CN111612910A - 一种等搭接率激光熔覆路径的规划方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种等搭接率激光熔覆路径的规划方法和系统，通过采用Delaunay三角化算法三角化点云数据；根据三角化后的点云数据确定第一条熔覆路径；在第一条熔覆路径中确定弦长相距设定距离的加工点，以生成第一加工点集；在垂直熔覆方向的轮廓上，获取距第一加工点集中加工点的弦长为设定值的点，以生成第二路径点集；采用多项式拟合函数根据第二路径点集生成第二条熔覆路径等方式，重复上述步骤完成零件表面熔覆路径的规划。本发明提供的等搭接率激光熔覆路径的规划方法和系统，通过三角化稀疏点云的方式，规划熔覆路径不受点云稀疏性的影响，从而降低路径的拟合误差，进而提高熔覆效果。

Description

一种等搭接率激光熔覆路径的规划方法和系统
技术领域
本发明涉及熔覆路径规划领域，特别是涉及一种等搭接率激光熔覆路径的规划方法和系统。
背景技术
自由曲面的激光熔覆强化目前得到了广泛的研究，针对任意形状的自由曲面激光熔覆，若事先没有曲面的三维图，通过点云采集设备采集曲面的点云数据，然后根据点云数据进行路径规划是一种有效的方法。
现有技术中公开了一种熔覆路径的规划方法，其通过采集零件表面点云后，选取通过某一截面上的数据点，采用多项式拟合法拟合这些点作为第一条熔覆路径，并在路径上根据等距离步长法确定路径点点集Ωs1＝{p1,p2…pn}。在每一个经过路径点且垂直熔覆方向上的轮廓上，寻找距离路径点弦长为(1-η)×d的点组成点集Ωs2＝{p1,p2…pm}，其中η为熔道搭接率，d为熔道宽度。用多项式拟合法拟合Ωs2中的点作为后一条熔覆路径。重复上述步骤直到路径遍历曲面(请具体参见文献：自由曲面等搭接率算法及激光熔覆工艺实现[J/OL].苏昊，石拓，石世宏，傅戈雁.)。
上述等搭接率路径规划方法应用于稀疏点云进行路径规划时，稀疏点云由于数量少且点与点之间间距大，导致Ωs2中的点过少，拟合路径的数据点不足，从而引起拟合的熔覆路径误差大，最终导致熔道间距不相等且熔覆效果差。
发明内容
本发明的目的是提供一种针对稀疏点云进行激光熔覆路径的规划方法和系统，通过三角化稀疏点云的方式，保证规划的熔覆路径不受点云稀疏性的影响，路径的拟合误差小，熔覆效果好。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种等搭接率激光熔覆路径的规划方法，包括：
获取零件表面的点云数据；
采用Delaunay三角化算法三角化所述点云数据；
根据三角化后的所述点云数据确定第一熔覆路径点集，拟合后作为第一熔覆路径；
在所述第一条熔覆路径中确定弦长相距设定距离的加工点，以生成第一加工点集；
在垂直熔覆方向的轮廓上，获取距所述第一加工点集中加工点的弦长为设定值的点，以生成第二路径点集；
采用多项式拟合函数根据所述第二路径点集生成第二条熔覆路径；所述第二条熔覆路径的两端均抵达所述点云数据投影面的边界上；
返回所述在所述第一条熔覆路径中确定弦长相距设定距离加工点，以生成第一加工点集的步骤，直至熔覆路径遍布整个所述零件表面。
优选的，所述在所述第一条熔覆路径中确定弦长相距设定距离加工点，以生成第一加工点集，具体为：
采用等距离步长法，在所述第一条熔覆路径中确定弦长相距设定距离加工点，以生成第一加工点集。
优选的，所述在垂直熔覆方向的轮廓上，获取距所述第一加工点集中加工点的弦长为设定值的点，以生成第二路径点集，具体包括：
获取以所述第一加工点集中一加工点为圆心以设定长度为半径的范围内的所有数据点，以生成第一路径点子集；
获取经过圆心且垂直所述第一熔覆路径的截面，并确定三角化后的所述第一路径点子集的网格与所述截面相交的路径点，以生成第二路径点子集；
采用多项式拟合函数根据所述第二路径点子集中的各路径点确定零件在所述截面上的局部轮廓线；
在所述局部轮廓线上获取距所述第一加工点集中一加工点的弦长为设定值的数据点，以生成第二路径点集。
优选的，所述在垂直熔覆方向的轮廓上，获取距所述第一加工点集中加工点的弦长为设定值的点，以生成第二路径点集之后，还包括：
获取所述点云数据的投影范围；
剔除所述第二路径点集中不在所述投影范围内的数据点，以形成新的第二路径点集。
优选的，所述设定距离为1mm；
优选的，所述设定值为(1-η)×d；其中，η为熔覆路径的搭接率，d为熔覆路径的宽度。
一种等搭接率激光熔覆路径的规划系统，包括：
点云数据获取模块，用于获取零件表面的点云数据；
点云数据三角化模块，用于采用Delaunay三角化算法三角化所述点云数据；
第一条熔覆路径生成模块，用于根据三角化后的所述点云数据生成第一条熔覆路径点集，拟合后作为第一熔覆路径；
第一加工点集生成模块，用于在所述第一条熔覆路径中确定弦长相距设定距离的加工点，以生成第一加工点集；
第二路径点集生成模块，用于在垂直熔覆方向的轮廓上，获取距所述第一加工点集中加工点的弦长为设定值的点，以生成第二路径点集；
第二条熔覆路径生成模块，用于采用多项式拟合函数根据所述第二路径点集生成第二条熔覆路径；所述第二条熔覆路径的两端均抵达所述点云数据投影面的边界上；
零件表面熔覆路径确定模块，用于返回所述在所述第一条熔覆路径中确定弦长相距设定距离加工点，以生成第一加工点集的步骤，直至熔覆路径遍布整个所述零件表面。
优选的，所述第一加工点集生成模块具体包括：
第一加工点集生成单元，用于采用等距离步长法，在所述第一条熔覆路径中确定弦长相距设定距离加工点，以生成第一加工点集。
优选的，所述第二路径点集生成模块具体包括：
第一路径点子集生成单元，用于获取以所述第一加工点集中一加工点为圆心以设定长度为半径的范围内的所有数据点，以生成第一路径点子集；
第二路径点子集生成单元，用于获取经过圆心且垂直所述第一熔覆路径的截面，并确定三角化后的所述第一路径点子集的网格与所述截面相交的路径点，以生成第二路径点子集；
局部轮廓线确定单元，用于采用多项式拟合函数根据所述第二路径点子集中的各路径点确定零件在所述截面上的局部轮廓线；
第二路径点集生成单元，用于在所述局部轮廓线上获取距所述第一路径点集中一加工点的弦长为设定值的数据点，以生成第二路径点集。
优选的，所述系统还包括：
投影范围获取模块，用于获取所述点云数据的投影范围；
新的第二路径点集生成模块，用于剔除所述第二路径点集中不在所述投影范围内的数据点，以生成新的第二路径点集。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过对所获取的点云数据进行三角化处理后规划出等间距的熔覆路径，从而提升熔覆层表面质量。并且，通过三角化稀疏点云的方式，规划的熔覆路径不受点云稀疏性的影响，由上一条路径上的路径点搜寻下一条路径上的点时，能搜寻到足够多的数据点，以能够大大降低路径的拟合误差，进一步能够保持路径间距始终相等，达到良好的熔覆效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的等搭接率激光熔覆路径的规划方法的流程图；
图2a为本发明实施例中稀疏点云数据图；
图2b为本发明实施例中三角化后的点云数据图；
图3a为本发明实施例生成第二条熔覆路径的示意图；
图3b为本发明实施例熔覆路径修正示意图；
图4为本发明提供的等搭接率激光熔覆路径的规划系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种针对稀疏点云进行激光熔覆路径的规划方法和系统，通过三角化稀疏点云的方式，保证规划的熔覆路径不受点云稀疏性的影响，路径的拟合误差小，熔覆效果好。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明提供的等搭接率激光熔覆路径的规划方法的流程图，如图1所示，一种等搭接率激光熔覆路径的规划方法，包括：
步骤100：获取零件表面的点云数据。
步骤101：采用Delaunay三角化算法三角化所述点云数据。如图所示，图2a是稀疏的点云数据，图2b是三角化后的点云数据。
步骤102：根据三角化后的所述点云数据确定第一熔覆路径点集，拟合后作为第一熔覆路径。其中，第一条熔覆路径的确定方法有如下两种：
第一种：如图2b所示，选择某一截面E与三角化的点云求交得交点a，b，c，多项式拟合a，b，c三点作为第一条熔覆路径。
第二种：如图2b所示，选择零件点云的边界数据点d，e，f，采用多项式拟合函数对边界数据点d，e，f进行拟合后作为第一条熔覆路径。
以第一种情况为例，以x为自变量，y和z为因变量，k-1次多项式拟合熔覆路径的过程如下：
记a，b，c，三点的坐标分别为(xa,ya,za)，(xb,yb,zb)，(xc,yc,zc)，则这三点拟合出的熔覆路径函数为
Figure BDA0002503505570000061
式中，my0,my1…my(k-1)与mz0,mz1…mz(k-1)是公式
Figure BDA0002503505570000062
的解。
步骤103：在所述第一条熔覆路径中确定弦长相距设定距离的加工点，以生成第一加工点集。具体为，在第一条熔覆路径中根据等距离步长法确定一系列弦长相距1mm的加工点组成点集为Ωs1＝{p1,p2…pn}。
步骤104：在垂直熔覆方向的轮廓上，获取距所述第一加工点集中加工点的弦长为设定值的点，以生成第二路径点集，具体包括：
获取以所述第一加工点集中一加工点为圆心以设定长度为半径的范围内的所有数据点，以生成第一路径点子集。具体为，对Ωs1中的某一路径点pi(1≤i≤n)，设置一个半径r，找出以pi为圆心，r为半径的范围内的所有数据点，以生成第一路径点子集Ωin。如图3a所示，此处所指的所有数据点即为圆内三角网格的顶点。
获取一经过圆心且垂直所述第一熔覆路径的截面，并确定所述第一路径点子集的网格与所述截面相交的路径点，以生成第二路径点子集。具体为，获取一个通过pi且垂直熔覆方向的截面E，E和第一路径点子集Ωin有交点a，b，c，d，e，以生成第二路径点子集。
采用多项式拟合函数根据所述第二路径点子集中的各路径点确定零件在所述截面上的局部轮廓线。具体为，采用多项式拟合函数拟合上述交点a，b，c，d，e得到零件在截面E上的局部轮廓线。
在所述局部轮廓线上获取距所述第一加工点集中一加工点的弦长为设定值的数据点，以生成第二路径点集。具体为，依次搜索第一加工点集Ωs1中的每一加工点pi(i＝1,2…n)在垂直熔覆方向的局部轮廓上距离其弦长等于(1-η)×d的点，以生成第二路径点集。其中，η为熔道搭接率(熔覆路径的搭接率)，d为熔道宽度(为熔覆路径的宽度)。
步骤105：采用多项式拟合函数根据所述第二路径点集生成第二条熔覆路径。所述第二条熔覆路径的两端均抵达所述点云数据投影面的边界上。
步骤106：返回所述在所述第一条熔覆路径中确定弦长相距设定距离加工点，以生成第一加工点集的步骤，直至熔覆路径遍布整个所述零件表面。
作为本发明的另一实施例，为了进一步提高路径规划的精确度，所述在垂直熔覆方向的轮廓上，获取距所述第一加工点集中加工点的弦长为设定值的点，以生成第二路径点集之后，还包括：
获取所述点云数据的投影范围。
剔除所述第二路径点集中不在所述投影范围内的数据点，以形成新的第二路径点集。具体为，剔除Ωs2中不在点云投影范围内的点，多项式拟合Ωs2中余下的点后，延长熔覆路径直至两端都抵达点云投影边界，最终的熔覆路径如图3b所示。
对应于上述等搭接率激光熔覆路径的规划方法，本发明还提供了一种等搭接率激光熔覆路径的规划系统，如图4所示，该系统包括：点云数据获取模块1、点云数据三角化模块2、第一条熔覆路径生成模块3、第一加工点集生成模块4、第二路径点集生成模块5、第二条熔覆路径生成模块6和零件表面熔覆路径确定模块7。
其中，点云数据获取模块1用于获取零件表面的点云数据。
点云数据三角化模块2用于采用Delaunay三角化算法三角化所述点云数据。
第一条熔覆路径生成模块3用于根据三角化后的所述点云数据生成第一条熔覆路径点集，拟合后作为第一熔覆路径。
第一加工点集生成模块4用于在所述第一条熔覆路径中确定弦长相距设定距离的加工点，以生成第一加工点集。
第二路径点集生成模块5用于在垂直熔覆方向的轮廓上，获取距所述第一加工点集中加工点的弦长为设定值的点，以生成第二路径点集。
第二条熔覆路径生成模块6用于采用多项式拟合函数根据所述第二路径点集生成第二条熔覆路径。所述第二条熔覆路径的两端均抵达所述点云数据投影面的边界上。
零件表面熔覆路径确定模块7用于返回所述在所述第一条熔覆路径中确定弦长相距设定距离加工点，以生成第一加工点集的步骤，直至熔覆路径遍布整个所述零件表面。
作为本发明的另一实施例，上述第一加工点集生成模块4具体包括：第一加工点集生成单元。
第一加工点集生成单元用于采用等距离步长法，在所述第一条熔覆路径中确定弦长相距设定距离加工点，以生成第一加工点集。
作为本发明的另一实施例，上述第二路径点集生成模块5具体包括：第一路径点子集生成单元、第二路径点子集生成单元、局部轮廓线确定单元和第二路径点集生成单元。
第一路径点子集生成单元用于获取以所述第一加工点集中一加工点为圆心以设定长度为半径的范围内的所有数据点，以生成第一路径点子集。
第二路径点子集生成单元用于获取经过圆心且垂直所述第一熔覆路径的截面，并确定三角化后的所述第一路径点子集的网格与所述截面相交的路径点，以生成第二路径点子集。
局部轮廓线确定单元用于采用多项式拟合函数根据所述第二路径点子集中的各路径点确定零件在所述截面上的局部轮廓线。
第二路径点集生成单元用于在所述局部轮廓线上获取距所述第一加工点集中一加工点的弦长为设定值的数据点点，以生成第二路径点集。
作为本发明的另一实施例，上述系统还包括：投影范围获取模块和新的第二路径点集生成模块。
投影范围获取模块用于获取所述点云数据的投影范围。
新的第二路径点集生成模块用于剔除所述第二路径点集中不在所述投影范围内的数据点，以生成新的第二路径点集。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种等搭接率激光熔覆路径的规划方法，其特征在于，包括：
获取零件表面的点云数据；
采用Delaunay三角化算法三角化所述点云数据；
根据三角化后的所述点云数据确定第一熔覆路径点集，拟合后作为第一熔覆路径；
在所述第一条熔覆路径中确定弦长相距设定距离的加工点，以生成第一加工点集；
在垂直熔覆方向的轮廓上，获取距所述第一加工点集中加工点的弦长为设定值的点，以生成第二路径点集；
采用多项式拟合函数根据所述第二路径点集生成第二条熔覆路径；所述第二条熔覆路径的两端均抵达所述点云数据投影面的边界上；
返回所述在所述第一条熔覆路径中确定弦长相距设定距离加工点，以生成第一加工点集的步骤，直至熔覆路径遍布整个所述零件表面。
2.根据权利要求1所述的等搭接率激光熔覆路径的规划方法，其特征在于，所述在所述第一条熔覆路径中确定弦长相距设定距离加工点，以生成第一加工点集，具体为：
采用等距离步长法，在所述第一条熔覆路径中确定弦长相距设定距离加工点，以生成第一加工点集。
3.根据权利要求1所述的等搭接率激光熔覆路径的规划方法，其特征在于，所述在垂直熔覆方向的轮廓上，获取距所述第一加工点集中加工点的弦长为设定值的点，以生成第二路径点集，具体包括：
获取以所述第一加工点集中一加工点为圆心以设定长度为半径的范围内的所有数据点，以生成第一路径点子集；
获取一经过圆心且垂直所述第一熔覆路径的截面，并确定三角化后的所述第一路径点子集的网格与所述截面相交的路径点，以生成第二路径点子集；
采用多项式拟合函数根据所述第二路径点子集中的各路径点确定零件在所述截面上的局部轮廓线；
在所述局部轮廓线上获取距所述第一加工点集中一加工点的弦长为设定值的数据点，以生成第二路径点集。
4.根据权利要求1所述的等搭接率激光熔覆路径的规划方法，其特征在于，所述在垂直熔覆方向的轮廓上，获取距所述第一加工点集中加工点的弦长为设定值的点，以生成第二路径点集之后，还包括：
获取所述点云数据的投影范围；
剔除所述第二路径点集中不在所述投影范围内的数据点，以形成新的第二路径点集。
5.根据权利要求1所述的等搭接率激光熔覆路径的规划方法，其特征在于，所述设定距离为1mm。
6.根据权利要求1所述的等搭接率激光熔覆路径的规划方法，其特征在于，所述设定值为(1-η)×d；其中，η为熔覆路径的搭接率，d为熔覆路径的宽度。
7.一种等搭接率激光熔覆路径的规划系统，其特征在于，包括：
点云数据获取模块，用于获取零件表面的点云数据；
点云数据三角化模块，用于采用Delaunay三角化算法三角化所述点云数据；
第一条熔覆路径生成模块，用于根据三角化后的所述点云数据生成第一条熔覆路径点集，拟合后作为第一熔覆路径；
第一加工点集生成模块，用于在所述第一条熔覆路径中确定弦长相距设定距离的加工点，以生成第一加工点集；
第二路径点集生成模块，用于在垂直熔覆方向的轮廓上，获取距所述第一加工点集中加工点的弦长为设定值的点，以生成第二路径点集；
第二条熔覆路径生成模块，用于采用多项式拟合函数根据所述第二路径点集生成第二条熔覆路径；所述第二条熔覆路径的两端均抵达所述点云数据投影面的边界上；
零件表面熔覆路径确定模块，用于返回所述在所述第一条熔覆路径中确定弦长相距设定距离加工点，以生成第一加工点集的步骤，直至熔覆路径遍布整个所述零件表面。
8.根据权利要求7所述的等搭接率激光熔覆路径的规划系统，其特征在于，所述第一加工点集生成模块具体包括：
第一加工点集生成单元，用于采用等距离步长法，在所述第一条熔覆路径中确定弦长相距设定距离加工点，以生成第一加工点集。
9.根据权利要求7所述的等搭接率激光熔覆路径的规划方法，其特征在于，所述第二路径点集生成模块具体包括：
第一路径点子集生成单元，用于获取以所述第一加工点集中一加工点为圆心以设定长度为半径的范围内的所有数据点，以生成第一路径点子集；
第二路径点子集生成单元，用于获取经过圆心且垂直所述第一熔覆路径的截面，并确定三角化后的所述第一路径点子集的网格与所述截面相交的路径点，以生成第二路径点子集；
局部轮廓线确定单元，用于采用多项式拟合函数根据所述第二路径点子集中的各路径点确定零件在所述截面上的局部轮廓线；
第二路径点集生成单元，用于在所述局部轮廓线上获取距所述第一加工点集中一加工点的弦长为设定值的加工点，以生成第二路径点集。
10.根据权利要求7所述的等搭接率激光熔覆路径的规划系统，其特征在于，所述系统还包括：
投影范围获取模块，用于获取所述点云数据的投影范围；
新的第二路径点集生成模块，用于剔除所述第二路径点集中不在所述投影范围内的数据点，以生成新的第二路径点集。
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