CN111266575A - 一种定量修复增材件表面缺陷的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种定量修复电弧增材件表面缺陷的方法。该方法为：获取待测零件表面三维坐标数据；网格划分；基准面拟合和表征参数值计算；计算各分区的参数值并分别以Sq、Sp、Sv的值为纵坐标，对应的网格区域编号为横坐标作折线图；根据折线图，确定缺陷所在具体位置和缺陷的长度、深度信息；将获取的信息发送到接收/调控器；接收/调控器接收到信息后，制定缺陷修复方案；增材修复设备执行接收/调控器提供的方案，对零件缺陷进行修复。本发明提供的方法可准确量化零件表面质量，包括缺陷尺寸、缺陷位置以及缺陷类型，并能根据这些缺陷特征提供相对应的修复模式，实现了缺陷量化和精准修复的功能。

Description

一种定量修复增材件表面缺陷的方法
技术领域
本发明属于电弧增材制造领域，具体涉及一种定量修复增材件表面缺陷的方法。
背景技术
电弧增材制造技术是一种利用电弧高温加热熔化金属丝材形成连续熔滴，以“滴成线，线成面”的方式，逐渐累积而进行零件成形一种技术。现阶段，常见的电弧增材热源有熔化极电弧、等离子电弧、非熔化极电弧。相比以电子束、激光为热源的增材制造技术，电弧增材具有熔敷效率高，设备简单，生产成本低等显著优势。现有的研究和实践表明电弧增材制造技术在大中型零件成形方面拥有巨大潜力。然而，限于累积成形这种制造方式自身的局限性，生产过程中不可避免地会产生阶梯效应。而电弧增材因其更高的堆覆速度，使得这种阶梯效应更加明显，制造出来的零件表面质量很差，不能满足一般工业生产的要求。因此，解决电弧增材零件表面质量差是实现大中型零件制造的一个关键问题。
从改进电弧增材表面质量关系流程“电弧增材→表面质量评定
Figure BDA0002351225790000011
表面质量改进”看，一套评价准确、指标全面、过程简单、适应性强的表征零件表面质量的方法显得尤为重要。然而，目前关于零件表面质量的研究多集中于熔融沉积建模、层压对象制造以及基于激光选区制造不锈钢薄壁等领域，而对于改进电弧增材表面质量的研究并不多见。其次，现行的评价零件表面质量的研究大多数都是建立在理想假设或理想模型基础上展开的，相关的研究成果与实际应用联系不密切，没有形成系统的方式应用到实际生产中。此外，现有测量零件表面的手段有限，如触针法、干涉法。触针法多用于对周期性表面(如机加工零件表面)粗糙度的测量，对于随机性较大的表面则存在较大的误差，不能满足测量精度要求。
发明内容
本发明目的在于公开了一种定量修复增材件表面缺陷的方法，旨在解决电弧增材表面成形质量的问题。
实现本发明目的提供技术方案如下：
本发明公开的一种定量修复增材件表面缺陷的方法，实现了零件表面缺陷的量化和精准修复，具体包括以下步骤：
步骤一：获取待测零件表面三维坐标数据
(1)三维图像扫描设备扫描待测零件，获取零件表面三维立体图像；
(2)图像处理软件先修剪去平面的边沿和扫描过程中出现的杂点，再将修剪后的图像移动到系统世界坐标系XOY平面的特定位置，保证平面的两条邻边分别与X轴和Y轴重合；最后将修剪和移动过后的平面图像保存为“顶点文件”以此获取待测零件表面的三维坐标。
步骤二：网格划分
(1)将表面划分成若干6mm×6mm大小的网格区域(对于边缘位置不足6mm×6mm大小的网格按6mm×6mm)，并对每个网格区域进行编号。
步骤三：基准拟合和表征参数值计算
(1)最小二乘法拟合基准面；
(2)根据相应公式分别计算表面整体和分割后各网格区域的表征参数值
均方根偏差Sq
Figure BDA0002351225790000021
最大峰高Sp
Figure BDA0002351225790000022
最大谷深Sv
Figure BDA0002351225790000023
以上各式中M、N分别为在采样面积内X轴方向上和Y轴方向上的离散采样点个数；E(x，y)为表面的偏离高度方程。
步骤四：计算各分区的参数值并分别以Sq、Sp、Sm的值为纵坐标，对应的网格区域编号为横坐标作折线图。
步骤五：根据折线图，确定缺陷所在具体位置和缺陷的长度、深度信息。将获取的信息发送到接收/调控器。
步骤六：接收/调控器接收到信息后，制定缺陷修复方案。
步骤七：增材修复设备执行接收/调控器提供的方案，对零件缺陷进行修复。
作为优选方式，该方法步骤一中，参与计算的是去除零件边沿区域(即实际机加过程中需要除去的边沿部分)余下部分的三维坐标数据。
作为优选方式，该方法步骤二中，网格大小取6mm×6mm。
作为优选方式，该方法步骤二中，每个网格采用如下编号方法：以坐标轴(0,0)为编号起始点，分别沿X轴和Y轴正方向，每间隔6mm记为一个单位长度。如坐标(1，1)表示的是平面上0<x<6且0<y<6所在的区域，同样道理，坐标(1,6)表示的是平面上0<x<6且30<y<36所在的区域。
作为优选方式，该方法步骤三中，选取均方根偏差Sq、最大峰高Sp、最大谷深Sm作为表征零件表面形貌的参数。
作为优选方式，该方法步骤四中，各参数值与零件表面质量给定如下评定范围：
(1)若零件表面参数折线图中Sq<0.2且Sp<0.2、Sm<0.2，则零件表面平整光滑；
(2)若零件表面参数折线图中0.2<Sq<0.5且0.1<Sp<0.5、0.1<Sm<1，则零件表面较为粗糙，表面有深度为0.1～1mm的孔洞或者道与道搭接不良导致的沟槽；
(3)若零件表面参数折线图中Sq>0.5且0.1<Sp<0.5、Sm>1，则零件表面有深度大于1mm的孔洞。
作为优选方式，该方法步骤三和步骤四中，网格分区和各分区参数值计算在Matlab环境下实现。
作为优选方式，该方法步骤七中，增材修复设备能够提兼容直径为0.3mm、0.5mm、0.7mm、1.0mm、1.2mm、1.5mm、2.0mm的丝材。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点为：
本发明提供的方法可准确量化零件表面质量，包括缺陷尺寸、缺陷位置以及缺陷类型，并能根据这些缺陷特征提供相对应的修复模式，实现了缺陷量化和精准修复的功能。
附图说明
图1本发明方法流程图。
图2零件1表面形貌图。
图3零件1表面三维重构形貌图。
图4零件1表面分区图。
图5零件1表面各区域表征参数折线图，a为Sq、b为Sp、Sv。
图6零件2表面形貌图。
图7零件2表面三维重构形貌图。
图8零件2表面分区图。
图9零件2表面各区域表征参数折线图，a为Sq、b为Sp、Sv。
图10零件3表面形貌图。
图11零件3表面三维重构形貌图。
图12零件3表面分区图。
图13零件3表面各区域表征参数折线图，a为Sq、b为Sp、Sv。
具体实施方式
为了使本发明的创新点以及能实现的功能直观、明了，下面将结合附图和具体实例对该方法做更进一步的阐述说明。要说明的是，提供的实施例只是本发明应用的其中一种，并不能限制本发明的应用范围。
实施例1
本实施例以修复零件1(如图2所示)表面缺陷为例对本发明公开的方法进行说明。
具体实施过程按如下步骤进行：
步骤一：获取待测零件表面三维坐标数据
(1)零件1的待测表面如图2所示，这里我们使用三维图像扫描设备扫描零件1的待测表面，获取零件1表面三维立体图像；
(2)修剪去图像的边沿和扫描过程中出现的杂点并将修剪后的图像移动到系统世界坐标系的指定位置(确保零件1平面的两条邻边分别与X轴和Y轴重合)，如图3所示。将平面图像保存为“顶点文件“asc”格式”以获取零件1表面的三维坐标。
步骤二：网格划分
如图4所示，将表面划分成若干6mm×6mm大小的网格区域(对于边缘位置不足6mm×6mm大小的网格按6mm×6mm)，并对每个网格区域进行编号。
步骤三：基准面拟合和表征参数值计算
(3)最小二乘法拟合基准面；
(4)根据相应公式分别计算表面整体和分割后各网格区域的表征参数值
均方根偏差Sq
Figure BDA0002351225790000041
最大峰高Sp
Figure BDA0002351225790000051
最大谷深Sm
Figure BDA0002351225790000052
以上各式中M、N分别为在采样面积内X轴方向上和Y轴方向上的离散采样点个数；E(x，y)为表面的偏离高度方程。
步骤四：根据计算得到的参数值评价表面质量：从计算结果看，零件1整体的Sq值为0.41，最大峰高为0.85mm，最大谷深为-2.27mm。
步骤五：分别以Sq、Sp、Sm的值为纵坐标，对应的网格区域编号为横坐标作折线图，如5所示。从计算的各区域Sq、Sp、Sv值看，表面缺陷位置计算的参数值较大。即位置14、位置32-34、位置42、位置45-46、位置54、位置56。
步骤六：启动增材修复设备，对检测到的缺陷进行修复。
实施例2
本实施例以修复零件2(如图6所示)表面缺陷为例对本发明公开的方法进行说明。
具体实施过程按如下步骤进行：
步骤一：获取待测零件表面三维坐标数据
(1)零件2的待测表面如图6所示，这里我们使用三维图像扫描设备扫描零件2的待测表面，获取零件2表面三维立体图像；
(2)修剪去图像的边沿和扫描过程中出现的杂点并将修剪后的图像移动到系统世界坐标系的指定位置(确保零件1平面的两条邻边分别与X轴和Y轴重合)，如图7所示。将平面图像保存为“顶点文件“asc”格式”以获取零件2表面的三维坐标。
步骤二：网格划分
如图8所示，将表面划分成若干6mm×6mm大小的网格区域(对于边缘位置不足6mm×6mm大小的网格按6mm×6mm)，并对每个网格区域进行编号。
步骤三：基准面拟合和表征参数值计算
(5)最小二乘法拟合基准面；
(6)根据相应公式分别计算表面整体和分割后各网格区域的表征参数值
均方根偏差Sq
Figure BDA0002351225790000061
最大峰高Sp
Figure BDA0002351225790000062
最大谷深Sm
Figure BDA0002351225790000063
以上各式中M、N分别为在采样面积内X轴方向上和Y轴方向上的离散采样点个数；E(x，y)为表面的偏离高度方程。
步骤四：根据计算得到的参数值评价表面质量：从计算结果看，零件2整体的Sq值为0.33，最大峰高为1.04mm，最大谷深为-1.20mm。
步骤五：分别以Sq、Sp、Sm的值为纵坐标，对应的网格区域编号为横坐标作折线图，如9所示。从计算的各区域Sq、Sp、Sv值看，零件2表面开始部分存在搭接沟槽，这些位置对应参数Sq、Sv绝对值较大，即位置1～23。
步骤六：启动增材修复设备，对检测到的缺陷进行修复。
实施例3
本实施例以修复零件3(如图10所示)表面缺陷为例对本发明公开的方法进行说明。
具体实施过程按如下步骤进行：
步骤一：获取待测零件表面三维坐标数据
(1)零件3的待测表面如图10所示，这里我们使用三维图像扫描设备扫描零件3的待测表面，获取零件3表面三维立体图像；
(2)修剪去图像的边沿和扫描过程中出现的杂点并将修剪后的图像移动到系统世界坐标系的指定位置(确保零件3平面的两条邻边分别与X轴和Y轴重合)，如图11所示。将平面图像保存为“顶点文件“asc”格式”以获取零件3表面的三维坐标。
步骤二：网格划分
如图12所示，将表面划分成若干6mm×6mm大小的网格区域(对于边缘位置不足6mm×6mm大小的网格按6mm×6mm)，并对每个网格区域进行编号。
步骤三：基准面拟合和表征参数值计算
(7)最小二乘法拟合基准面；
(8)根据相应公式分别计算表面整体和分割后各网格区域的表征参数值
均方根偏差Sq
Figure BDA0002351225790000071
最大峰高Sp
Figure BDA0002351225790000072
最大谷深Sm
Figure BDA0002351225790000073
以上各式中M、N分别为在采样面积内X轴方向上和Y轴方向上的离散采样点个数；E(x，y)为表面的偏离高度方程。
步骤四：根据计算得到的参数值评价表面质量：从计算结果看，零件3整体的Sq值为0.398，最大峰高为0.926mm，最大谷深为-2.39mm。
步骤五：分别以Sq、Sp、Sm的值为纵坐标，对应的网格区域编号为横坐标作折线图，如13所示。从计算的各区域Sq、Sp、Sv值看，零件3表面存在一个孔洞，且这孔洞占据两个网格，即位置57、58，故这两个位置的参数绝对值Sq、Sv较大。
步骤六：启动增材修复设备，对检测到的缺陷进行修复。

Claims (8)

1.一种定量修复增材件表面缺陷的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：获取待测零件表面三维坐标数据
1.1、使用三维扫描设备扫描待测零件表面，获得零件表面三维立体图像；
1.2、图像处理软件先修剪去平面的边沿和扫描过程中出现的杂点，再将修剪后的图像移动到系统世界坐标系XOY平面的特定位置，保证平面的两条邻边分别与X轴和Y轴重合；最后将修剪和移动过后的平面图像保存为“顶点文件”以此获取待测零件表面的三维坐标；
步骤2：网格划分
将表面划分成若干6mm×6mm大小的网格区域(对于边缘位置不足6mm×6mm大小的网格按6mm×6mm)，并对每个网格区域进行编号；
步骤3：基准面拟合和表征参数值计算
3.1最小二乘法拟合基准面；
3.2根据相应公式分别计算表面整体和分割后各网格区域的表征参数值；
均方根偏差Sq
Figure FDA0002351225780000011
最大峰高
Figure FDA0002351225780000012
最大谷深
Figure FDA0002351225780000013
以上各式中M、N分别为在采样面积内X轴方向上和Y轴方向上的离散采样点个数；E(x，y)为表面的偏离高度方程；
步骤4：计算各分区的参数值并分别以Sq、Sp、Sv的值为纵坐标，对应的网格区域编号为横坐标作折线图；
步骤5：根据折线图，确定缺陷所在具体位置和缺陷的长度、深度信息；将获取的信息发送到接收/调控器；
步骤6：接收/调控器接收到信息后，制定缺陷修复方案；
步骤7：增材修复设备执行接收/调控器提供的方案，对零件缺陷进行修复。
2.根据权利要求1所述的一种定量修复增材件表面缺陷的方法，其特征在于，各参数值与零件表面质量对应关系如下：
(1)若零件表面参数折线图中Sq<0.2且Sp<0.2、Sv<0.2，则零件表面平整光滑；
(2)若零件表面参数折线图中0.2<Sq<0.5且0.2<Sp<0.5、0.2<Sv<1，则零件表面较为粗糙，表面有深度为0.1～1mm的孔洞或者道与道搭接不良导致的沟槽；
(3)若零件表面参数折线图中Sq>0.5且0.1<Sp<0.5、Sv>1，则零件表面有深度大于1mm的孔洞。
3.根据权利要求1所述的一种定量修复增材件表面缺陷的方法，其特征在于，零件表面网格区域的编号方法是：坐标轴(0,0)为编号起始点，分别沿X轴和Y轴正方向，每间隔4mm记为一个单位长度。
4.根据权利要求1所述的一种定量修复增材件表面缺陷的方法，其特征在于，使用Matlab软件进行网格区域划分并计算每个区域的参数Sq、Sp、Sv。
5.根据权利要求1所述的一种定量修复增材件表面缺陷的方法，其特征在于，所接收/调控器不仅具有接收和分析缺陷量化信息的功能，根据分析结果制定缺陷修复方案。
6.根据权利要求1所述的一种定量修复增材件表面缺陷的方法，其特征在于，接收/调控器和增材修复设备连接，增材修复设备执行接收/调控器发出的指令。
7.根据权利要求1所述的一种定量修复增材件表面缺陷的方法，其特征在于，增材修复设备具备多种修复模式：起弧不送丝；起弧送粗丝直径为1.2mm、1.5mm或2.0mm；起弧送细丝直径为0.3mm、0.5mm、0.7mm或1.0mm。
8.根据权利要求1所述的一种定量修复增材件表面缺陷的方法，其特征在于，增材修复设备在对零件表面缺陷修复过程中，多种修复模式间能够相互协同。
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