否小于误差值k，若小于，则该子区域中心点O_m,n为干涉点，激光束向量L为干涉激光束，结束搜索，若大于，则计算该子区域u方向、v方向的极值，返回S331。

上述S333中若大于，则计算该子区域u方向、v方向的极值为u_{max m,n}、u_{min m,n}、v_{man m,n}、v_{min m,n}；在返回S331确定u_m,n与v_m,n时，u_m,n＝(u_{max m,n}+u_{min m,n})/2，v_m,n＝(v_{man m,n}+v_{min m,n})/2。

如附图1、4、7所示，S2，在当前零件加工点d_i的切平面内创建约束域，沿法向投影得到碰撞域Φ₂的过程包括：

S21，计算曲面S中当前零件加工点d_i处的法向量n_i(n_x，n_y，n_z)；这里曲面S中当前零件加工点d_i处的法向量n_i(n_x，n_y，n_z)可通过NURBS曲面方程计算；

S22，在d_i处的切平面内沿扫描方向建立步长为光斑半径r的两点，计算两点间距离p₀；

S23，计算两点所对应的前后两个相邻熔道的距离h₀，则确定以h₀为长，p₀为宽的光斑约束域，并沿激光束轴线方向l投影得到碰撞域Φ₂；

上述计算两点所对应的前后两个相邻熔道的距离h₀时可考虑熔覆层质量受搭接率R的影响，R如下式所示：

如附图1、5、10所示，S4，修正干涉激光束，完成激光再制造的轨迹优化的过程包括：

S41，创建以干涉激光束L为对象的平面，计算平面与激光束安全照射范围的临界点f_i，将干涉激光束L旋转至临界点f_i得到擦边激光束L₁，并计算其旋转角度θ_i；

S42，确定半径补偿误差α，通过下式计算实际干涉角θ；

θ＝θ_i+α

S43，根据实际干涉角θ修正干涉激光束，得到有效激光束，完成激光再制造的轨迹优化。

如附图1、6所示，S1，生成受损区域的预期加工点的过程包括：

S11，获取受损区域的点云数据，选取激光熔覆的搭接参数确定切片族的间距，根据点云数据的密集程度设置每个切片的厚度，剔除多余冗杂点；

S12，将激光扫描方向设置为切片生成方向，对与切片族相交的点云数据进行插补操作；

S13，设置相应弓高误差，筛选出合适的实际加工点集，创建所有路径点的坐标及向量数据结构，生成受损区域的预期加工点。

实施例2：如附图1、11、12所示，以修复石化厂锅炉管道高压蒸汽阀为例，破损区域为零件底部的曲面，如附图11；建立受损零件三维模型并用上述方法进行激光束干涉检测，观察到阀门顶部出口的边界的区域有激光干涉现象，立即进行修正得到有效激光束。进行激光熔覆实际加工并对比，图12a为受损区域形貌，图12b是熔覆后涂层形貌，可以发现熔覆层表面光滑无明显裂纹，效果较好，从而证明本发明具有较高的可实施性和可靠性。

以上技术特征构成了本发明的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

Claims (5)

1.一种复杂零件激光熔覆干涉检测及轨迹修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，生成受损区域的预期加工点；

S2，在当前零件加工点d_i的切平面内创建约束域，沿法向投影得到碰撞域Φ₂；

S3，结合四叉树，在碰撞域Φ₂中搜索干涉激光束及干涉点位置,包括：

S31，选取激光与零件发生碰撞得到的碰撞域Φ₂；

S32，计算碰撞域Φ₂在u方向、v方向的最大值u_max、v_max与最小值u_min、v_min，构造曲面包围盒的四叉树；

S33，在四叉树中划分出子区域，搜索碰撞域Φ₂中的干涉激光束及干涉点位置，包括：

S331，根据最大值u_max、v_max与最小值u_min、v_min确定u与v，其中u＝(u_max+u_min)/2，v＝(v_max+v_min)/2；

S332，根据u与v插入四叉树下一级节点，划分出四个子区域Q_m,n，n＝1,2,3,4，m＝1，连接某个子区域中心点O_m,n与当前零件加工点d_i，得到中心向量L_m,n；

S333，计算激光束向量L与中心向量L_m,n之间的夹角θ₀，判断夹角θ₀是否小于误差值k，若小于，则该子区域中心点O_m,n为干涉点，中心向量L_m,n为干涉激光束，结束搜索，若大于，则计算该子区域u方向、v方向的极值，返回S331；

S4，修正干涉激光束，完成激光再制造的轨迹优化。

2.根据权利要求1所述的复杂零件激光熔覆干涉检测及轨迹修正方法，其特征在于，S31，将碰撞域Φ₂与当前零件加工点d_i所在的曲面S进行布尔运算，判断Φ₂∩S是否不等于若/>表示激光与零件发生碰撞。

3.根据权利要求1所述的复杂零件激光熔覆干涉检测及轨迹修正方法，其特征在于，S2，在当前零件加工点d_i的切平面内创建约束域，沿法向投影得到碰撞域Φ₂的过程包括：

S21，计算曲面S中当前零件加工点d_i处的法向量n_i(n_x，n_y，n_z)；

S22，在当前零件加工点d_i处的切平面内沿扫描方向建立步长为光斑半径r的两点，计算两点间距离p₀；

S23，计算两点所对应的前后两个相邻熔道的距离h₀，则确定以距离h₀为长，两点间距离p₀为宽的光斑约束域，并沿激光束轴线方向l投影得到碰撞域Φ₂；

4.根据权利要求1所述的复杂零件激光熔覆干涉检测及轨迹修正方法，其特征在于，S4，修正干涉激光束，完成激光再制造的轨迹优化的过程包括：

S41，创建以干涉激光束为对象的平面，计算平面与激光束安全照射范围的临界点，将干涉激光束旋转至临界点得到的擦边激光束，得到旋转角度θ_i，即干涉角；

S42，确定半径补偿误差α，通过下式计算实际干涉角θ；

θ＝θ_i+α

S43，确定用户允许最大修正角ε，通过用户允许最大修正角ε对擦边激光束修正，得到有效激光束，完成激光再制造的轨迹优化。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的复杂零件激光熔覆干涉检测及轨迹修正方法，其特征在于，S1，生成受损区域的预期加工点的过程包括：

S11，获取受损区域的点云数据，选取激光熔覆的搭接参数确定切片族的间距，根据点云数据的密集程度设置每个切片的厚度，剔除多余冗杂点；

S12，根据实际曲面零件形状设置切片生成方向，对切片族相交于点云数据得到的交线进行插补操作；

S13，设置相应弓高误差，筛选出实际加工点集，创建所有路径点的坐标及向量数据结构，生成受损区域的预期加工点。